Framtidens robotar och kameror skulle kunna göras av flytande kristaller, tack vare en ny upptäckt som avsevärt utökar potentialen för de kemikalier som redan är vanliga i datorskärmar och digitala klockor.
Fynden, ett enkelt och billigt sätt att manipulera de molekylära egenskaperna hos flytande kristaller med ljusexponering, publiceras nu i Advanced Materials .
"Med vår metod kan vilket labb som helst med ett mikroskop och en uppsättning linser ordna flytande kristallinriktningen i vilket mönster de vill", säger författaren Alvin Modin, doktorandforskare som studerar fysik vid Johns Hopkins. "Industrila laboratorier och tillverkare skulle förmodligen kunna använda metoden på en dag."
Flytande kristallmolekyler flyter som en vätska, men de har en gemensam orientering som i fasta ämnen, och denna orientering kan ändras som svar på stimuli. De är användbara i LCD-skärmar, biomedicinska bildinstrument och andra enheter som kräver exakt kontroll av ljus och subtila rörelser. Men att kontrollera deras anpassning i tre dimensioner kräver kostsamma och komplicerade tekniker, sa Modin.
Teamet, som inkluderar Johns Hopkins fysikprofessor Robert Leheny och biträdande forskningsprofessor Francesca Serra, upptäckte att de kunde manipulera den tredimensionella orienteringen av flytande kristaller genom att kontrollera ljusexponeringar av ett ljuskänsligt material som avsatts på glas.
De lyste polariserat och opolariserat ljus mot de flytande kristallerna genom ett mikroskop. I polariserat ljus oscillerar ljusvågor i specifika riktningar snarare än slumpmässigt i alla riktningar, som de skulle göra i opolariserat ljus. Teamet använde metoden för att skapa en mikroskopisk lins av flytande kristaller som kan fokusera ljus beroende på polariseringen av ljus som skiner genom den.
Först strålade laget polariserat ljus för att rikta in flytande kristaller på en yta. Sedan använde de vanligt ljus för att omorientera de flytande kristallerna uppåt från det planet. Detta gjorde det möjligt för dem att kontrollera orienteringen av två typer av vanliga flytande kristaller och skapa mönster med särdrag i storleken några mikrometer, en bråkdel av tjockleken på ett människohår.
Fynden kan leda till skapandet av programmerbara verktyg som ändrar form som svar på stimuli, som de som behövs i mjuka, gummiliknande robotar för att hantera komplexa objekt och miljöer eller kameralinser som automatiskt fokuserar beroende på ljusförhållanden, säger Serra, som också är en medarbetare. professor vid Syddansk Universitet.
"Om jag ville göra en godtycklig tredimensionell form, som en arm eller en gripare, skulle jag behöva rikta in de flytande kristallerna så att när det utsätts för en stimulans, omstruktureras detta material spontant till dessa former," sa Serra. "Den saknade informationen hittills var hur man kontrollerar denna tredimensionella axel för inriktningen av flytande kristaller, men nu har vi ett sätt att göra det möjligt."
Forskarna arbetar för att få patent på sin upptäckt och planerar att ytterligare testa den med olika typer av flytande kristallmolekyler och stelnade polymerer gjorda av dessa molekyler.
"Vissa typer av strukturer kunde inte prövas tidigare eftersom vi inte hade rätt kontroll över den tredimensionella inriktningen av flytande kristaller," sa Serra. "Men nu gör vi det, så det är bara begränsat av ens fantasi att hitta en smart struktur att bygga med den här metoden, med hjälp av en tredimensionell varierande inriktning av flytande kristaller."
Mer information: Alvin Modin et al, Spatial Photo-Patterning of Nematic Liquid Crystal Pretilt och dess tillämpning vid tillverkning av platta gradient-indexlinser, Avancerade material (2024). DOI:10.1002/adma.202310083
Journalinformation: Avancerat material
Tillhandahålls av Johns Hopkins University
