Lorsque Lisa Tran a entrepris d'étudier les motifs dans les cristaux liquides, elle ne savait pas à quoi s'attendre. Quand elle a regardé pour la première fois au microscope, elle a vu des sphères irisées dansantes avec des motifs ressemblant à des empreintes digitales gravés à l'intérieur qui s'enroulaient et s'aplatissaient à mesure que la solution dans laquelle elles flottaient changeait.

La vue était si belle que Tran, un étudiant diplômé du Département de physique et d'astronomie de la School of Arts and Sciences de l'Université de Pennsylvanie, en a soumis une vidéo au concours Nikon Small World et a fini par remporter la cinquième place. Mais l'importance des résultats va bien au-delà de leur attrait esthétique, avec des applications possibles dans la biodétection et la récupération d'énergie.

Cristaux liquides, fluides avec des phases alignées de molécules constitutives, sont utilisés dans tout, des écrans d'ordinateur et de télévision aux bagues d'humeur. Étant donné que les cristaux liquides sont constitués de molécules en forme de bâtonnets, ils ont des propriétés optiques particulières, tels que le changement de couleur lorsqu'ils interagissent avec les signaux électriques ou la lumière.

Pour cette recherche, Tran a confiné les cristaux liquides dans des gouttelettes, créer des coquillages flottant dans l'eau. Tran et son conseiller, Randall Kamien, le professeur Vicki et William Abrams en sciences naturelles à Penn, décrit les gouttelettes comme des « bulles de fantaisie ». Pour créer des motifs, Tran a ensuite ajouté des tensioactifs, ou molécules savonneuses, à l'eau.

"La façon dont le savon fonctionne habituellement, " Tran dit, "c'est que vous le mélangez avec de l'eau et qu'il forme de petites gouttelettes avec l'huile pour l'enlever de vos mains ou de votre assiette."

Parce que les cristaux liquides sont similaires à l'huile, les tensioactifs ont été attirés par les coques de cristaux liquides, obligeant les molécules à s'ordonner de différentes manières et à créer des motifs saisissants. Plus elle ajoutait de savon à la solution, plus les motifs changent. L'ajout d'eau a provoqué l'inversion des motifs.

Être capable de contrôler les motifs qui se forment sur les cristaux liquides pourrait être utile pour créer des colloïdes inégaux, des particules microscopiques en suspension dans l'eau qui sont fonctionnalisées, ce qui signifie que l'on peut attacher des molécules à des endroits spécifiques sur la particule.

"Si vous pensez à une balle de ping-pong, c'est complètement inintéressant, " dit Kamien. " Mais alors vous pensez à une balle de golf, qui est de taille similaire, mais il y a des fossettes dessus. Le truc avec le travail de Lisa, c'est qu'en contrôlant les motifs que vous voyez optiquement, il texture physiquement la surface, ce qui vous permet d'y attacher des choses à des endroits particuliers."

Le papier, Publié dans Examen physique X , a été dirigé par Tran et Kamien en collaboration avec Kathleen Stebe, le professeur Richer &Elizabeth Goodwin, et le professeur Daeyeon Lee, au Département de génie chimique et biomoléculaire de la Faculté d'ingénierie et des sciences appliquées. Ils ont également collaboré avec le groupe de Teresa López-León de l'École Supérieure de Physique et de Chimie Industrielles de la Ville de Paris.

La recherche est un élément clé de l'un des groupes de recherche interdisciplinaires de la récente subvention de 22,6 millions de dollars du NSF Materials Research Science and Engineering Center de Penn. Le groupe travaille à réaliser des assemblages de nanocristaux sur des gabarits durs et au sein de matériaux mous qui sont prometteurs pour des applications en détection, conversion d'énergie et traitement du signal optique.

L'expérience de Tran a été inspirée par des recherches antérieures effectuées par Maxim Lavrentovich, un boursier postdoctoral Penn à l'époque qui est maintenant professeur adjoint à l'Université du Tennessee, Knoxville. Travailler avec Kamien, Lavrentovich a étudié comment différents modèles sur les grains de pollen étaient spécifiques à différentes espèces de plantes, semblable aux ailes de papillon.

Étant donné que les cristaux liquides sont également connus pour former différents motifs, Tran a étudié ce qui se passerait si les molécules étaient confinées dans une sphère et forcées à former des motifs. Elle espérait voir comment ils emballeraient et s'ils correspondraient à certains des modèles qu'ils avaient vus pour les grains de pollen.

Bien qu'initialement les chercheurs aient utilisé la microscopie polarisante pour étudier cela, ils ont découvert qu'ils pouvaient voir les gouttelettes sans microscope en maintenant simplement la solution à la lumière. Puisque le cristal liquide réagit à ce qui se passe autour de lui, l'examen des motifs que les molécules de savon induisent sur les coquilles peut être utilisé comme biocapteur.

"Si vous pouvez les faire changer de couleur ou de texture simplement parce qu'il y a du poison dans le tube à essai avec eux, " Kamien a dit, " alors vous pouvez le voir avec vos yeux, et vous n'avez même pas besoin d'un microscope."

Pour faire suite à cette recherche, Tran s'intéresse à l'incorporation de nanoparticules avec différentes propriétés pour créer des nanofils, qui pourrait être utilisé comme un moyen de fabriquer des appareils de récolte plus économes en énergie qui peuvent être réglés sur la lumière de leur environnement.

« Si vous aviez des nanoparticules entièrement métalliques, " elle a dit, « vous pourriez les faire suivre le long de la ligne et, si vous les croisez, de telle sorte qu'ils soient rigides, et laver les cristaux liquides, alors vous vous retrouvez avec ce type de nanofil à motifs qui pourrait ensuite être utilisé pour d'autres applications."

Selon Kamien, l'une des choses les plus intéressantes qu'ils ont apprises de cette recherche est qu'ils n'ont pas besoin d'équipement sophistiqué pour voir comment les choses s'organisent à l'échelle nanométrique.

"L'idée, " il a dit, « que nous puissions manipuler des choses si petites avec de grandes mains et les regarder sur de grandes échelles est incroyable pour moi. En injectant quelque chose dans la solution, nous pouvons changer l'apparence des motifs. Nous ne faisons pas que déduire des choses sur eux; on les contrôle. On les fait danser pour nous. C'est vrai que l'électronique fait la même chose avec les électrons, mais vous ne pouvez pas voir les électrons. Cette interaction entre l'optique et la structure est passionnante."