Vid DESYs röntgenkälla PETRA III, forskare har undersökt en spännande form av självmontering i flytande kristaller:När de flytande kristallerna fylls i cylindriska nanoporer och värms upp, deras molekyler bildar ordnade ringar när de svalnar - ett tillstånd som annars inte förekommer naturligt i materialet. Detta beteende möjliggör nanomaterial med nya optiska och elektriska egenskaper, som teamet som leds av Patrick Huber från Hamburg University of Technology (TUHH) rapporterar i tidningen Fysiska granskningsbrev .

Forskarna studerade en speciell form av flytande kristaller som består av skivformade molekyler som kallas diskotiska flytande kristaller. I dessa material, skivmolekylerna kan bildas höga, elektriskt ledande pelare själva, staplar som mynt. Forskarna fyllde diskotiska flytande kristaller i nanoporer i ett silikatglas. De cylindriska porerna hade en diameter på endast 17 nanometer (miljondelar av en millimeter) och ett djup av 0,36 millimeter.

Där, de flytande kristallerna värmdes till cirka 100 grader Celsius och kyldes långsamt. De ursprungligen oorganiserade skivmolekylerna bildade koncentriska ringar arrangerade som runda krökta kolonner. Börjar från kanten av poren, den ena ringen efter den andra bildades gradvis med sjunkande temperatur tills vid cirka 70 grader Celsius hela porns tvärsnitt fylldes med koncentriska ringar. Vid uppvärmning, ringarna försvann gradvis igen.

"Denna förändring av molekylstrukturen i begränsade flytande kristaller kan övervakas med röntgendiffraktionsmetoder som en funktion av temperatur och med hög noggrannhet, "säger medförfattaren och DESY-forskaren Milena Lippmann, som förberedde och deltog i experimenten vid High-Resolution Diffraction Beamline P08 vid PETRA III. "Kombinationen av symmetri och inneslutning ger upphov till oväntade, nya fasövergångar, "säger Marco Mazza från Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization i Göttingen där processen modellerades med datorsimuleringar. För detta ändamål, MPI -forskaren Arne Zantop utarbetade en teoretisk och numerisk modell för de nanokonfinerade flytande kristallerna som bekräftade de experimentella resultaten och hjälper till att tolka dem.

De enskilda ringarna bildades stegvis vid karakteristiska temperaturer. "Detta gör det möjligt att slå på och av enskilda nanoringar genom små temperaturförändringar, "framhåller huvudförfattaren Kathrin Sentker från TUHH. Hon hade märkt detta fenomen genom överraskande stegliknande signalförändringar i laseroptiska experiment. Även om sådana kvantiserade förändringar vanligtvis bara sker vid mycket låga temperaturer, flytande kristallsystemet visar detta kvantbeteende redan långt över rumstemperatur.

När de opto-elektriska egenskaperna hos diskotiska flytande kristaller förändras med bildandet av molekylära kolonner, den nanopore-begränsade varianten är en lovande kandidat för design av nya optiska metamaterial med egenskaper som kan styras stegvis genom temperatur. De undersökta nanostrukturerna kan också leda till nya tillämpningar inom organiska halvledare, såsom temperaturomställbara nanotrådar, förklarar medförfattare Andreas Schönhals från Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), det tyska federala institutet för materialforskning och testning, som är intresserade av de termiska och elektriska egenskaperna hos dessa system.

"Fenomenet utgör ett bra exempel på hur mångsidig mjuk materia kan anpassa sig till extrema rumsliga begränsningar och hur detta kan leda till nya insikter i fysik samt nya design- och kontrollprinciper för självorganisation av funktionella nanomaterial, "förklarar huvudutredaren Huber.