Forskare vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Brookhaven National Laboratory har utvecklat ett nytt sätt att spåra dynamiska molekylära egenskaper i mjuka material, inklusive de högfrekventa molekylära vibrationerna som överför värmevågor, ljud, och andra energiformer. Att kontrollera dessa vibrationsvågor i mjuka material som polymerer eller flytande kristallföreningar kan leda till en rad energiinspirerade innovationer – från termiska och akustiska isolatorer, till sätt att omvandla spillvärme till el, eller ljus i mekanisk rörelse.

I en tidning som just publicerats i Nanobokstäver , forskarna beskriver att använda den nykonstruerade oelastiska röntgenspridningen (IXS) strållinjen vid National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), som har oöverträffad energiupplösning, att övervaka utbredningen av vibrationer genom en flytande kristallförening i tre olika faser. Deras resultat visar att de strukturella förändringarna i nanoskala som inträffar med ökande temperatur - när de flytande kristallerna blir mindre ordnade - dramatiskt stör flödet av vibrationsvågor. Alltså välja eller ändra "fas, "eller arrangemang av molekyler, kunde kontrollera vibrationerna och energiflödet.

"Genom att justera strukturen, vi kan ändra de dynamiska egenskaperna hos detta material, " sa Brookhaven-fysikern Dima Bolmatov, tidningens huvudförfattare.

Tekniken kan också användas för att studera dynamiska processer i andra mjuka system såsom biologiska membran eller någon form av komplex vätska.

"Till exempel, vi skulle kunna titta på hur lipidmolekylerna i ett cellmembran samarbetar med varandra för att skapa små porösa områden där ännu mindre molekyler, som syre eller koldioxid, kan passera - för att se hur gasutbytet fungerar i gälar och lungor, sa Bolmatov.

Möjligheten att spåra sådana snabba dynamiska egenskaper skulle inte vara möjlig utan de unika funktionerna hos NSLS-II – en DOE Office of Science User Facility vid Brookhaven Lab. NSLS-II producerar extremt ljusa röntgenstrålar för studier inom ett brett spektrum av vetenskapliga områden.

Vid IXS strållinjen, forskare bombarderar prover med dessa röntgenstrålar och mäter energin de avger eller får med en precision inom två tusendelar av en elektronvolt, samt vinkeln med vilken de sprider sig från provet — även vid mycket små vinklar.

"Energiutbytet talar om för oss hur mycket energi det tog att få vissa molekyler att vibrera i en vågliknande rörelse. Spridningsvinkeln sonderar vibrationerna som utbreder sig över olika längdskalor inuti provet - från nästan en enda molekyl till tiotals nanometer. Den nya IXS strållinje vid NSLS-II kan lösa dessa längdskalor med oöverträffad precision, sa Yong Cai, den ledande forskaren för IXS-strållinjen.

"Dessa två parametrar - spridningsvinkeln och energin - har aldrig tidigare mätts så väl i mjuka material. Så de tekniska egenskaperna hos denna strållinje gör det möjligt för oss att exakt lokalisera vibrationerna och spåra deras utbredning i olika riktningar över olika längdskalor - även i material som saknar en välordnad solid struktur, " han lade till.

I flytande kristallstudien, Brookhaven Lab-forskarna och deras medarbetare vid Kent State University och University i Albany gjorde mätningar vid tre olika temperaturer när materialet gick från en beställd, kristallin fas genom övergångar till ett mindre ordnat "smektiskt" tillstånd, och slutligen en "isotropisk" vätska. De upptäckte lätt utbredningen av vibrationsvågor genom den mest ordnade fasen, och visade att uppkomsten av störningar "dödade" spridningen av lågenergivibrationer av "akustisk skjuvning". Akustiska skjuvvibrationer är förknippade med en kompression av molekylerna i en riktning vinkelrät mot utbredningsriktningen.

"Att veta var den dynamiska gränsen går - mellan materialet som beter sig som ett ordnat fast material och ett oordnat mjukt material - ger oss ett sätt att kontrollera överföringen av energi på nanoskala, sa Bolmatov.

I den "smetiska" fasen, forskarna observerade också en vibration som istället förknippades med molekylär lutning. Denna typ av vibrationer kan interagera med ljus och absorbera det eftersom terahertz-frekvensen för vibrationerna matchar frekvensen av infrarött ljus eller värmeböljor. Så att ändra materialegenskaperna kan styra hur dessa energiformer rör sig genom materialet. Dessa förändringar kan uppnås genom att ändra temperaturen på materialet, som gjordes i detta experiment, men också genom att applicera externa elektriska eller magnetiska fält, sa Bolmatov.

Detta banar väg för nya så kallade fononiska eller optomekaniska tillämpningar, där ljud eller ljus är kopplat till de mekaniska vibrationerna. En sådan koppling gör det möjligt att styra ett material genom att applicera externt ljus och ljud eller vice versa.

"Vi är alla bekanta med applikationer som använder de optiska egenskaperna hos flytande kristaller på bildskärmar, " sa Bolmatov. "Vi har hittat nya egenskaper som kan kontrolleras eller manipuleras för nya typer av tillämpningar."

Teamet kommer att fortsätta studier av mjuka material på IXS, inklusive planerade experiment med blocksampolymerer, nanopartikelsammansättningar, lipidmembran, och andra flytande kristaller över sommaren.

"IXS-strållinjen är nu också öppen för externa användare - inklusive forskare som är intresserade av dessa och andra mjuka material och biologiska processer, " sa Cai.