Flytande kristaller används i allt från små digitala klockor till stora tv -skärmar, från optiska enheter till biomedicinska detektorer. Ändå är lite känt om deras exakta molekylstruktur när delar av sådana kristaller interagerar med luft.

Ny forskning ledd av Juan de Pablo, familjeprofessorn Liew vid Institute for Molecular Engineering, avslöjar tidigare okända funktioner som utvecklas från gränssnittet mellan luft och vissa väsentligt studerade flytande kristaller.

"Flytande kristaller är reportrar om molekylära händelser i högsta kvalitet, och deras effektivitet är beroende av att kontrollera deras molekylära orientering vid ett gränssnitt, "sade de Pablo." Den exakta förståelsen av detta gränssnitt som erhållits från vår forskning möjliggör design av bättre flytande kristallsensorer och skärmar. "

För forskningen publicerad 8 februari i Journal of the American Chemical Society , de Pablo arbetade med ett team av forskare vid University of Chicago, inklusive Binhua Lin och Benoit Roux, och vid University of Illinois i Chicago och University of Wisconsin. De använde avancerade synkrotronröntgenstrålar vid Argonne National Laboratory och storskaliga simuleringar för att rekonstruera de molekylära detaljerna.

Flytande kristaller finns i ett tillstånd mellan vätskor och fasta ämnen, låta dem flyta som en vätska men också ha vissa egenskaper hos ett fast ämne. Deras molekyler har en stavliknande struktur som kan organiseras på olika sätt. Vissa flytande kristaller går igenom fasövergångar som svar på temperaturförändringar. I den nematiska fasen, de stavliknande molekylerna ställer sig på ett oreda men parallellt sätt. I den smektiska fasen, de ställer sig också parallellt - men i organiserade lager.

"Vår forskning avslöjade ett antal tidigare okända funktioner, "sa de Pablo." Till exempel, våra fynd indikerar att gränssnittet präglar en mycket välordnad, fastliknande struktur i flytande kristallmaterialet. Denna struktur förökas sedan väl in i huvuddelen av flytande kristaller, särskilt för nematiska och smektiska faser. "

Forskningen fann liknande egenskaper mellan mycket studerade flytande kristaller nematiska 4-pentyl-4'-cyanobifenyl och smektisk 4-oktyl-4'-cyanobifenyl. Båda riktas vinkelrätt mot gränssnittet mellan luft-vätskekristaller och uppvisar väldefinierade, ytinducerade lager vid gränssnittet. När båda värmdes till en helt flytande fas, endast ett enda lager av strukturerade molekyler bildades vid gränsytan mellan vätskan och luften.

Forskarna planerar att studera gränssnitten för flytande kristaller och vattenhaltiga elektrolyter för att förstå effekterna av elektrostatiska interaktioner och flytande kristallorientering.

"Dessa resultat kommer att vara särskilt viktiga för att styra utformningen av responsiva flytande kristallgränssnitt för avkänning av kemikalier och biologiska molekyler, "avslutade papperet.