Main Page » News »

Złote nanodomieszki

Grafika z pracy dotyczącej ciekłych kryształów w fazie błękitnej

Komórka elementarna chiralnego ciekłego kryształu w fazie błękitnej: BPI odpowiadająca strukturze BCC, ang. Body Centered Cubic (po lewej stronie) i BPII odpowiadająca strukturze SC, ang. Simple Cubic (po prawej stronie)

Ciekłe kryształy z fazą błękitną (Blue Phase Liquid Crystals, BPLCs) to obiecujące materiały, które mogą mieć ogromne znaczenie np. przy budowie wyświetlaczy ciekłokrystalicznych o ulepszonych parametrach elektrooptycznych czy w zaawansowanych urządzeniach fotonicznych. W artykule opublikowanym w czasopiśmie ACS Nano zespół dr. inż. Kamila Orzechowskiego opisał badania nad nanocząstkami złota w roli nanodomieszek, które mogą wpływać na zmianę właściwości optycznych i zwiększenie stabilności termicznej ciekłych kryształów w fazie błękitnej.

Chiralne ciekłe kryształy w fazie błękitnej charakteryzują się wyjątkowymi właściwościami, m.in. izotropią optyczną oraz selektywnym odbiciem światła typu Bragga z zakresu bliskiego nadfioletu i światła widzialnego. Cechy te wynikają ze złożonej struktury molekularnej, która polega na regularnym uporządkowaniu w przestrzeni:

  • struktur chiralnych tworzonych przez anizotropowe molekuły ciekłego kryształu,
  • sieci izotropowych defektów ciekłokrystalicznych powstałych z braku możliwości zachowania ciągłości sąsiadujących ze sobą struktur chiralnych zorientowanych w każdym kierunku przestrzeni.

W ciekłym krysztale w fazie błękitnej można wyróżnić komórkę elementarną, która w zależności od temperatury jest kubiczna przestrzennie centrowana (dla fazy BPI) lub kubiczna prosta (dla fazy BPII). Stała sieci komórki elementarnej w fazie BPI odpowiada długości skoku helisy, zaś w fazie BPII — połowie długości skoku.

Ciekłe kryształy w fazie błękitnej można więc uznać za samoorganizującą się nanostrukturę z uporządkowanymi przestrzennie defektami, która może stanowić ciekłokrystaliczną matrycę dla nanodomieszek. Mimo obiecujących właściwości i interesującej budowy molekularnej ciekłokrystalicznej fazy błękitnej, powszechnym ograniczeniem badań tego typu materiałów jest ich niska stabilność termiczna wynosząca zwykle od 0,1 do ok. 5 stopni Celsjusza.

Nowe podejście

Dotychczasowe badania nad materiałami ciekłokrystalicznymi z fazą błękitną opierały się głównie na zwiększeniu stabilności termicznej m.in. poprzez polimerową stabilizację ciekłego kryształu lub dodanie nanodomieszek, np. półprzewodnikowych czy magnetycznych nanocząstek, grafenu, nanorurek węglowych, itp.

W swojej pracy autorzy opisali badanie sprawdzające, czy domieszkowanie ciekłego kryształu nanocząstkami złota zawierającymi na powierzchni materiały funkcyjne, tzw. ligandy, umożliwia jednoczesne zwiększenie stabilności termicznej oraz zmianę selektywnego odbicia światła w fazie błękitnej. Przeprowadzone analizy teoretyczne w dotychczasowej literaturze pokazały, że istnieje możliwość zmiany selektywnego odbicia światła w kierunku czerwieni poprzez dodanie odpowiednio dużych koloidalnych nanocząstek o średnicy większej niż 100 nm. Autorzy artykułu wykazali eksperymentalnie, że domieszkowanie nawet małymi nanocząstkami złota o średnicy 2,4 nm może prowadzić do zmiany odbicia światła typu Bragga w kierunku fioletu (przesunięcie długości fali Bragga w kierunku fal krótszych). Zmiana ta jest jednocześnie związana ze zwiększeniem skrętności chiralności w ciekłym krysztale w fazie błękitnej i tym samym zmniejszeniem stałej sieci komórki elementarnej faz BP.

Efekty prac

Zespół pokazał, że wielkość efektu zależy od stężenia nanocząstek w badanym ciekłym krysztale (rysunek poniżej). Dodatkowo wykazano zwiększenie stabilności termicznej faz BP z 5,5 oC do 22,8 oC przy domieszkowaniu ciekłego kryształu nanocząstkami złota o stężeniu 5%. Przedstawione w artykule osiągnięcia były możliwe do uzyskania dzięki opracowaniu ligandów o właściwościach ciekłokrystalicznych i odpowiednim przyłączeniu ich do powierzchni nanocząstek złota. Zaprojektowane pokrycie powierzchni nanocząstek złota przez zespół badaczy zapewniło bardzo dobrą kompatybilność chemiczną i mieszalność nanodomieszek z ciekłym kryształem w fazie błękitnej, zapobiegając tworzeniu się agregatów nanocząstek przez co najmniej rok od przygotowania próbek. Pokazano także, że niewłaściwy dobór ligandów nanocząstek złota może przyczynić się do destabilizacji fazy błękitnej w matrycy ciekłokrystalicznej.

Redukcja stałej sieci komórki elementarnej w fazie błękitnej poprzez domieszkowanie nanocząstkami złota

Redukcja stałej sieci komórki elementarnej w fazie błękitnej poprzez domieszkowanie nanocząstkami złota dla faz BPI (110) (a) i BPII (100) (b). Barwa struktur sześciennych odpowiada długości fali selektywnego odbicia światła zmierzonej w eksperymencie. Zarówno czerwone przerywane linie, jak i strzałki odpowiadają efektowi osiągniętego progu nasycenia, dla którego odbicie Bragga zmienia się nieznacznie.

Przedstawione wyniki pokazują, że domieszkowanie nanocząstkami złota ciekłego kryształu z fazą błękitną jest wydajną i obiecującą metodą uzyskiwania wysoce stabilnych układów ciekłokrystalicznych o regulowanych właściwościach optycznych, co czyni je interesującymi materiałami do zastosowania w nowych zaawansowanych przestrajalnych urządzeniach fotonicznych.

Więcej można przeczytać w artykule Achiral Nanoparticle-Enhanced Chiral Twist and Thermal Stability of Blue Phase Liquid Crystals (ACS Nano, IF=18.027) dostępnym na stronie pubs.acs.org.

 
Publikacja powstała dzięki projektowi FOTECH-2 „Samoorganizujące się struktury fotoniczne o zwiększonej efektywności przestrajania i stabilności temperaturowej na bazie chiralnych ciekłych kryształów w fazie błękitnej domieszkowanych nanocząstkami złota i monomerami” (kierownik projektu: dr inż. Kamil Orzechowski z Zakładu Optyki i Fotoniki) przy współpracy zespołów:

  • dr. hab. Wiktora Lewandowskiego z Wydziału Chemii UW
  • dr inż. Olgi Strzeżysz z Instytutu Chemii WAT
  • dr Evy Otón z Instytutu Fizyki Technicznej WAT
  • dr. Chun-Ta Wanga z National Sun Yat-sen University Department of Photonics (Tajwan)
Informacja o dofinansowaniu z programu Inicjatywa Doskonałości – Uczelnia Badawcza