O fluxo oscilante e os pulsos de luz podem ser usados ​​para criar uma arquitetura reconfigurável em cristais líquidos. Os cientistas de materiais podem projetar cuidadosamente fluxos microfluídicos combinados e campos optotérmicos localizados para obter o controle da nucleação, crescimento e forma de tais domínios líquidos. Em comparação, líquidos puros em equilíbrio termodinâmico são estruturalmente homogêneos. Trabalhos experimentais baseados em teoria e simulações mostraram que se os líquidos são mantidos em um estado controlado de não equilíbrio, as estruturas resultantes podem ser estabilizadas indefinidamente.

Líquidos esculpidos podem encontrar aplicações em dispositivos microfluídicos para encapsular seletivamente solutos e partículas em compartimentos opticamente ativos para interagir com estímulos externos para uma variedade de médicos, saúde e aplicações industriais. Em um estudo recente publicado em Avanços da Ciência , Tadej Emeršič e colegas de trabalho na Eslovênia e nos EUA desenvolveram cristais líquidos nemáticos puros (NLC), onde eles manipularam dinamicamente defeitos e estados reconfiguráveis ​​dos materiais pela aplicação simultânea de vários campos externos.

Os materiais sólidos podem exibir fases estruturais distintas simultaneamente, uma propriedade que pode ser manipulada para criar funcionalidade. Contudo, em líquidos puros em equilíbrio, tais fases estruturais que correspondem aos limites de grão e defeitos não surgem. Embora os líquidos exibam uma série de características atraentes, incluindo a capacidade de molhar as superfícies, demonstram altos coeficientes de difusão e conformidade absoluta, é um desafio incluir funcionalidades adicionais para líquidos devido à sua homogeneidade inerente. Um comportamento complexo é observado em misturas sintéticas e biológicas multicomponentes e as estruturas resultantes são difíceis de manipular, uma vez que ocorrem em situações de desequilíbrio. Tais situações geralmente envolvem vários componentes com miscibilidade nítida e gradientes entre domínios hidrofílicos e hidrofóbicos também.

Os cientistas desenvolveram matéria ativa na forma de colônias vivas e contrapartes sintéticas bioinspiradas. Eles imprimiram domínios hidrofóbicos / hidrofílicos em misturas líquidas, contando com nanopartículas de surfactante e sistemas controlados de desequilíbrio para demonstrar o movimento e a transição entre diferentes regimes reológicos. Os cristais líquidos (LCs) são um sistema ideal para estudar os fenômenos de interesse, como quebra espontânea de simetria, defeitos topológicos, ordenação de orientação e transições de fase baseadas em estímulos externos.

Cristais líquidos nemáticos (NLCs) são a forma mais simples de moléculas de cristal líquido sem posições ordenadas, e eles se diferenciam dos líquidos puros no nível da orientação molecular. Os NLCs têm uma gama de propriedades que os permitem servir como microrreatores e conduzir reações de polimerização inerentes para aplicações futuras intrigantes. O trabalho atual na área ainda é experimental, por exemplo, fluxos nemáticos em ambientes microfluídicos, que destacam a interferência potencial entre defeitos topológicos em diferentes campos de velocidade e orientação molecular.

Nesse trabalho, os cientistas observaram a interface de fase com NLCs pela primeira vez, realizado experimentalmente pela geração de domínios de fase polar que foram controlados pela combinação de confinamento microfluídico, taxas de fluxo de fluido e pulsos de laser na prática. Emeršič et al. usaram o material nemático de um único componente pentil-cianobifenil (5CB) em todos os experimentos realizados em canais microfluídicos lineares com seção transversal retangular. Os cientistas fabricaram os canais com relevo de polidimetilsiloxano (PDMS) e substratos de vidro revestidos com óxido de estanho e índio (ITO) usando procedimentos padrão de litografia suave. Eles então encheram os canais microfluídicos com 5CB em sua fase isotrópica aquecida e permitiram que ele esfriasse até a fase nemática, antes de iniciar os experimentos de fluxo. Os cientistas também trataram quimicamente as paredes do microcanal para criar uma superfície homeotrópica forte para ancorar as moléculas de 5CB.

