A la source de rayons X PETRA III de DESY, les scientifiques ont étudié une forme intrigante d'auto-assemblage dans les cristaux liquides :lorsque les cristaux liquides sont remplis dans des nanopores cylindriques et chauffés, leurs molécules forment des anneaux ordonnés lorsqu'elles refroidissent, une condition qui autrement ne se produit pas naturellement dans le matériau. Ce comportement permet aux nanomatériaux aux nouvelles propriétés optiques et électriques, comme le rapporte l'équipe dirigée par Patrick Huber de l'Université de technologie de Hambourg (TUHH) dans la revue Lettres d'examen physique .

Les scientifiques ont étudié une forme spéciale de cristaux liquides composés de molécules en forme de disque appelées cristaux liquides discotiques. Dans ces matériaux, les molécules du disque peuvent se former haut, piliers électriquement conducteurs par eux-mêmes, s'empiler comme des pièces de monnaie. Les chercheurs ont rempli des cristaux liquides discotiques dans des nanopores dans un verre de silicate. Les pores cylindriques avaient un diamètre de seulement 17 nanomètres (millionièmes de millimètre) et une profondeur de 0,36 millimètre.

Là, les cristaux liquides ont été chauffés à environ 100 degrés Celsius et refroidis lentement. Les molécules du disque initialement désorganisées formaient des anneaux concentriques disposés comme des colonnes rondes incurvées. En partant du bord du pore, un anneau après l'autre s'est progressivement formé avec une température décroissante jusqu'à ce qu'à environ 70 degrés Celsius, toute la section transversale du pore soit remplie d'anneaux concentriques. Au réchauffage, les anneaux ont progressivement disparu à nouveau.

"Ce changement de structure moléculaire dans les cristaux liquides confinés peut être suivi avec des méthodes de diffraction des rayons X en fonction de la température et avec une grande précision, " déclare Milena Lippmann, co-auteur et scientifique de DESY, qui ont préparé et participé aux expériences de la ligne de diffraction à haute résolution P08 à PETRA III. « La combinaison de la symétrie et du confinement donne lieu à des imprévus, nouvelles transitions de phase, " explique Marco Mazza de l'Institut Max Planck pour la dynamique et l'auto-organisation à Göttingen où le processus a été modélisé avec des simulations informatiques. À cette fin, Le scientifique du MPI, Arne Zantop, a conçu un modèle théorique et numérique pour les cristaux liquides nanoconfinés qui a confirmé les résultats expérimentaux et aide à les interpréter.

Les anneaux individuels se sont formés par étapes à des températures caractéristiques. « Cela permet d'activer et de désactiver des nano-anneaux individuels par de petits changements de température, " souligne l'auteur principal Kathrin Sentker de TUHH. Elle avait remarqué ce phénomène grâce à des changements de signal étonnamment graduels dans des expériences d'optique laser. Bien que de tels changements quantifiés ne se produisent généralement qu'à très basse température, le système à cristaux liquides montre ce comportement quantique déjà bien au-dessus de la température ambiante.

Comme les propriétés opto-électriques des cristaux liquides discotiques changent avec la formation de colonnes moléculaires, la variante confinée dans les nanopores est un candidat prometteur pour la conception de nouveaux métamatériaux optiques dont les propriétés peuvent être contrôlées progressivement par la température. Les nanostructures étudiées pourraient également conduire à de nouvelles applications dans les semi-conducteurs organiques, tels que les nanofils à température commutable, explique le co-auteur Andreas Schönhals du Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), l'Institut fédéral allemand de recherche et d'essai des matériaux, qui s'intéresse aux propriétés thermiques et électriques de ces systèmes.

"Le phénomène constitue un bel exemple de la façon dont la matière molle polyvalente peut s'adapter à des contraintes spatiales extrêmes et comment cela peut conduire à de nouvelles connaissances en physique ainsi qu'à de nouveaux principes de conception et de contrôle pour l'auto-organisation des nanomatériaux fonctionnels, " explique le chercheur principal Huber.