Теперь команда Penn добавила еще один инструмент в свой инструментарий направленной сборки, разработав новый тип шаблона для переупорядочивания частиц и новый набор шаблонов, которые можно формировать с их помощью.
Команда состоит из Кэтлин Стебе, заместителя декана Школы инженерии и прикладных наук по исследованиям и профессора химической и биомолекулярной инженерии; Рэндалл Камиен, профессор факультета физики и астрономии Школы искусств и наук; и Шу Ян, профессор инженерных факультетов материаловедения и инженерии, а также химической и биомолекулярной инженерии.
Члены их лабораторий также внесли свой вклад в новое исследование, в том числе ведущий автор Марчелло Кавалларо-младший., Мохамед Гарби, Даниэль Беллер, Саймон Копар, Чжэн Ши и Тобиас Баумгарт.
Их работа была опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Кристаллы — это материалы, молекулы которых выстроены в регулярные трехмерные структуры; жидкие кристаллы содержат некоторые, но не все эти узоры, и их молекулы могут обтекать друг друга и менять направление, в котором они обращены. Такое поведение допускает наличие дефектов на поверхности, где нарушается молекулярная ориентация жидких кристаллов.
Несмотря на свое название, такие дефекты весьма желательны. Если расположение дефектов можно контролировать, можно использовать изменение рисунка или ориентации. Например, в жидкокристаллическом дисплее ориентация кристаллов в разных областях определяет, какие части экрана освещаются.
В более раннем исследовании команда использовала шаблон, состоящий из микроскопических столбиков, чтобы расположить дефекты на поверхности смектических жидких кристаллов, класса материалов, образующих слои.
Положение, форма и симметрия стоек позволили исследователям манипулировать нижним слоем этих жидких кристаллов, что, в свою очередь, создавало дефекты на верхнем слое, которые были на несколько порядков меньше, чем исходный шаблон.
В своем новом исследовании исследователи используют нематические жидкие кристаллы, которые имеют менее дальний порядок в своих структурах, но такие же, как и в жидкокристаллических дисплеях.
"Эти нематические структуры очень реконфигурируемы. Это основа того, почему они хороши для дисплеев ", — сказал Стебе. «Все знали, что материалы можно перемещать и позиционировать с помощью электрических и магнитных полей, но мы делаем это с помощью полей упругой энергии и показываем, что эту технологию можно использовать при сборке материалов."
Как и в своих предыдущих экспериментах, команда начала с шаблона, состоящего из микроскопических столбиков, которые затем были покрыты жидким кристаллом. Однако в этом эксперименте вместо дефектов, образующихся только на поверхности жидкого кристалла, дефект в форме кольца окружал каждый из штырей в их средних точках. Это кольцо затем действует как еще один шаблон, направляя расположение узоров на поверхности жидкого кристалла на расстоянии более 50 микрон.
«С смектическими жидкими кристаллами, — сказал Камиен, — образцы дефектов, которые мы могли создать, были тесно связаны с углами столбов.
С помощью нематических жидких кристаллов мы можем сформировать эти кольца, что является новым способом сказать, что и куда направить."
«И мы показываем, — сказал Ян, — что независимо от того, используем ли мы смектические или нематические кристаллы, мы можем использовать шаблон, который направляет эти массивы поверхностных дефектов, которые затем могут содержать такие вещи, как коллоиды, наночастицы или квантовые точки."
Возможность контролировать расстояние и расположение этих вторичных материалов может позволить изготавливать новые типы антенн, датчиков или дисплеев.
Последнее исследование команды предоставляет новый набор форм и шаблонов для работы в подходе направленной сборки для создания таких устройств.
«Мы создаем набор различных структур, которые мы можем сделать, используя различные ограничения этих материалов», — сказал Стебе. «После того, как мы заполним наш инструментарий, станет более очевидным, как мы можем заставить эти структуры танцевать — как мы можем заставить их перестраиваться, как мы хотим — придет следующая волна приложений."
Исследование было поддержано Национальным научным фондом через Научно-технический центр Пенна, Лабораторию исследований структуры материи, а также Благотворительный фонд Марка Ховарда Шапиро и Аниты Рэй Шапиро, Институт теоретической физики Кавли и Фонд Саймонса.