04.02.2020 - Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY

Auto-organización afinable de los cristales líquidos en los nanoporos

Camino innovador hacia nuevos materiales con propiedades eléctricas y ópticas adaptables

Un equipo de investigadores ha utilizado los rayos X de la fuente de luz de investigación de DESY, PETRA III, para explorar la asombrosa diversidad de la autoorganización de los cristales líquidos en poros de tamaño nanométrico. El estudio, dirigido por Patrick Huber de la Universidad Tecnológica de Hamburgo (TUHH), muestra cómo los cristales líquidos se organizan en poros de diferentes tamaños, exhibiendo diferentes propiedades eléctricas y ópticas. Estos podrían ser de interés para aplicaciones como sensores y nuevos metamateriales ópticos, como el grupo alrededor de la primera autora Kathrin Sentker de la TUHH informa en la revista Nanoscale. La investigación continuará en el marco del proyectado Centro de Sistemas de Materiales de Escala Múltiple (CIMMS), en el que participan la TUHH, la Universidad de Hamburgo, el Helmholtz-Zentrum Geesthacht y el DESY, y para el que la Autoridad Científica de Hamburgo acaba de aprobar una financiación de aproximadamente cuatro millones de euros.

Los investigadores habían estudiado un material especial de cristal líquido llamado HAT6 (2,3,6,7,10,11-hexakis(hexiloxi)trifenileno; C54H84O6), cuyas moléculas individuales tienen forma de disco. Por debajo de unos 70 grados centígrados, se disponen en un cristal líquido; calentándose a unos 100 grados, se puede romper el orden. Los científicos llenaron este material en poros en un sustrato de óxido de aluminio y lo enfriaron. Los poros cilíndricos tenían de 17 a 160 nanómetros (millonésimas de milímetro) de diámetro, 0,1 milímetros de largo y estaban situados en una red hexagonal regular.

En PETRA III de DESY, en la Instalación Europea de Radiación Sincrotrónica ESRF en Grenoble (Francia) y en la Fuente Nacional de Luz Sincrotrónica (NSLS II) en Long Island (EE.UU.), el equipo observó cómo se comporta el material de cristal líquido en los nanoporos. La geometría y las propiedades químicas de los poros obligan a las moléculas del disco de cristal líquido a organizarse de diferentes maneras. "El tamaño del poro y un recubrimiento opcional de la pared del poro controlan cómo se auto-organizan los cristales líquidos cuando se enfrían", informa la coautora Milena Lippmann de DESY. "Esto puede resultar en anillos de tamaño nanométrico o columnas rectas, por ejemplo."

Cuanto más lentamente baje la temperatura, mejor se forma el orden respectivo. Con un revestimiento hidrófilo o hidrofóbico (que atrae o repele el agua) de la pared del poro, se puede controlar si las moléculas en forma de disco se adhieren a la pared del poro con el lado plano o con sus bordes. "Los diferentes órdenes colectivos de los cristales líquidos tienen diferentes propiedades eléctricas y ópticas", explica Huber. Por ejemplo, la disposición axial de las moléculas es eléctricamente conductora, lo que se pierde cuando el orden se destruye durante el calentamiento. "Esto podría utilizarse para construir nanoalambres conmutables y unidimensionales, por ejemplo", añade el coautor Andreas Schönhals del Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, que está interesado en las propiedades dieléctricas de estos sistemas.

Los diferentes órdenes también polarizan la luz de manera diferente. "Dado que cada poro es más pequeño que la longitud de onda de la luz visible, el conjunto de nanoporos puede controlar el estado de polarización de la luz transmitida o reflejada, y esto puede modificarse aún más controlando el orden de los cristales líquidos a nivel de los poros individuales - esto abre posibilidades mucho más allá de lo que se puede lograr con los ingredientes, cristal líquido y óxido de aluminio, por sí solos", enfatiza Huber. "Estos metamateriales hechos a medida y adaptables son la base de la óptica transformadora de rápido desarrollo. Aquí, los caminos de la luz pueden realizarse en materiales que no son posibles con los materiales clásicos. Ejemplos son lentes ópticas extremadamente delgadas con un alto poder de refracción, que tal vez podrían complacer a cualquier usuario de gafas en el futuro, o revestimientos que hacen que los objetos sean invisibles".

Estos híbridos de cristal líquido y sólido también son adecuados para varios tipos de sensores, por ejemplo, sensores de temperatura. "El HAT6 es sólo uno de los muchos tipos de cristales líquidos cuya autoorganización puede utilizarse en medios nanoporosos para materiales con propiedades a medida", subraya Marco Mazza, del Instituto Max Planck de Dinámica y Autoorganización de Göttingen y la Universidad de Loughborough, que dirigió el estudio de simulación informática sobre la autoorganización de los cristales líquidos. Diferentes geometrías y por lo tanto diferentes propiedades son posibles con otros tipos de cristales líquidos.

Desde la perspectiva de la ciencia de los materiales, el estudio también muestra cómo se puede salvar la brecha entre la llamada auto-organización de abajo hacia arriba y de arriba hacia abajo para diseñar sistemas de materiales macroscópicos y mecánicamente estables. De abajo hacia arriba significa que las estructuras se forman a partir de unidades más pequeñas. De arriba a abajo significa que las estructuras más pequeñas se crean en unidades grandes.

En el presente caso, los poros se produjeron mediante un proceso de grabado en el que se forman nanocilindros regulares en un sustrato macroscópico, una autoorganización de arriba a abajo. Estos poros se llenaron con el material de cristal líquido, en el que las moléculas individuales forman estructuras por auto-organización de abajo hacia arriba. "El óxido de aluminio nanoestructurado forma así un marco mecánicamente robusto para las estructuras líquidas más bien blandas y frágiles, lo que da lugar a un material híbrido autoorganizado que es mecánicamente estable y que también puede utilizarse en componentes macroscópicos", subraya el autor principal Sentker. "La falta de estabilidad mecánica sigue siendo un obstáculo importante para el uso tecnológico de muchos otros nanomateriales funcionales".

Este estudio se llevó a cabo en el marco del Centro de Investigación en Colaboración SFB 986 Tailored Multiscale Material Systems M3, financiado por la Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG). En el estudio participaron la Universidad Tecnológica de Hamburgo, el Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, el Instituto Max Planck de Dinámica y Autoorganización, el Helmholtz-Zentrum de Berlín, la Universidad Tecnológica de Czestochowa en Polonia, el Centro Interdisciplinario de Modelización Matemática de la Universidad de Loughborough en Gran Bretaña y DESY.

Los estudios continuarán en el nuevo Centro de Sistemas de Materiales de Escala Múltiple (CIMMS) en el campus de investigación de Hamburgo-Bahrenfeld. Este centro, que acaba de ser aprobado por la Autoridad Científica de Hamburgo en el marco de la línea de financiación HamburgX, tiene por objeto desarrollar los fundamentos para la producción de sistemas materiales tridimensionales, multiescala, multifuncionales e híbridos basados en estructuras a nanoescala. "Estos sistemas de materiales difieren fundamentalmente de los materiales existentes en que están bioinspirados por las estructuras jerárquicas de los materiales biológicos naturales, utilizando este concepto para materiales base tecnológicamente novedosos y permitiendo una gestión de materiales más sostenible al reducir la diversidad química", añade Gerold Schneider de la TUHH, portavoz de la nueva red de investigación en la que participan también la Universidad de Hamburgo, el Centro Helmholtz Geesthacht y DESY.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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