Физики из США и Франции предложили способ контролируемого изменения структуры и хиральности холестерических жидких кристаллов, образующих сферические оболочки микронного размера. Оказалось, что этого можно добиться, изменяя степень прикрепления кристаллов к внутренней или внешней поверхности такой оболочки. Работа опубликована в Physical Review X.

Незадолго до конкурса традиционного ежегодного конкурса микрофотографий Nikon Small World, лучшие из которых мы собрали в нашем материале, уже семь лет проходит конкурс видео микрообъектов Small World in Motion. В 2017 году пятое место в этом конкурсе заняло видео с подвижными микропузырями, состоящими из жидких кристаллов с динамически изменяющейся структурой. В своей новой работе физики из США и Франции предложили способ получения таких структур и показали, как можно управлять структурой входящих в них жидких кристаллов.

Жидкие кристаллы — вязкие жидкости, состоящие из достаточно крупных молекул вытянутой формы, в которых наблюдается образование упорядоченных структур. Для жидких кристаллов характерно образование нескольких типов фаз, одна из которых — холестерики — образует спиральные структуры без центральной симметрии. В каждом из слоев такого жидкого кристалла молекулы выстроены параллельно друг другу, но слои при этом закручиваются друг относительно друга по спирали. Поэтому одним из главных параметров, которые характеризует их структуру является хиральность — направление закрученности таких спиралей.

Lisa Tran

В данной работе холестерические кристаллы создавались из нематического жидкого кристалла цианопентилбифенила с помощью добавления компонента с хиральной структурой. Из таких кристаллов физики получали сферические оболочки радиусом от 50 до 150 микрон и толщиной от 10 до 50 микрон. Изображения этих оболочек авторы работы получили с помощью поляризационной микроскопии.

Обе границы (внутренняя и внешняя) сферических оболочек стабилизировались с помощью двух типов веществ: либо поверхностно-активных веществ, либо использовался однородный неупорядоченный слой поливинилового спирта. Если поверхностно-активные вещества заставляли слои жидкого кристалла привязываться поверхности и ориентироваться при этом перпендикулярно границе, то поливиниловый спирт — наоборот, приводил к откреплению жидкого кристалла от границы и созданию разупорядоченной структуры.

Справа изображены структуры жидко-кристаллической фазы в случае наличия и отсутствия поверхностно-активного вещества на межфазной границе. На рисунках (а) и (с) изображено последовательное изменение структуры жидко-кристаллической оболочки при постепенном уменьшении доли поверхностно-активного вещества на границе и повышении температуры, соответсвенно. L. Tran et al./ Physical Review X, 2017

Оказалось, что структурой жидкого кристалла (и в частности, его хиральностью) можно управлять, изменяя степень привязанности жидкого кристалла к межфазной границе. Добиться этого можно двумя способами: изменяя долю поверхностно-активного вещества на границах (как внутренней, так и внешней) или повышая температуру всей системы. В качестве способа управления составом поверхности можно ученые предлагают повышать концентрацию солей в водной фазе.

В результате ученым удалось добиться образования структур с разной степенью упорядоченности. При комнатной температуре и больших концентрациях поверхностно-активного вещества образуется абсолютно упорядоченная структура, состоящая из единственного домена холестерического жидкого кристалла, которая при повышении температуры и увеличении доли поливинилового спирта на поверхности постепенно разрушается.

Кроме изменения степени порядка в оболочке, при определенных условиях можно наблюдать переход между двумя упорядоченными состояниями с разной ориентацией слоев жидко-кристаллической фазы: параллельно и перпендикулярно поверхности. В обоих случаях образуется спиральная структура.

Ученые отмечают, что использовать такие жидко-кристаллические оболочки можно не только для того, чтобы получить красивые изображения, но и для создания, например, биосенсоров.

Жидкие кристаллы являются своего рода промежуточным состоянием вещества между твердым телом и жидкостью, в котором соседние молекулы ориентируются одинаковым образом, но ориентация доменов не взаимосвязана. Одно из недавних исследований показало, что с помощью поверхностно-активных веществ можно получить другую промежуточную фазу между твердом телом и жидкостью — пластический кристалл, в котором, наоборот, домены расположены упорядоченно, а внутри доменов молекулы могут быть расположены хаотично.

Автор: Александр Дубов