När Lisa Tran gav sig ut för att undersöka mönster i flytande kristaller, hon visste inte vad hon skulle förvänta sig. När hon först tittade igenom mikroskopet, hon såg dansande iriserande sfärer med fingeravtrycksliknande mönster etsade in i dem som spiralformades och plattades ut när lösningen de flöt i förändrades.

Synen var så vacker att Tran, en doktorand vid Institutionen för fysik och astronomi vid University of Pennsylvania's School of Arts and Sciences, skickade in en video av den till Nikon Small World Competition och slutade med att vinna femte plats. Men betydelsen av resultaten sträcker sig långt bortom deras estetiska dragningskraft, med möjliga tillämpningar inom biosensing och energiupptagning.

Flytande kristaller, vätskor med inriktade faser av bestående molekyler, används i allt från dator- och tv -skärmar till stämningsringar. Eftersom flytande kristaller är gjorda av stavliknande molekyler, de har speciella optiska egenskaper, som att ändra färg när de interagerar med elektriska signaler eller ljus.

För denna forskning, Tran begränsade de flytande kristallerna i droppar, skapa skal som flyter i vatten. Tran och hennes rådgivare, Randall Kamien, Vicki och William Abrams professor i naturvetenskap vid Penn, beskrev dropparna som "tjusiga bubblor". För att skapa mönster, Tran tillsatte sedan ytaktiva ämnen, eller tvålmolekyler, till vattnet.

"Det sätt som tvål brukar fungera, "Tran sa, "är att du blandar det med vatten och det bildar små droppar med oljan för att ta bort det från dina händer eller din tallrik."

Eftersom flytande kristaller liknar olja, ytaktanterna lockades till flytande kristallskal, få molekylerna att ordna på olika sätt och skapa slående mönster. Ju mer tvål hon tillsatte i lösningen, ju mer mönstren förändrades. Att tillsätta vatten fick mönstren att vända.

Att kunna styra mönstren som bildas på de flytande kristallerna kan vara användbart för att skapa fläckiga kolloider, mikroskopiska partiklar suspenderade i vatten som är funktionaliserade, vilket betyder att man kan fästa molekyler till specifika fläckar på partikeln.

"Om du tänker på en pingisboll, det är helt ointressant, "Sa Kamien." Men då tänker du på en golfboll, som är liknande i storlek, men det finns gropar på den. Så grejen med Lisas arbete är att genom att styra de mönster som du ser optiskt, det strukturerar fysiskt ytan, vilket gör att du kan fästa saker på det på vissa platser. "

Pappret, publicerad i Fysisk granskning X , leddes av Tran och Kamien i samarbete med Kathleen Stebe, The Richer &Elizabeth Goodwin Professor, och professor Daeyeon Lee, vid Institutionen för kemisk och biomolekylär teknik vid Tekniska högskolan. De samarbetade också med gruppen Teresa López-León från École Supérieure de Physique et de Chimie Industrielles de la Ville de Paris.

Forskningen är en nyckelkomponent i en av de tvärvetenskapliga forskargrupperna för Penns senaste bidrag på 22,6 miljoner dollar för NSF Materials Research Science and Engineering Center. Gruppen arbetar med att göra sammansättningar av nanokristaller på hårda mallar och i mjuka material som lovar för applikationer inom avkänning, energiomvandling och optisk signalbehandling.

Trans experiment inspirerades av tidigare forskning gjord av Maxim Lavrentovich, en Penn -postdoktor vid den tiden som nu är biträdande professor vid University of Tennessee, Knoxville. Arbetar med Kamien, Lavrentovich undersökte hur olika mönster på pollenkorn var specifika för olika växtarter, lik fjärilvingar.

Eftersom flytande kristaller också är kända för att bilda olika mönster, Tran undersökte vad som skulle hända om molekylerna var begränsade till en sfär och fick dem att bilda mönster. Hon hoppades få se hur de skulle packa och om de skulle matcha några av de mönster de hade sett för pollenkorn.

Även om forskarna till en början använde polariserande mikroskopi för att undersöka detta, de fann att de kunde se dropparna utan mikroskop genom att bara hålla lösningen mot ljuset. Eftersom flytande kristall svarar på vad som händer runt den, titta på de mönster som tvålmolekylerna inducerar på skalen kan användas som en biosensor.

"Om du kan få dem att ändra färg eller struktur bara för att det finns något gift i provröret med dem, "Kamien sa, "då kan du se det med dina ögon, och du behöver inte ens ett mikroskop. "

För att följa denna forskning, Tran är intresserad av att införliva nanopartiklar med olika egenskaper för att skapa nanotrådar, som kan användas som ett sätt att göra mer energieffektiva skördeanordningar som kan ställas in på ljuset i deras miljö.

"Om du hade nanopartiklar som var alla av metall, " Hon sa, "du kan få dem att följa längs linjen och, om du tvärlänkar dem, så att de är styva, och tvätta bort flytande kristall, sedan hamnar du med den här typen av mönstrad nanotråd som sedan kan användas för ytterligare applikationer. "

Enligt Kamien, en av de mest intressanta sakerna de lärde sig av denna forskning är att de inte behöver snygg utrustning för att se hur saker och ting organiserar sig på nanoskala.

"Idén, " han sa, "att vi kan manipulera saker som är så små med stora händer och titta på dem på stora längder är fantastiskt för mig. Genom att spruta in något i lösningen kan vi ändra hur mönstren ser ut. Vi drar inte bara slutsatser om vi kontrollerar dem. Vi får dem att dansa för oss. Det är sant att elektronik gör samma sak med elektroner, men du kan inte se elektronerna. Detta samspel mellan optik och struktur är spännande. "