Brookhaven Lab membres de l'équipe de recherche de la ligne de lumière IXS de la National Synchrotron Light Source II, de gauche à droite :Dima Bolmatov, Alessandro Cunsolo, Mikhaïl Zhernenkov, Ronald Pindak (assis), Alexeï Souvorov (assis), et Yong Cai. La piste circulaire accueille les câbles électriques et permet au bras abritant les détecteurs de se déplacer vers différents emplacements pour sélectionner l'angle de diffusion pour la mesure. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Des scientifiques du laboratoire national de Brookhaven du Département de l'énergie des États-Unis (DOE) ont développé une nouvelle façon de suivre les caractéristiques moléculaires dynamiques dans les matériaux mous, y compris les vibrations moléculaires à haute fréquence qui transmettent des ondes de chaleur, sonner, et d'autres formes d'énergie. Le contrôle de ces ondes vibratoires dans les matériaux mous tels que les polymères ou les composés à cristaux liquides pourrait conduire à une gamme d'innovations inspirées de l'énergie - des isolants thermiques et acoustiques, aux moyens de convertir la chaleur résiduelle en électricité, ou la lumière en mouvement mécanique.
Dans un article qui vient de paraître dans Lettres nano , les scientifiques décrivent l'utilisation de la nouvelle ligne de faisceaux de diffusion inélastique des rayons X (IXS) à la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), qui a une résolution énergétique sans précédent, pour surveiller la propagation des vibrations à travers un composé à cristaux liquides en trois phases différentes. Leurs résultats montrent que les changements structurels à l'échelle nanométrique qui se produisent avec l'augmentation de la température, à mesure que les cristaux liquides deviennent moins ordonnés, perturbent considérablement le flux des ondes vibratoires. Ainsi, en choisissant ou en changeant la "phase, " ou arrangement de molécules, pourrait contrôler les vibrations et le flux d'énergie.
"En ajustant la structure, on peut changer les propriétés dynamiques de ce matériau, " a déclaré la physicienne de Brookhaven Dima Bolmatov, l'auteur principal du journal.
La technique pourrait également être utilisée pour étudier les processus dynamiques dans d'autres systèmes mous tels que les membranes biologiques ou tout type de fluide complexe.
"Par exemple, nous pourrions examiner comment les molécules lipidiques d'une membrane cellulaire coopèrent les unes avec les autres pour créer de minuscules régions poreuses où des molécules encore plus petites, comme l'oxygène ou le dioxyde de carbone, peut passer - pour voir comment les échanges gazeux fonctionnent dans les branchies et les poumons, " a déclaré Bolmatov.
La capacité de suivre des propriétés dynamiques aussi rapides ne serait pas possible sans les capacités uniques de NSLS-II, une installation utilisateur du DOE Office of Science au Brookhaven Lab. NSLS-II produit des rayons X extrêmement brillants pour des études dans un large éventail de domaines scientifiques.
Sur la ligne de lumière IXS, les scientifiques bombardent les échantillons de ces rayons X et mesurent l'énergie qu'ils cèdent ou gagnent avec une précision de deux millièmes d'électron-volt, ainsi que l'angle auquel ils se dispersent sur l'échantillon, même à de très petits angles.
"L'échange d'énergie nous indique combien d'énergie il a fallu pour faire vibrer certaines molécules dans un mouvement ondulatoire. L'angle de diffusion sonde les vibrations se propageant sur différentes échelles de longueur à l'intérieur de l'échantillon, de près d'une seule molécule à des dizaines de nanomètres. Le nouveau La ligne de lumière IXS au NSLS-II peut résoudre ces échelles de longueur avec une précision sans précédent, " dit Yong Cai, le scientifique principal de la ligne de lumière IXS.
Le motif de diffusion coloré à gauche révèle des informations structurelles au niveau moléculaire sur la phase smectique en couches d'un matériau à cristaux liquides. Les arcs intérieurs indiquent que les molécules sont disposées en couches ordonnées avec un espacement régulier, tandis que les arcs extérieurs indiquent qu'il y a encore une mobilité de type liquide dans les couches. Le graphique (en haut, à droite) représente les mesures de diffusion inélastique des rayons X de cette phase smectique. Chaque pic (rose, Orange, violet) représente un mouvement vibratoire unique se déplaçant à travers le matériau, où les deux "bosses" qui composent chaque pic représentent l'énergie gagnée ou perdue par la vibration. Les vibrations violettes et oranges correspondent à la fréquence des ondes sonores tandis que la troisième, rose, la vibration est liée à l'inclinaison des molécules (en bas, droit). Le va-et-vient déphasé de ces molécules correspond à la fréquence de la lumière infrarouge (chaleur). Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
« Ces deux paramètres, l'angle de diffusion et l'énergie, n'ont jamais été aussi bien mesurés dans les matériaux tendres. Ainsi, les propriétés techniques de cette ligne de lumière nous permettent de localiser précisément les vibrations et de suivre leur propagation dans différentes directions sur différentes échelles de longueur, voire dans des matériaux dépourvus d'une structure solide bien ordonnée, " il ajouta.
Dans l'étude des cristaux liquides, les scientifiques du Brookhaven Lab et leurs collaborateurs de la Kent State University et de l'Université d'Albany ont effectué des mesures à trois températures différentes alors que le matériau passait d'un ordre, phase cristalline par des transitions vers un état "smectique" moins ordonné, et enfin un liquide "isotrope". Ils ont facilement détecté la propagation des ondes vibratoires à travers la phase la plus ordonnée, et a montré que l'émergence du désordre "tuait" la propagation des vibrations de "cisaillement acoustique" de basse énergie. Les vibrations acoustiques de cisaillement sont associées à une compression des molécules dans une direction perpendiculaire à la direction de propagation.
"Savoir où se trouve la frontière dynamique - entre le matériau se comportant comme un solide ordonné et un matériau mou désordonné - nous donne un moyen de contrôler la transmission de l'énergie à l'échelle nanométrique, " a déclaré Bolmatov.
Dans la phase "smectique", les scientifiques ont également observé une vibration qui était plutôt associée à l'inclinaison moléculaire. Ce type de vibration peut interagir avec la lumière et l'absorber car la fréquence térahertz des vibrations correspond à la fréquence de la lumière infrarouge ou des ondes de chaleur. Ainsi, changer les propriétés du matériau peut contrôler la façon dont ces formes d'énergie se déplacent à travers le matériau. Ces changements peuvent être obtenus en changeant la température du matériau, comme cela a été fait dans cette expérience, mais aussi en appliquant des champs électriques ou magnétiques externes, dit Bolmatov.
Cela ouvre la voie à de nouvelles applications dites phononiques ou optomécaniques, où le son ou la lumière est couplé aux vibrations mécaniques. Un tel couplage permet de contrôler un matériau en lui appliquant une lumière et un son extérieurs ou inversement.
« Nous connaissons tous les applications utilisant les propriétés optiques des cristaux liquides dans les écrans d'affichage, " Bolmatov a déclaré. "Nous avons trouvé de nouvelles propriétés qui peuvent être contrôlées ou manipulées pour de nouveaux types d'applications."
L'équipe poursuivra les études des matériaux souples à l'IXS, y compris les expériences prévues avec des copolymères séquencés, assemblages de nanoparticules, membranes lipidiques, et d'autres cristaux liquides au cours de l'été.
« La ligne de lumière IXS est également désormais ouverte aux utilisateurs externes, notamment aux scientifiques intéressés par ces matériaux et par d'autres matériaux souples et processus biologiques, " dit Caï.
