Дискообразные частицы жидких кристаллов образовали в нанопорах нанокольца

Физики обнаружили, что если жидкий кристалл, собранный из дискообразных молекул, поместить в цилиндрический наноканал, то в нем возможно образование упорядоченной структуры, состоящей из отдельных наноколец. Переход в упорядоченную структуру при понижении температуры происходит слой за слоем, поэтому с помощью небольшого изменения температуры можно управлять количеством наноколец, сообщают ученые в статье в Physical Review Letters.

Если жидкий кристалл состоит из дискообразных молекул (например, когда центральная часть молекулы образована ароматической группой с небольшими линейными заместителями по краям), то в нем могут формироваться колонны, в которых молекулы уложены стопками. Такие образования имеют трансляционную симметрию и их называют «жидкими нитями» или колончатыми жидкими кристаллами. В зависимости от внешних условий (в первую очередь, давления и температуры) и пространственных ограничений, в таких жидких кристаллах могут образовываться и разрушаться различные типы упорядоченных состояний, и происходить переходы между ними, значительная часть из которых изучена пока довольно мало.

Физики из Германии и Польши под руководством Патрика Хубера (Patrick Huber) из Гамбургского университета решили изучить, как может меняться структура жидких кристаллов, состоящих из дискообразных частиц, помещенных в цилиндрические наноканалы. Для этого авторы работы взяли типичный дискотический жидкий кристалл HAT6, поместили его в нанопоры диаметром 17 нанометров и длиной 360 микрон внутри кварцевых мембран и посмотрели, что с ним будет происходить в порах при изменении температуры.

При понижении температуры от 100 до 70 градусов Цельсия в таких кристаллах наблюдалось постепенное образование упорядоченной структуры. Наблюдать его экспериментально исследователям удалось с помощью оптического двулучепреломления по запаздыванию фазы между поляризованным обыкновенным и необыкновенным оптическими лучами, а также в рентгено-дифракционном эксперименте по изменению интенсивности дифракционного пика.

Оба использованных экспериментальных метода привели к согласованным результатам, которые свидетельствуют о явном гистерезисном механизме образования упорядоченной структуры явления с постепенным образованием или разрушением структуры упорядоченных «жидких нитей». Ученые предположили, что при понижении температуры происходит формирование вдоль стенок наноколец из таких молекулярных стопок. Такой механизм удалось подтвердить с помощью компьютерного моделирования методом Монте-Карло.

Оказалось, что при уменьшении температуры структура жидкого кристалла действительно постепенно упорядочивается, и происходит этот процесс пошагово: в результате него, начиная от стенки, слой за слоем образуются нанокольца все меньшего и меньшего диаметра. Ученые отмечают, что формирование кольцевых стопок вместо нитей, расположенных вдоль оси канала несколько удивительно, но может объясняться возникновением в противном случаем избыточной упругой энергии из-за небольших вариаций толщины канала вдоль его длины. 

Авторы работы отмечают, что, поскольку переход происходит слой за слоем, то с помощью небольшого изменения температуры можно «включать» и «выключать» одно из наноколец во внутреннем слое переохлажденного жидкого кристалла. С учетом того, что в таких нанокольцах увеличивается подвижность носителей заряда, то такой способ можно использовать и для настройки электронных свойств материала.

Отметим, что происходящие в жидких кристаллах структурные фазовые переходы приводят к изменению их физических свойств, в частности, цвета или механических характеристик. Поэтому жидкие кристаллы можно использовать, например, в качестве термохромов и делать из них краску для волос, которая меняет цвет при температурном воздействии. А изменение структуры аналогичных жидким кристаллам пленок из поверхностно-активных веществ помогает легким быть устойчивыми во время дыхания.

Александр Дубов