Na fonte de raios-X de DESY, PETRA III, cientistas investigaram uma forma intrigante de automontagem em cristais líquidos:quando os cristais líquidos são preenchidos em nanoporos cilíndricos e aquecidos, suas moléculas formam anéis ordenados à medida que esfriam - uma condição que, de outra forma, não ocorre naturalmente no material. Este comportamento habilita nanomateriais com novas propriedades ópticas e elétricas, como a equipe liderada por Patrick Huber da Universidade de Tecnologia de Hamburgo (TUHH) relata na revista Cartas de revisão física .

Os cientistas estudaram uma forma especial de cristais líquidos compostos por moléculas em forma de disco chamadas cristais líquidos discóticos. Nestes materiais, as moléculas do disco podem formar altas, pilares eletricamente condutores por si só, empilhando como moedas. Os pesquisadores preencheram cristais líquidos discóticos em nanoporos em um vidro de silicato. Os poros cilíndricos tinham diâmetro de apenas 17 nanômetros (milionésimos de milímetro) e profundidade de 0,36 milímetros.

Lá, os cristais líquidos foram aquecidos a cerca de 100 graus Celsius e resfriados lentamente. As moléculas de disco inicialmente desorganizadas formaram anéis concêntricos dispostos como colunas curvas redondas. Começando na borda do poro, um anel após o outro formou-se gradualmente com a diminuição da temperatura até cerca de 70 graus Celsius, toda a seção transversal do poro foi preenchida com anéis concêntricos. Ao reaquecer, os anéis gradualmente desapareceram novamente.

"Essa mudança da estrutura molecular em cristais líquidos confinados pode ser monitorada com métodos de difração de raios-X em função da temperatura e com alta precisão, "diz a coautora e cientista do DESY Milena Lippmann, que preparou e participou dos experimentos no High-Resolution Diffraction Beamline P08 do PETRA III. "A combinação de simetria e confinamento dá origem a inesperados, novas transições de fase, "diz Marco Mazza, do Instituto Max Planck de Dinâmica e Auto-Organização de Göttingen, onde o processo foi modelado com simulações de computador. Para isso, O cientista do MPI, Arne Zantop, desenvolveu um modelo teórico e numérico para os cristais líquidos nanoconfinados que confirmou os resultados experimentais e ajuda a interpretá-los.

Os anéis individuais foram formados gradativamente em temperaturas características. "Isso torna possível ligar e desligar anéis nano individuais por meio de pequenas mudanças na temperatura, "enfatiza a autora principal Kathrin Sentker, do TUHH. Ela notou esse fenômeno por meio de mudanças de sinal surpreendentemente graduais em experimentos ópticos a laser. Embora essas mudanças quantizadas geralmente ocorram apenas em temperaturas muito baixas, o sistema de cristal líquido mostra esse comportamento quântico bem acima da temperatura ambiente.

Como as propriedades optoelétricas dos cristais líquidos discóticos mudam com a formação de colunas moleculares, a variante confinada a nanoporos é uma candidata promissora para o projeto de novos metamateriais ópticos com propriedades que podem ser controladas gradativamente por meio da temperatura. As nanoestruturas investigadas também podem levar a novas aplicações em semicondutores orgânicos, como nanofios comutáveis ​​por temperatura, explica o co-autor Andreas Schönhals do Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), o Instituto Federal Alemão para Pesquisa e Teste de Materiais, quem está interessado nas propriedades térmicas e elétricas desses sistemas.

"O fenômeno constitui um bom exemplo de como a matéria mole versátil pode se adaptar a restrições espaciais extremas e como isso pode levar a novos insights na física, bem como a novos princípios de design e controle para a auto-organização de nanomateriais funcionais, "explica o investigador principal Huber.