Embora muitas conquistas científicas venham de longos anos de planejamento cuidadoso, de vez em quando, os pesquisadores se deparam com algo completamente inesperado. "No inicio, queríamos criar um efeito específico, "diz o estudante de graduação Wei-Shao Wei." Então, observamos algo estranho. "

Um novo estudo em Natureza detalha essa descoberta "estranha", mostrando como as gotículas contendo moléculas de cristal líquido em forma de cadeia se transformam em formas complexas quando a temperatura cai. Conduzido por Wei, estudante de graduação Sophie Ettinger, Ph.D. alum Yu Xia, Shu Yang, e Arjun Yodh, esta descoberta inesperada fornece um novo entendimento sobre como a polidispersidade molecular - uma condição em que os comprimentos das moléculas de cristal líquido variam amplamente - pode levar gotículas simples a se transformarem em formas incomuns.

Os cristais líquidos são compostos de moléculas semelhantes a barras ou discos chamadas mesogênios, e, como resultado do alinhamento desses mesogênios, exibem propriedades físicas notáveis ​​entre as de um sólido e de um líquido. Os cristais líquidos usados ​​neste estudo têm características semelhantes aos usados ​​em telas LCD, mas são feitos de oligômeros, polímeros de cadeia curta flexíveis compostos de blocos de construção moleculares em forma de bastão menores.

O objetivo inicial de Wei era usar este tipo de cristal líquido do laboratório de Yang para criar gotículas de Janus, que contêm dois tipos diferentes de materiais em lados opostos da gota - neste caso, a metade seria uma rede de borracha chamada elastômero de cristal líquido, feito por "travamento" de moléculas de cristal líquido no lugar com reticulação, e a outra metade seria silicone.

Wei descobriu rapidamente que as gotículas estavam se transformando em estranhas estruturas filamentosas. No início, os pesquisadores pensaram que o que estavam vendo era um erro experimental, mas porque os resultados eram repetíveis, eles perceberam que era algo extraordinariamente novo que deveriam tentar entender.

"Foi um efeito visualmente espetacular. Eu não esperava por isso, "diz Yodh." Estávamos tentando fazer drops de designer, mas no processo, vimos algo interessante e diferente. "

Ambos surpresos e intrigados com seus resultados estranhos, os pesquisadores começaram uma investigação rigorosa para explicar o que estavam vendo. Com a ajuda do laboratório Yang, Wei estudou gotículas que continham diferentes misturas de oligômeros de cristal líquido feitos de mesogênios de comprimentos variados. Os pesquisadores variaram o comprimento da cadeia de oligômero, usaram diferentes surfactantes para manter as gotículas juntas, e explorou modelos teóricos simples para dar sentido às suas descobertas.

A característica essencial do modelo que os pesquisadores desenvolveram é que a estrutura da gota é impulsionada por duas forças:tensão superficial, a tendência das superfícies de fluido de encolher na menor área possível, e energia elástica, com um exemplo sendo a energia mecânica armazenada em objetos flexíveis como molas de cama ou arco de um arqueiro. Para manter a energia superficial ao mínimo, a gota de cristal líquido normalmente forma uma esfera, a forma com a menor proporção entre superfície e volume. Dentro da gota, Contudo, as hastes individuais devem estar perpendiculares à superfície da esfera, ao mesmo tempo em que ficam paralelas às outras hastes.

Com essas forças opostas em jogo, em altas temperaturas (~ 90 C / ~ 194 F), as gotículas de cristal líquido são esféricas e têm uma estrutura interna clássica de "ouriço radial", onde todas as hastes apontam para o centro, uma configuração que requer energia elástica para se formar. Então, quando a temperatura diminui, tensão superficial e mudança de energia elástica, e a forma da gota e o alinhamento das hastes dentro da gota se transformam para minimizar o custo total de energia.

Por acaso, as estruturas de gotículas resultantes formam uma impressionante variedade de formas complexas, de "flores" que se assemelham a crisântemos microscópicos a enormes redes "Medusa" de fibras entrelaçadas. Os efeitos também são reversíveis - as gotas podem ir de esferas para redes emaranhadas e depois voltar.

Além das notáveis ​​novas morfologias de gotículas, uma das descobertas surpreendentes deste trabalho foi que a chave para este estranho fenômeno foi ter hastes de cadeia longa e curta na queda - em termos científicos, tendo um sistema de cristal líquido com polidispersidade.

Quando os mesogênios semelhantes a bastonetes eram de comprimento semelhante, nenhum efeito estranho foi visto, mas se eles tivessem muitos comprimentos diferentes, então, as hastes se moveriam para diferentes lugares dentro da gota com base em seu comprimento. Hastes feitas de correntes menores movidas preferencialmente para onde a energia elástica é maior, perto do centro da gota, enquanto aqueles feitos de correntes maiores moviam-se para a superfície.

"Normalmente, quando sua amostra contém uma mistura de constituintes de tamanhos diferentes, ou comprimento, ou mesmo composição, então as transições de fase ou eventos de automontagem são borrados ou totalmente evitados, "explica Yodh, "Mas aqui, a polidispersão na mistura ajuda a impulsionar o efeito, porque cadeias de comprimentos diferentes podem se mover para partes diferentes da queda. Isso não acontece para o homogêneo, sistema monodisperso. "

Embora muitas perguntas ainda permaneçam, como porque, exatamente, as gotículas se ramificam de maneiras estranhas que fazem o material parecer vivo, os pesquisadores esperam usar esses insights para explorar novos aplicativos e conceitos.

"Um dos motivos pelos quais decidimos usar esses oligômeros de cristal líquido em particular é que podemos reticulá-los e transformá-los em um elastômero, "diz Yodh, acrescentando que esses e outros tipos semelhantes de moléculas de cristal líquido em cadeia podem ser usados ​​para criar novos tipos de materiais macios, como fibras ativáveis ​​que podem se mover e mudar de formato em resposta à temperatura ou umidade.

Os pesquisadores também estão pensando em outros fenômenos em que a polidispersidade desempenha um papel na condução da montagem de um material e na definição de sua estrutura e função. A heterogeneidade molecular em biologia está potencialmente relacionada ao que os pesquisadores descobriram com as moléculas de cristal líquido em cadeia polidispersa e pode facilitar maneiras de sintetizar e padronizar materiais com base no que já existe no mundo vivo - muitos polímeros encontrados na natureza, como borracha natural, celulose de madeira, e seda, são eles próprios polidispersos.

"Em geral, os cientistas tendem a controlar as coisas - você deseja controlar para que possa entendê-lo, e, portanto, geralmente tentamos fazer e trabalhar com sistemas monodispersos, "diz Yang." Mas em biologia, os materiais de origem às vezes são uma mistura de moléculas com diferentes comprimentos de cadeia e funções:eles podem ter rigidez diferente, hidrofobicidade, ou hidrofilicidade, e é por isso que é tão complicado de entender. "

Os pesquisadores esperam que este estudo, que foi feito no "espírito MRSEC" colaborativo, unindo esforços em ciência de materiais e engenharia com física, irá encorajar outros a ver novas implicações e possíveis benefícios da polidispersidade.

"Este trabalho foi divertido, "acrescenta Yodh." Foi divertido ser surpreendido no início, e frustrantemente divertido tentar entendê-lo por tanto tempo. E é divertido olhar para trás. A desordem dos polímeros torna algo diferente. "