Ученые изучили особую форму жидких кристаллов, которые состоят из дискообразных молекул, которые называются дискотическими жидкими кристаллами. В этих материалах молекулы диска могут сами по себе образовывать высокие электропроводящие столбы, собираясь в стопку, как монеты. Исследователи заполнили дискотические жидкие кристаллы в нанопорах силикатного стекла. Цилиндрические поры имели диаметр всего 17 нанометров (миллионных долей миллиметра) и глубину 0,36 миллиметра.
Там жидкие кристаллы нагревали примерно до 100 градусов Цельсия, а затем медленно охлаждали. Изначально неорганизованные дисковые молекулы образовывали концентрические кольца, расположенные в виде круглых изогнутых столбцов. Начиная с края поры, одно кольцо за другим постепенно образовывалось при понижении температуры до тех пор, пока примерно при 70 градусах Цельсия все поперечное сечение поры не было заполнено концентрическими кольцами. При повторном нагревании кольца снова постепенно исчезали.
«Это изменение молекулярной структуры в ограниченных жидких кристаллах можно отслеживать с помощью методов дифракции рентгеновских лучей в зависимости от температуры и с высокой точностью», — говорит соавтор и ученый DESY Милена Липпманн, которая подготовила и участвовала в экспериментах в Линия дифракционного луча высокого разрешения P08 на выставке PETRA III. «Комбинация симметрии и ограничения приводит к неожиданным новым фазовым переходам», — говорит Марко Мацца из Института динамики и самоорганизации Макса Планка в Геттингене, где процесс моделировался с помощью компьютерного моделирования. С этой целью ученый MPI Арне Зантоп разработал теоретическую и численную модель наноразмерных жидких кристаллов, которая подтвердила экспериментальные результаты и помогает их интерпретировать.
Отдельные кольца формировались ступенчато при характерных температурах. «Это позволяет включать и выключать отдельные нанокольца при небольших изменениях температуры», — подчеркивает главный автор Кэтрин Сенткер из TUHH. Она заметила это явление по удивительно ступенчатым изменениям сигнала в лазерно-оптических экспериментах. Хотя такие квантовые изменения обычно происходят только при очень низких температурах, жидкокристаллическая система демонстрирует это квантовое поведение уже значительно выше комнатной температуры.
Поскольку оптоэлектрические свойства дискотических жидких кристаллов изменяются с образованием молекулярных столбцов, вариант с ограничением нанопор является многообещающим кандидатом для разработки новых оптических метаматериалов со свойствами, которые можно ступенчато регулировать с помощью температуры. Исследованные наноструктуры могут также привести к новым применениям в органических полупроводниках, таких как нанопроволоки с переключаемой температурой, объясняет соавтор Андреас Шонхальс из Bundesanstalt fur Materialforschung und -prufung (BAM), Федерального института исследования материалов и испытаний Германии, который интересуются тепловыми и электрическими свойствами этих систем.
«Это явление представляет собой прекрасный пример того, как универсальная мягкая материя может адаптироваться к экстремальным пространственным ограничениям и как это может привести к новым открытиям в физике, а также новым принципам проектирования и управления для самоорганизации функциональных наноматериалов», — объясняет главный исследователь Хубер.