Flytande kristaller har möjliggjort ny teknik, som LCD-skärmar, genom sin förmåga att reflektera vissa färgvåglängder.

Forskare vid Pritzker School of Molecular Engineering vid University of Chicago och Argonne National Laboratory har utvecklat ett innovativt sätt att skulptera en flytande "kristall i en kristall". Dessa nya kristaller skulle kunna användas för nästa generations bildskärmstekniker eller sensorer som förbrukar väldigt lite energi.

Eftersom sådana kristaller-inuti-kristaller kan reflektera ljus vid vissa våglängder som andra inte kan, de skulle kunna användas för bättre visningsteknik. De kan också manipuleras med temperatur, spänning eller tillsatta kemikalier, vilket skulle göra dem värdefulla för avkänningstillämpningar. Förändringar i temperatur, till exempel, skulle resultera i färgförändringar. Och eftersom sådana förändringar endast skulle kräva små temperaturvariationer eller små spänningar, enheterna skulle förbruka mycket lite energi.

En integrerad del av tekniken

Flytande kristallers molekylära orientering gör dem användbara för nyckelaspekter av många bildskärmsteknologier. De kan också bilda "blåfaskristaller, " där molekyler är organiserade i mycket regelbundna mönster som reflekterar synligt ljus.

Blåfaskristaller har egenskaperna hos både vätskor och kristaller, vilket betyder att de kan flyta och är böjliga, samtidigt som de uppvisar mycket regelbundna egenskaper som sänder ut eller reflekterar synligt ljus. De har också bättre optiska egenskaper och en snabbare svarstid än traditionella flytande kristaller, vilket gör dem till en bra kandidat för optisk teknik.

Dessutom, egenskaperna som är ansvariga för att reflektera ljus i blåfaskristaller är åtskilda av relativt stora avstånd jämfört med traditionella kristaller som kvarts. De större funktionerna gör det lättare att konstruera gränssnitten mellan dem, en notoriskt svår process i traditionella kristallina material. Sådana gränssnitt är viktiga eftersom de ger idealiska platser för kemiska reaktioner och mekaniska omvandlingar, och eftersom de kan hindra ljudtransport, energi, eller ljus.

Skapa ett gränssnitt mellan kristaller

För att konstruera ett blåfaskristallgränssnitt, forskarna utvecklade teknologi som bygger på kemiskt mönstrade ytor på vilka flytande kristaller avsätts, därigenom tillhandahåller ett medel för att manipulera deras molekylära orientering. Den orienteringen förstärks sedan av själva flytande kristallen, tillåter en speciell blåfaskristall att skulpteras i en annan blåfaskristall.

Processen, ett resultat av teoretiska förutsägelser och experiment för att komma fram till rätt design, tillät dem att skapa specifika skräddarsydda kristallformer i de flytande kristallerna - ett nytt genombrott.

Inte bara det, den nyligen skulpterade kristallen kunde manipuleras med både temperatur och ström för att ändra från en blå fas till en annan typ av blå fas, och därmed ändra färg.

"Det betyder att materialet kan ändra sina optiska egenskaper mycket exakt, " sa pappersmedförfattaren Juan de Pablo, Liew familjeprofessor i molekylär teknik, senior forskare vid Argonne National Laboratory, och en ledande polymermaterialforskare. "Vi har nu ett material som kan svara på yttre stimuli och reflektera ljus vid särskilda våglängder som vi inte hade bra alternativ för tidigare."

Användbar för visningstekniker, sensorer

Denna förmåga att manipulera kristallerna i så liten skala tillåter också forskare att använda dem som mallar för att tillverka perfekt enhetliga strukturer i nanoskala, sa medförfattaren Paul Nealey, Brady W. Dougan professor i molekylär teknik och en av världens ledande experter på mönstring av organiska material.

"Vi experimenterar redan med att odla andra material och experimenterar med optiska enheter, "Nealey sa. "Vi ser fram emot att använda den här metoden för att skapa ännu mer komplexa system."