Även om många vetenskapliga prestationer kommer från långa år av noggrann planering, då och då snubblar forskare över något helt oväntat. "I början, vi ville skapa en särskild effekt, "säger doktoranden Wei-Shao Wei." Sedan, vi såg något konstigt. "

En ny studie i Natur beskriver detta "konstiga" fynd genom att visa hur droppar som innehåller kedjeliknande flytande kristallmolekyler förvandlas till komplexa former när temperaturen sjunker. Utförd av Wei, doktorand Sophie Ettinger, Ph.D. alun Yu Xia, Shu Yang, och Arjun Yodh, denna oväntade upptäckt ger ny förståelse för hur molekylär polydispersitet - ett tillstånd där längden på flytande kristallmolekyler varierar kraftigt - kan få enkla droppar att förändras till ovanliga former.

Flytande kristaller består av stav- eller skivliknande molekyler som kallas mesogener, och, som ett resultat av inriktningen av dessa mesogener, uppvisar anmärkningsvärda fysikaliska egenskaper mellan egenskaperna hos ett fast ämne och en vätska. De flytande kristallerna som används i denna studie har liknande egenskaper som de som används på LCD -skärmar men är istället gjorda av oligomerer, flexibla kortkedjiga polymerer som består av mindre stavliknande molekylära byggstenar.

Weis ursprungliga mål var att använda denna typ av flytande kristaller från Yangs laboratorium för att skapa Janus -droppar, som innehåller två olika typer av material på motsatta sidor av droppen - i detta fall, hälften skulle vara ett gummiaktigt nätverk som kallas en flytande kristallelastomer, tillverkad genom att "låsa" flytande kristallmolekyler på plats med tvärbindning, och den andra halvan skulle vara silikon.

Wei upptäckte snabbt att dropparna istället förvandlades till konstiga trådstrukturer. Först trodde forskarna att det de såg var ett experimentellt fel, men eftersom resultaten var repeterbara, de insåg att det var något anmärkningsvärt nytt som de skulle försöka förstå.

"Det var en visuellt spektakulär effekt. Jag förväntade mig det inte alls, "säger Yodh." Vi försökte göra designerdroppar, men under processen, vi såg något intressant och annorlunda. "

Båda förvånade och förbryllade över deras konstiga resultat, forskarna inledde en noggrann undersökning för att förklara vad de såg. Med hjälp av Yang -labbet, Wei studerade droppar som innehöll olika blandningar av flytande kristalloligomerer gjorda av mesogener av varierande längd. Forskarna varierade oligomerkedjelängden, använde olika ytaktiva ämnen för att hålla ihop dropparna, och utforskade enkla teoretiska modeller för att förstå deras resultat.

Det väsentliga med modellen som forskarna utvecklat är att droppens struktur drivs av två krafter:ytspänning, tendensen hos vätskeytor att krympa till det minsta möjliga området, och elastisk energi, med ett exempel är den mekaniska energin som lagras i böjbara föremål som sängfjädrar eller en bågskytte. För att hålla ytanergin till ett minimum, flytande kristalldroppen bildar normalt en sfär, formen med det minsta förhållandet mellan yta och volym. Inuti droppen, dock, de enskilda stavarna vill vara både vinkelräta mot sfärens yta samtidigt som de sitter parallellt med andra stavar.

Med dessa motsatta krafter i spel, vid höga temperaturer (~ 90 C/~ 194 F), flytande kristalldropparna är sfäriska och har en klassisk "radiell igelkott" inre struktur, där alla stavarna pekar mot mitten, en konfiguration som kräver elastisk energi för att bildas. Sedan, när temperaturen sjunker, ytspänning och elastisk energiförändring, och både droppens form och inriktningen av stavarna inuti dropptransformationen för att minimera den totala energikostnaden.

Av en händelse, de resulterande droppstrukturerna bildar en fantastisk uppsättning komplexa former, från "blommor" som liknar mikroskopiska krysantemum till massiva "Medusa" -nätverk av sammanflätade fibrer. Effekterna är också reversibla - droppar kan gå från sfärer till trassliga nätverk och sedan tillbaka igen.

Förutom de anmärkningsvärda nya droppmorfologierna, en av de överraskande resultaten av detta arbete var att nyckeln till detta konstiga fenomen var att ha både långkedjiga och kortkedjiga stavar i droppen-i vetenskapliga termer, har ett flytande kristallsystem med polydispersitet.

När de stavliknande mesogenerna var av liknande längd, inga konstiga effekter sågs, men om de hade många olika längder, då skulle stavarna flytta till olika platser inuti droppen baserat på deras längd. Stavar av mindre kedjor flyttas företrädesvis dit där den elastiska energin är större, nära droppens mitt, medan de gjorda av större kedjor rörde sig till ytan.

"Vanligtvis när ditt prov innehåller en blandning av beståndsdelar av olika storlek, eller längd, eller till och med komposition, då smetas ut fasövergångar eller självmonteringshändelser, eller förhindras helt, "förklarar Yodh, "Men här, polydispersitet i blandningen hjälper till att driva effekten, eftersom kedjor av olika längd kan flytta till olika delar av droppen. Detta händer inte för de homogena, monodispers system. "

Medan många frågor fortfarande återstår, som varför, exakt, dropparna förgrenar sig på konstiga sätt som får materialet att se levande ut, forskarna hoppas kunna använda dessa insikter för att utforska nya applikationer och koncept.

"En anledning till att vi bestämde oss för att använda just dessa flytande kristalloligomerer är att vi kan tvärbinda dem och göra dem till en elastomer, "säger Yodh, tillägger att dessa och andra liknande typer av kedjeliknande flytande kristallmolekyler kan användas för att skapa nya typer av mjuka material, som manövrerbara fibrer som kan röra sig och ändra former som svar på temperatur eller fukt.

Forskarna tänker också på andra fenomen där polydispersitet spelar en roll för att driva ett materialets sammansättning och forma dess struktur och funktion. Molekylär heterogenitet i biologin är potentiellt relaterad till vad forskarna hittade med de polydispersa kedjeliknande flytande kristallmolekylerna och kan underlätta sätt att syntetisera och mönstra material baserat på vad som redan finns i den levande världen-många polymerer som finns i naturen, som naturgummi, träcellulosa, och siden, är själva polydispersa.

"I allmänhet, forskare tenderar att kontrollera saker - du vill kontrollera så att du kan förstå det, och därför försöker vi vanligtvis göra och arbeta med monodisperse system, "säger Yang." Men inom biologi, källmaterialen är ibland en blandning av molekyler med olika kedjelängder och funktioner:De kan ha olika styvhet, hydrofobicitet, eller hydrofilicitet, och det är därför det är så komplicerat att förstå. "

Forskarna hoppas att denna studie, vilket gjordes i samarbetet "MRSEC -anda" genom att förena insatser inom materialvetenskap och teknik med fysik, kommer att uppmuntra andra att se nya konsekvenser och möjliga fördelar med polydispersitet.

"Det här arbetet var roligt, "tillägger Yodh." Det var roligt att bli överraskad i början, och sedan frustrerande kul att försöka förstå det så länge. Och det är kul att se tillbaka. Störningen i polymererna gör något som är annorlunda. "