新的研究揭示了溶于水的液晶

柱状（上图）和向列（下方）阶段的LCLC液滴。插图插图显示了LCLC的“杆”的图案。

新的研究细节一种溶解在水中的液晶类型，揭示了生物医学应用的潜力。

液晶是具有显着的材料，其将结晶固体的光学性质与液体的流动性能结合在一起，使能够在大多数计算机监视器，电视和智能手机中找到的显示器。

在一项研究中公布的国家科学院的诉讼程序中，宾夕法尼亚大学和乳头学院的研究人员将新的研究描述成一种溶解在水中的液晶的新研究，而不是避免它在显示器中发现的油性液晶。该特性意味着这些液晶占生物医学应用的潜力，其中它们变化的内部图案可以发出特定蛋白质或其他生物大分子的存在。

研究人员将这些液晶放入水滴中，又将其置于油中，产生乳液。在液滴内足够高的浓度下，液晶在光学显微镜下表现出扭曲图案。

然而，在较高的浓度下，液晶显示出更加不寻常的行为：它们的组成分子堆叠以形成组织成晶状结构的柱，并将正常球形水滴转变成刻面的流体宝石。

该研究由Joonwoo Jeong和Grood Davidson of Arjn Yodh在Penn的研究小组成员Zoey Davidson毕业。 Yodh指示物质结构研究，是艺术与科学学院物理与天文学系的教授。舍入合作是汤姆·卢森基，也是宾夕法尼亚州物理学和天文学系的教授，以及嬉皮士和天文学系的教授。

柱状阶段的LCLC表现出刻面的“宝石”形状。

“我们的长期目标”，“Yodh说：”是为了利用这种液晶系统的更多理解和控制，以利用其能力来制造有用的新材料。利用这种类型的液晶研究在70s早期的液晶类似于显示液晶的阶段。第一个显示器是有限的，直到它们的性质真实地理解。“

研究人员在本研究中研究的液晶类型是旋转二核发色液晶或LCLC。它们含有俗称“日落黄色”或“黄色6”的有机盐，一种广泛使用的食物染料在橙色苏打水，奶酪味小吃和许多其他产品中发现。

当置于水中时，染料的近分子像扑克筹码一样叠加，形成微观棒。然后将含有水滴的液晶与皂状表面活性剂一起混入油悬浮液中。一端吸引水，另一端被其它排斥，表面活性剂分子一旦浸入油中，就会向下降的表面行进。这有助于将下落稳定到球体中，这是最大限度地减少表面能的最佳形状。

一旦液滴在油乳液中，杆就彼此相互作用以形成不同种类的对齐阶段。与在显示器中发现的液晶不同，由旋转层液晶形成的相或图案取决于它们的浓度。为了改变LCLC浓度，研究人员在液滴中以不同浓度的染料分子开始，并且允许浓度进一步增加，因为水从液滴中漫射而进一步增加。

在足够高的浓度水平时，杆将其紧靠在一起，它们开始彼此平行对准，形成所谓的“向列”相。这为液滴提供了一定程度明确的南北轴通过其中心运行。在该轴附近的棒并联排列，直到它们到达两个“极”，其中杆不相对于彼此定向。

这种模式从液晶的倾向重新排列到“最简单”的最低能量状态。而且，与在显示器中发现的液晶一样，这种状态可能受到外部效果的影响，并且可以利用所产生的行为进行应用。

“了解这些类型的液晶系统的很多工作，”Collings说，“是对它们进行两种竞争影响，例如分子的自然倾向，完全与一些限制或外部领域排列说，'我们不会让你这样做。“

这种情况下的限制是下降的球形表面。

“棒想彼此平行排列，”jeong说，“但他们也想与下降的边界排队，他们不能一次做。因此，杆必须经历变形。有趣的是，在这种情况下，他们扭动以适应这种限制。“

这种扭曲不会改变近距离杆的形状，该杆保持直，而是相对于彼此相对于杆的取向改变。俯瞰液滴使得杆垂直沿其轴线指向，这种扭曲沿着从轴线到液滴表面的线路发生。就像衣夹夹在那些线上一样，近距离杆可以从原来的垂直位置旋转，平均扭转超过90度。

在显示器中发现的大多数油基液晶类似地响应这种限制，因为它们形成有两个杆的中心轴，但是它们不会扭转到该轴。

“这意味着，与显示液晶不同，我们对这些LCLC的任何事情都必须考虑到这一扭曲，”Collings表示。

这些图案取决于下降的表面特性，因此杆的扭曲可能受到附着在表面的外部分子的影响并改变其边界条件。

“这家LCLC的财产为他们提供了潜力，”Yodh说。“分子水平的小变化可以诱导可通过显微镜观察的液晶结构的变化。”

然而，随着液滴的浓度进一步增加，液晶从向列相到的“柱状”相输出，其中杆将像捆扎的束一样包装在一起。该填料可防止杆扭曲，因此它们通过衬到列阵列，并平行于边界并缠绕下降的中心轴来响应来自滴表面的提示。

一旦在柱状阶段，液晶的有序内部结构会产生一个环境，使得球体不再是最大限度地减少下降表面能的最佳形状。表面被拉到杆的有序收集，并且下降的外部开始符合柱的六边形填充图案，形成刻面。

“据我们所知，这些是第一个含有柱状阶段液晶的乳液，”Yodh说。“看到下降的表面演变是惊人的。我从未见过一滴水形状像宝石！“

该研究得到了国家科学基金会和宾夕法尼亚州材料研究科学与工程中心的支持。

出版物：国家科学院的诉讼程序（目前在禁运下）

图像：宾夕法尼亚大学