O trabalho representou um modelo experimental ideal de uma fase de material de orientação quase bidimensional (2D). No estado estacionário inicial dentro de um canal microfluídico, o material aquecido parecia preto. Quando o fluxo foi ativado, dependendo da velocidade do fluxo, a aparência birrefringente mudou de preto para cores brilhantes. Os domínios alinhados ao fluxo evoluíram dessa forma para crescer ou se aniquilar com a velocidade do fluxo.

Os cientistas de materiais chamaram o regime de fluxo de 'estado bowser' devido ao perfil curvado do material e o estado de fluxo alinhado como o 'estado rabdomante' devido à sua analogia com o chamado campo rabdomante em nematostáticos, onde nematostático é a densidade de carga de materiais nemáticos elásticos, análogo à eletrostática. O estado rabdomante tem uma orientação anisotrópica com seu próprio comportamento elástico, defeitos topológicos e solitons (um pacote de onda solitária que mantém sua forma enquanto se propaga em velocidade constante). Em comparação, o estado bowser é efetivamente isotrópico e simples na vista 2D simplificada. Os cientistas foram capazes de controlar a forma, divisão e coalescência desses domínios de fase.

Emeršič et al. conduziu todos os experimentos em temperatura ambiente, conduzir e controlar o fluxo de fluido no microcanal com um sistema de controle de fluxo microfluídico acionado por pressão. Eles estudaram os regimes de fluxo, dinâmica de reorientação e deformações conduzidas por fluxo de 5CB nos microcanais usando microscopia de luz polarizada. Os cientistas construíram pinças de laser em torno do microscópio óptico invertido com um laser de fibra infravermelho operando a 1064 nm como fonte de luz, e um par de defletores óticos acústicos acionados por um sistema computadorizado para manipular com precisão o feixe.

No estudo, o estado dowser alinhado ao fluxo era estável sob fluxos fortes, mas instável sob fluxos fracos. Dependendo da velocidade do fluxo, os domínios rabdomantes podem aumentar e diminuir nos experimentos, conforme visto em simulações numéricas. Os cientistas calcularam os critérios de crescimento e redução de domínios no tempo e indicaram como os domínios cresceram, encolheu ou aniquilou ao longo do canal.

Aplicando cuidadosamente as pinças a laser, os cientistas mostraram que um fluxo constante de domínios poderia ser produzido dissecando o rabdomante em massa original com um ponto de laser móvel, onde o laser derreteu os lados do limite de fase do material. Um domínio crescente em maior velocidade de fluxo poderia, assim, ser dividido longitudinalmente ao meio, com um feixe de laser estático em baixas intensidades de luz.

As pinças a laser permitiam o controle dinâmico do tamanho, número e tempo de vida dos domínios dowser gerados, que foram posteriormente manipulados pela modulação da velocidade do fluxo periódico. Por exemplo, sob fluxo uniforme, o campo radiestesista alinhado uniformemente ao longo da direção do fluxo para aumentar ou diminuir, dependendo do regime da velocidade. Os cientistas foram capazes de ajustar e controlar ativamente o fluxo como um domínio de tamanho constante que pode ser mantido de forma estável por mais de dez segundos.

Além disso, no modelo desenvolvido por Emeršič et al., eles mostraram como a direção do fluxo pode ser revertida para o domínio radiestesista, levando a uma rápida reversão de orientação do estado anterior de equilíbrio. Além disso, o campo radiestesista pode se acoplar a campos magnéticos e elétricos externos e gradientes da espessura do canal para determinar o controle, direção de fluxo e ajuste óptico do material nemático 5CB. Os cientistas observaram a resposta direta aos estímulos externos claramente através da birrefringência no estudo e determinaram que este é um método adequado para medir as propriedades viscoelásticas e reológicas do material.

Emeršič et al. imaginar a possibilidade de realizar reações químicas em tais volumes fechados na prática, como mostrado anteriormente com modelos de cristal líquido. Além disso, com base nos princípios descritos por Emeršič e colegas de trabalho, um sistema de impressão 3D pode ser projetado para conter líquidos, dentro do qual estruturas complexas e fora de equilíbrio podem ser criadas e estabilizadas. Os modelos experimentais desenvolvidos neste estudo usando LCs termotrópicos padrão também são transferíveis para materiais ativos e biológicos com comportamento nemático. O método proposto e demonstrado é uma ferramenta técnica em ciência dos materiais, com aplicações potenciais em biofísica, química e engenharia química.

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