Att leva ett dubbelliv som både fasta ämnen och vätskor, flytande kristaller upptar centrum för att skapa mindre, snabbare och effektivare teknik. Även på nivån av enskilda partiklar, flytande kristaller kan böja ljus och reagera på yttre krafter, som elektriska fält eller fysiska knuffar och drag. Och så, en liten mängd flytande kristaller är vanligtvis tillräckligt för att uppnå hög prestanda i många applikationer, allt från bildskärmar till solpaneler.

Men för att fullt ut kunna utnyttja en flytande kristalls underbara egenskaper, dess ingående partiklar måste sättas samman systematiskt.

I en ny studie, Forskare från Texas A&M University har upptäckt att en liten skillnad i temperatur på en urvattnad blandning av en förening som kallas zirkoniumfosfat initierar dess flytande kristallisation. När zirkoniumfosfatpartiklar rör sig mot varmare temperaturer, de börjar anpassa sig efter varandra och förvandlas så småningom till rena flytande kristaller, sa forskarna.

"Vår är den första proof-of-concept-studien som visar att temperaturgradient är en effektiv, ändå enkelt, verktyg för att montera högkvalitativa flytande kristaller, " sa Dr Zhengdong Cheng, professor vid Artie McFerrin-avdelningen för kemiteknik. "Också, våra resultat indikerar att vi kan flytta flytande kristaller genom att bara variera temperaturen, en egenskap som potentiellt kan användas för att transportera flytande kristallpartiklar från en plats till en annan, på så sätt banar väg för tillämpningar utöver de som vanligtvis förknippas med flytande kristaller idag."

Forskarna rapporterade sina resultat i oktobernumret av tidskriften ACS Nano .

Flytande kristaller representerar ett tillstånd av materia som ligger någonstans mellan fasta ämnen och vätskor. Liksom molekyler i fasta ämnen som bildar kristaller, de i flytande kristaller är ordnade på ett semi-systematiskt sätt, som bilar på en delvis full parkeringsplats. Men flytande kristaller är också rinnande och kan anta vilken form som helst som vätskor. Vidare, i deras flytande kristall-avatar, material uppvisar ofta exotiska egenskaper. Till exempel, de delar upp ljusstrålar eller ändrar sina molekylära inriktningar som svar på elektriska fält.

Men huruvida ett material kan anta ett flytande kristalltillstånd eller inte beror på den övergripande formen av deras ingående partiklar. Ämnen som består av sfäriska partiklar bildar inte flytande kristaller. Å andra sidan, material som består av partiklar som är långsträckta som stavar eller platta som skivor bildar flytande kristaller. Cheng och hans team var särskilt intresserade av zirkoniumfosfat eftersom dess skivliknande partiklar har förmågan att självmontera till större, platta 2D-strukturer i deras flytande kristallina tillstånd.

"Många partiklar som finns i naturen, som röda blodkroppar, nukleosomer och lerpartiklar, är skivformade och under rätt omständigheter, de kan självmontera till flytande kristaller, " sa Cheng. "Så, vi använde zirkoniumfosfat som en proxy för att undersöka om det finns ett sätt att experimentellt kontrollera vätskekristallisationen av dessa partiklar."

Zirkoniumfosfat har visat sig bilda flytande kristaller på egen hand om tillräckligt stora mängder tillsätts vatten. Men de resulterande flytande kristallerna har ofta defekter och är instabila. Så, Cheng och hans team kom på ett alternativt tillvägagångssätt.

Cheng hade tidigare visat att en temperaturskillnad kunde få sfäriska partiklar att samlas till klumpar av kristaller. Med samma princip, hans team undersökte om varierande temperaturer kunde användas för att montera zirkoniumfosfat till flytande kristaller.

För sina experiment, Texas A&M-teamet gjorde en blandning av zirkoniumfosfat och vatten och fyllde den i tunna, två tum långa rör, se till att mängden zirkoniumfosfat var tillräckligt liten för att inte utlösa automatisk vätskekristallisation. Nästa, de applicerade värme på ett sådant sätt att temperaturskillnaden mellan båda ändar av röret var runt 10 grader.

Inom en timme, Cheng och hans team fann att zirkoniumfosfatpartiklarna i den kallare änden av röret började krypa mot den varmare änden, utlöser vätskekristallisation från rörets varmare ände.

"Precis som vatten i en kokande gryta cirkulerar från botten där det är varmt till toppen av behållaren där det är kallt, vattnet i våra rör cirkulerade också från varmare till kallare temperaturer, sa Dali Huang, doktorand vid Texas A&M College of Engineering och huvudförfattare till studien. "Följaktligen, zirkoniumfosfatpartiklarna rörde sig också i vattenflödets riktning och ordnade sig i flytande kristaller. "Forskarna spekulerade i att trycket från det strömmande vattnet hjälper zirkoniumfosfatpartiklar att positionera sig systematiskt tills de bildar flytande kristaller. Dessutom, de fann att de flytande kristallerna som skapades med temperaturgradienter var mindre defekta än de som bildades med andra metoder.

Cheng noterade att deras resultat öppnar nya dörrar för användning i en mängd olika sammanhang.

"På grund av sin form, skivformade partiklar har en större yta jämfört med deras volym, " sa Cheng. "Om vi ​​tänker på nästa generation av biomedicinska apparater, till exempel, vi kan potentiellt dra fördel av denna geometri för att ladda medicinska partiklar på deras plana ytor och sedan variera temperaturen för att transportera dem till en specifik del av kroppen."