p Cientistas do Laboratório Nacional de Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE) desenvolveram uma nova maneira de rastrear características moleculares dinâmicas em materiais macios, incluindo as vibrações moleculares de alta frequência que transmitem ondas de calor, som, e outras formas de energia. O controle dessas ondas vibracionais em materiais macios, como polímeros ou compostos de cristal líquido, pode levar a uma série de inovações inspiradas na energia - de isoladores térmicos e acústicos, a formas de converter calor residual em eletricidade, ou a luz em movimento mecânico. p Em um artigo publicado recentemente em Nano Letras , os cientistas descrevem o uso da recém-construída linha de luz inelástica de espalhamento de raios-x (IXS) na National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), que tem resolução de energia sem precedentes, para monitorar a propagação de vibrações através de um composto de cristal líquido em três fases diferentes. Suas descobertas mostram que as mudanças estruturais em nanoescala que ocorrem com o aumento da temperatura - à medida que os cristais líquidos se tornam menos ordenados - interrompem dramaticamente o fluxo das ondas vibracionais. Assim, escolhendo ou alterando a "fase, "ou arranjo de moléculas, poderia controlar as vibrações e o fluxo de energia.

p “Ajustando a estrutura, podemos mudar as propriedades dinâmicas deste material, "disse o físico de Brookhaven Dima Bolmatov, o autor principal do artigo.

p A técnica também pode ser usada para estudar processos dinâmicos em outros sistemas moles, como membranas biológicas ou qualquer tipo de fluido complexo.

p "Por exemplo, poderíamos ver como as moléculas de lipídios em uma membrana celular cooperam umas com as outras para criar minúsculas regiões porosas onde moléculas ainda menores, como oxigênio ou dióxido de carbono, pode passar - para ver como a troca gasosa opera nas guelras e nos pulmões, "Bolmatov disse.

p A capacidade de rastrear tais propriedades dinâmicas rápidas não seria possível sem os recursos exclusivos do NSLS-II - um DOE Office of Science User Facility no Brookhaven Lab. O NSLS-II produz raios X extremamente brilhantes para estudos em uma ampla variedade de campos científicos.

p Na linha de luz IXS, os cientistas bombardeiam amostras com esses raios-x e medem a energia que eles cedem ou ganham com uma precisão de até dois milésimos de um elétron volt, bem como o ângulo em que eles se espalham na amostra - mesmo em ângulos muito pequenos.

p "A troca de energia nos diz quanta energia foi necessária para fazer algumas moléculas vibrarem em um movimento ondulatório. O ângulo de espalhamento analisa as vibrações que se propagam em diferentes escalas de comprimento dentro da amostra - de quase uma única molécula a dezenas de nanômetros. O novo A linha de luz IXS em NSLS-II pode resolver essas escalas de comprimento com precisão sem precedentes, "disse Yong Cai, o principal cientista da linha de luz IXS.

p "Esses dois parâmetros - o ângulo de espalhamento e a energia - nunca foram tão bem medidos em materiais macios. Portanto, as propriedades técnicas desta linha de luz nos permitem localizar com precisão as vibrações e rastrear sua propagação em diferentes direções em diferentes escalas de comprimento - até em materiais que carecem de uma estrutura sólida bem ordenada, " ele adicionou.

p No estudo de cristal líquido, os cientistas do Brookhaven Lab e seus colaboradores na Kent State University e na University at Albany fizeram medições em três temperaturas diferentes conforme o material ia de um ordenado, fase cristalina por meio de transições para um estado "esmético" menos ordenado, e finalmente um líquido "isotrópico". Eles detectaram facilmente a propagação de ondas vibracionais através da fase mais ordenada, e mostrou que o surgimento da desordem "matou" a propagação de vibrações de "cisalhamento acústico" de baixa energia. As vibrações de cisalhamento acústico estão associadas a uma compressão das moléculas em uma direção perpendicular à direção de propagação.

p "Saber onde está o limite dinâmico - entre o comportamento do material como um sólido ordenado e um material macio desordenado - nos dá uma maneira de controlar a transmissão de energia em nanoescala, "Bolmatov disse.

p Na fase "esmética", os cientistas também observaram uma vibração associada, em vez disso, à inclinação molecular. Esse tipo de vibração pode interagir com a luz e absorvê-la porque a frequência terahertz das vibrações corresponde à frequência da luz infravermelha ou das ondas de calor. Portanto, alterar as propriedades do material pode controlar a maneira como essas formas de energia se movem através do material. Essas mudanças podem ser alcançadas mudando a temperatura do material, como foi feito neste experimento, mas também pela aplicação de campos elétricos ou magnéticos externos, Bolmatov disse.

p Isso abre caminho para novas aplicações chamadas fonônicas ou optomecânicas, onde o som ou a luz são acoplados às vibrações mecânicas. Tal acoplamento possibilita o controle de um material pela aplicação externa de luz e som ou vice-versa.

p "Estamos todos familiarizados com aplicativos que usam as propriedades ópticas de cristais líquidos em telas de exibição, "Bolmatov disse." Nós encontramos novas propriedades que podem ser controladas ou manipuladas para novos tipos de aplicações. "

p A equipe continuará os estudos de materiais macios no IXS, incluindo experimentos planejados com copolímeros em bloco, conjuntos de nanopartículas, membranas lipídicas, e outros cristais líquidos durante o verão.

p "A linha de luz IXS agora também está aberta para usuários externos - incluindo cientistas interessados ​​nestes e em outros materiais macios e processos biológicos, "disse Cai.