Alla sorgente di raggi X di DESY PETRA III, gli scienziati hanno studiato un'intrigante forma di autoassemblaggio nei cristalli liquidi:quando i cristalli liquidi vengono riempiti in nanopori cilindrici e riscaldati, le loro molecole formano anelli ordinati mentre si raffreddano, una condizione che altrimenti non si verifica naturalmente nel materiale. Questo comportamento consente ai nanomateriali con nuove proprietà ottiche ed elettriche, come riporta sulla rivista il team guidato da Patrick Huber della Hamburg University of Technology (TUHH) Lettere di revisione fisica .

Gli scienziati hanno studiato una forma speciale di cristalli liquidi composta da molecole a forma di disco chiamate cristalli liquidi discotici. In questi materiali, le molecole del disco possono formarsi alte, pilastri elettricamente conduttivi da soli, impilati come monete. I ricercatori hanno riempito cristalli liquidi discotici in nanopori in un vetro di silicato. I pori cilindrici avevano un diametro di soli 17 nanometri (milionesimi di millimetro) e una profondità di 0,36 millimetri.

Là, i cristalli liquidi sono stati riscaldati a circa 100 gradi Celsius e raffreddati lentamente. Le molecole del disco inizialmente disorganizzate formavano anelli concentrici disposti come colonne curve rotonde. Partendo dal bordo del poro, un anello dopo l'altro si è formato gradualmente con la diminuzione della temperatura fino a quando a circa 70 gradi Celsius l'intera sezione trasversale del poro è stata riempita di anelli concentrici. Dopo il riscaldamento, gli anelli gradualmente scomparvero di nuovo.

"Questo cambiamento della struttura molecolare nei cristalli liquidi confinati può essere monitorato con metodi di diffrazione dei raggi X in funzione della temperatura e con elevata precisione, " afferma la coautrice e scienziata di DESY Milena Lippmann, che ha preparato e partecipato agli esperimenti presso la High-Resolution Diffraction Beamline P08 presso PETRA III. "La combinazione di simmetria e confinamento dà origine a inaspettati, nuove transizioni di fase, " afferma Marco Mazza del Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization di Göttingen, dove il processo è stato modellato con simulazioni al computer. A tal fine, Lo scienziato dell'MPI Arne Zantop ha ideato un modello teorico e numerico per i cristalli liquidi nanoconfinati che ha confermato i risultati sperimentali e aiuta a interpretarli.

I singoli anelli si sono formati gradualmente a temperature caratteristiche. "Questo rende possibile accendere e spegnere i singoli nano anelli con piccoli cambiamenti di temperatura, " sottolinea l'autore principale Kathrin Sentker di TUHH. Aveva notato questo fenomeno attraverso cambiamenti di segnale sorprendentemente simili a gradini negli esperimenti laser-ottici. Mentre tali cambiamenti quantizzati di solito si verificano solo a temperature molto basse, il sistema a cristalli liquidi mostra questo comportamento quantistico già ben al di sopra della temperatura ambiente.

Poiché le proprietà optoelettriche dei cristalli liquidi discotici cambiano con la formazione di colonne molecolari, la variante confinata con nanopori è un candidato promettente per la progettazione di nuovi metamateriali ottici con proprietà che possono essere controllate gradualmente attraverso la temperatura. Le nanostrutture studiate potrebbero anche portare a nuove applicazioni nei semiconduttori organici, come i nanofili termoregolabili, spiega il coautore Andreas Schönhals della Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), l'Istituto federale tedesco per la ricerca e le prove sui materiali, interessati alle proprietà termiche ed elettriche di questi sistemi.

"Il fenomeno costituisce un ottimo esempio di come la materia soffice versatile possa adattarsi a vincoli spaziali estremi e di come ciò possa portare a nuove intuizioni in fisica, nonché a nuovi principi di progettazione e controllo per l'auto-organizzazione di nanomateriali funzionali, " spiega il ricercatore principale Huber.