Conducendo una doppia vita sia come solidi che come liquidi, i cristalli liquidi occupano il centro della scena per la creazione di piccoli, tecnologie più veloci ed efficienti. Anche a livello di singole particelle, i cristalli liquidi possono piegare la luce e reagire a forze esterne, come campi elettrici o spinte e spinte fisiche. E così, una piccola quantità di cristalli liquidi è solitamente sufficiente per ottenere elevate prestazioni in molte applicazioni, che vanno dagli schermi dei monitor ai pannelli solari.

Ma per sfruttare appieno le meravigliose proprietà di un cristallo liquido, le sue particelle costituenti devono essere sistematicamente assemblate.

In un nuovo studio, I ricercatori della Texas A&M University hanno scoperto che l'applicazione di una piccola differenza di temperatura a una miscela annacquata di un composto chiamato fosfato di zirconio avvia la sua cristallizzazione liquida. Quando le particelle di fosfato di zirconio si spostano verso temperature più calde, iniziano ad allinearsi tra loro e alla fine si trasformano in puri cristalli liquidi, hanno detto i ricercatori.

"Il nostro è il primo studio proof-of-concept a dimostrare che il gradiente di temperatura è un efficace, eppure semplice, strumento per assemblare cristalli liquidi di alta qualità, " ha detto il dottor Zhengdong Cheng, professore presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica Artie McFerrin. "Anche, i nostri risultati indicano che possiamo spostare i cristalli liquidi semplicemente variando la temperatura, una proprietà che può essere potenzialmente utilizzata per trasportare particelle di cristalli liquidi da un luogo all'altro, aprendo così la strada ad applicazioni al di là di quelle che sono comunemente associate ai cristalli liquidi oggi".

I ricercatori hanno riportato i loro risultati nel numero di ottobre della rivista ACS Nano .

I cristalli liquidi rappresentano uno stato della materia che si trova da qualche parte tra solidi e liquidi. Come le molecole nei solidi che formano i cristalli, quelli nei cristalli liquidi sono disposti in modo semi-sistematico, come macchine in un parcheggio parzialmente pieno. Ma i cristalli liquidi sono anche liquidi e possono assumere qualsiasi forma come i liquidi. Per di più, nel loro avatar di cristalli liquidi, i materiali spesso mostrano proprietà esotiche. Per esempio, dividono i raggi di luce o cambiano i loro allineamenti molecolari in risposta ai campi elettrici.

Ma se un materiale può assumere o meno uno stato di cristallo liquido dipende dalla forma complessiva delle sue particelle costituenti. Le sostanze costituite da particelle sferiche non formano cristalli liquidi. D'altra parte, i materiali costituiti da particelle allungate come bacchette o piatte come dischi formano cristalli liquidi. Cheng e il suo team erano particolarmente interessati al fosfato di zirconio perché le sue particelle simili a dischi hanno la capacità di autoassemblarsi in forme più grandi, strutture bidimensionali piatte allo stato liquido cristallino.

"Molte particelle trovate in natura, come i globuli rossi, nucleosomi e particelle di argilla, sono a forma di disco e nelle giuste circostanze, possono autoassemblarsi in cristalli liquidi, " disse Cheng. "Allora, abbiamo usato il fosfato di zirconio come proxy per indagare se esiste un modo per controllare sperimentalmente la cristallizzazione liquida di queste particelle".

È stato dimostrato che il fosfato di zirconio si assembla da solo in cristalli liquidi se vengono aggiunte quantità sufficienti all'acqua. Ma i cristalli liquidi risultanti hanno spesso difetti e sono instabili. Così, Cheng e il suo team hanno escogitato un approccio alternativo.

Cheng aveva dimostrato in precedenza che l'applicazione di una differenza di temperatura poteva far assemblare particelle sferiche in grumi di cristalli. Utilizzando lo stesso principio, il suo team ha studiato la possibilità di utilizzare temperature variabili per assemblare il fosfato di zirconio in cristalli liquidi.

Per i loro esperimenti, il team di Texas A&M ha preparato una miscela di fosfato di zirconio e acqua e l'ha riempita in sottili, tubi lunghi due pollici, assicurandosi che la quantità di fosfato di zirconio fosse sufficientemente piccola da non innescare la cristallizzazione liquida automatica. Prossimo, hanno applicato il calore in modo tale che la differenza di temperatura tra le due estremità del tubo fosse di circa 10 gradi.

In un'ora, Cheng e il suo team hanno scoperto che le particelle di fosfato di zirconio nell'estremità più fredda del tubo hanno iniziato a strisciare verso l'estremità più calda, innescando la cristallizzazione del liquido dall'estremità più calda del tubo.

"Proprio come l'acqua in una pentola bollente circola dal fondo dove è calda alla parte superiore del contenitore dove è fredda, anche l'acqua nei nostri tubi circolava da temperature più calde a temperature più fredde, " disse Dali Huang, studente laureato presso il Texas A&M College of Engineering e autore principale dello studio. "Di conseguenza, anche le particelle di fosfato di zirconio si muovevano nella direzione del flusso d'acqua e si disponevano in cristalli liquidi. "I ricercatori hanno ipotizzato che la spinta dell'acqua che scorre aiuta le particelle di fosfato di zirconio a posizionarsi sistematicamente fino a formare cristalli liquidi. Inoltre, hanno scoperto che i cristalli liquidi creati con gradienti di temperatura erano meno difettosi di quelli formati con altri metodi.

Cheng ha notato che le loro scoperte aprono nuove porte per l'uso in una varietà di contesti.

"In virtù della loro forma, le particelle a forma di disco hanno una superficie maggiore rispetto al loro volume, " ha detto Cheng. "Se pensiamo alla prossima generazione di dispositivi biomedici, Per esempio, possiamo potenzialmente sfruttare questa geometria per caricare particelle medicinali sulle loro superfici piatte e quindi variare la temperatura per trasportarle verso una parte specifica del corpo".