Quando Lisa Tran começou a investigar padrões em cristais líquidos, ela não sabia o que esperar. Quando ela olhou pela primeira vez no microscópio, ela viu esferas iridescentes dançantes com padrões semelhantes a impressões digitais gravados nelas, que espiralavam e se achatavam à medida que a solução em que flutuavam mudava.

A vista era tão bonita que Tran, um aluno de pós-graduação no Departamento de Física e Astronomia da Escola de Artes e Ciências da Universidade da Pensilvânia, enviou um vídeo para a competição Nikon Small World e acabou ganhando o quinto lugar. Mas a importância dos resultados vai muito além de seu apelo estético, com possíveis aplicações em biossensor e captação de energia.

Cristais líquidos, fluidos com fases alinhadas de moléculas constituintes, são usados ​​em tudo, desde telas de computador e televisão até anéis de humor. Uma vez que os cristais líquidos são feitos de moléculas semelhantes a bastonetes, eles têm propriedades ópticas especiais, como a mudança de cor à medida que interagem com sinais elétricos ou luz.

Para esta pesquisa, Tran confinou os cristais líquidos dentro de gotículas, criando conchas flutuando na água. Tran e seu conselheiro, Randall Kamien, o Professor Vicki e William Abrams em Ciências Naturais na Penn, descreveu as gotas como "bolhas extravagantes". Para criar padrões, Tran então adicionou surfactantes, ou moléculas com sabão, para a água.

"A maneira como esse sabonete geralmente funciona, "Tran disse, "é que você mistura com água e forma pequenas gotículas com o óleo para retirá-lo das mãos ou do prato."

Como os cristais líquidos são semelhantes ao óleo, os surfactantes foram atraídos pelas conchas de cristal líquido, fazendo com que as moléculas se ordenem de maneiras diferentes e criem padrões surpreendentes. Quanto mais sabão ela adicionava à solução, quanto mais os padrões mudam. Adicionar água fez com que os padrões se invertessem.

Ser capaz de controlar os padrões que se formam nos cristais líquidos pode ser útil na criação de coloides irregulares, partículas microscópicas suspensas em água que são funcionalizadas, o que significa que pode-se anexar moléculas a pontos específicos da partícula.

"Se você pensar em uma bola de pingue-pongue, é completamente desinteressante, "Kamien disse." Mas então você pensa sobre uma bola de golfe, que é semelhante em tamanho, mas há covinhas nele. Então, a questão do trabalho de Lisa é que, controlando os padrões que você vê opticamente, fisicamente texturiza a superfície, que permite anexar coisas a ele em lugares específicos. "

O papel, publicado em Revisão Física X , foi liderado por Tran e Kamien em colaboração com Kathleen Stebe, o Professor Richer &Elizabeth Goodwin, e o professor Daeyeon Lee, no Departamento de Engenharia Química e Biomolecular da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas. Eles também colaboraram com o grupo de Teresa López-León da École Supérieure de Physique et de Chimie Industrielles de la Ville de Paris.

A pesquisa é um componente-chave em um dos grupos de pesquisa interdisciplinares do recente subsídio do Centro de Engenharia e Ciência de Pesquisa de Materiais da Penn de US $ 22,6 milhões. O grupo está trabalhando para fazer montagens de nanocristais em modelos rígidos e em materiais macios que são promissores para aplicações em detecção, conversão de energia e processamento de sinal óptico.

O experimento de Tran foi inspirado em pesquisas anteriores feitas por Maxim Lavrentovich, na época, um pós-doutorado da Penn, que agora é professor assistente na Universidade do Tennessee, Knoxville. Trabalhando com Kamien, Lavrentovich investigou como diferentes padrões nos grãos de pólen eram específicos para diferentes espécies de plantas, semelhante a asas de borboleta.

Uma vez que os cristais líquidos também são conhecidos por formar padrões diferentes, Tran investigou o que aconteceria se as moléculas fossem confinadas a uma esfera e causassem a formação de padrões. Ela esperava ver como eles se compactariam e se corresponderiam a alguns dos padrões que haviam visto para os grãos de pólen.

Embora inicialmente os pesquisadores usassem microscopia de polarização para investigar isso, eles descobriram que podiam ver as gotículas sem um microscópio, apenas segurando a solução contra a luz. Uma vez que o cristal líquido responde ao que está acontecendo ao seu redor, observar os padrões que as moléculas de sabão induzem nas cascas pode ser usado como um biossensor.

"Se você conseguir fazer com que mudem de cor ou textura só porque há algum veneno no tubo de ensaio com eles, "Kamien disse, "então você pode ver com seus olhos, e você nem precisa de um microscópio. "

Para continuar esta pesquisa, A Tran está interessada em incorporar nanopartículas com diferentes propriedades para criar nanofios, que poderia ser usado como uma forma de fazer dispositivos de colheita mais eficientes em termos de energia que podem ser ajustados para a luz em seu ambiente.

"Se você tivesse nanopartículas todas de metal, " ela disse, "você poderia fazer com que eles seguissem a linha e, se você cruzar os links, de tal forma que eles são rígidos, e lavar o cristal líquido, então você acaba com esse tipo de nanofio padronizado que pode ser usado para outras aplicações. "

De acordo com Kamien, uma das coisas mais interessantes que aprenderam com essa pesquisa é que não precisam de equipamentos sofisticados para ver como as coisas se organizam em nanoescala.

"A ideia, " ele disse, "que podemos manipular coisas que são tão pequenas com mãos grandes e olhar para elas em escalas grandes é incrível para mim. Ao injetar algo na solução, podemos mudar a aparência dos padrões. Não estamos apenas deduzindo coisas sobre eles; estamos controlando-os. Estamos fazendo-os dançar para nós. É verdade que a eletrônica está fazendo a mesma coisa com os elétrons, mas você não pode ver os elétrons. Essa interação entre ótica e estrutura é emocionante. "