Жидкие кристаллы существуют в своей собственной фазе. Они могут течь как жидкости, но поскольку их молекулы расположены в некотором упорядоченном порядке, ими можно легко манипулировать, чтобы они отражали свет. Эта гибкость сделала жидкие кристаллы основным материалом для энергоэффективных экранов телефонов, телевизоров и компьютеров.
В новом исследовании Nature Chemistry исследователи из Дартмута и Южного методистского университета намекают на другие применения жидких кристаллов, которые могут быть однажды возможны, и все они будут работать на естественном свете. Они включают в себя жидкокристаллические лазеры, экраны дисплеев, которые можно легко печатать и стирать, и микроскопические метки, которые можно добавлять к банкнотам для предотвращения подделок.
В основе этих фантастических гаджетов лежит синтетический молекулярный переключатель, который может вызывать изменения формы в жидких кристаллах, что позволяет им отражать разные цвета. Разработанный в лаборатории Ивана Апрахамяна, профессора химии Дартмута, переключатель состоит из органической молекулы триптицена и класса соединений, называемых гидразонами, которые могут включаться и выключаться с помощью импульса света.
В исследовании Апрахамян и его коллеги показывают, что гидразоны могут быть присоединены к триптицену таким образом, что симметрия молекулы нарушается, делая ее хиральной. Хиральные молекулы существуют в двух зеркальных формах, которые, как и наши руки, не могут быть полностью наложены друг на друга.
Когда хиральный триптицен взаимодействует с молекулой жидкого кристалла, он запускает цепочку событий, в результате которой другие молекулы жидкого кристалла выстраиваются в линию, перестраиваясь в закрученные спирали, подобные ДНК.
В спиральной форме жидкие кристаллы отражают окружающий свет на разных длинах волн в зависимости от их шага или того, насколько далеко друг от друга расположены витки в их спиральной структуре; растяжение и сжатие спирали вызывает изменение цвета. В природе хамелеоны и головоногие моллюски также используют преимущества структурных особенностей, чтобы мгновенно сливаться с окружающей средой без каких-либо изменений пигмента кожи.
«Увеличивая или уменьшая высоту тона спиральной структуры, мы можем контролировать цвет, который она отражает», — говорит Апрахамян. «Представьте себе игру на аккордеоне. Вместо того чтобы сжимать и расширять инструмент, чтобы контролировать тон, который вы слышите, мы используем свет, чтобы контролировать высоту тона и цвет, который вы видите».
В качестве доказательства в исследовании приводятся яркие репродукции картин Эдварда Мунка «Крик» и Ван Гога «Звездная ночь». Изображения были получены в лаборатории Александра Липперта в Южном методистском университете с помощью микроскопа, переделанного в мини-проектор для слайдов.
В процессе, напоминающем многоцветную трафаретную печать, исследователи использовали крошечный проектор, чтобы направить свет через ряд трафаретов на импровизированный экран, сделанный из жидких кристаллов, легированных хиральным триптиценом. Новые цвета добавлялись один за другим, путем освещения светом в течение разного времени той части экрана, которая оставалась открытой трафаретом.
«Как только рисунок нарисован, он может оставаться там в течение нескольких дней», — говорит Липперт. «Вы также можете стереть его и вернуться к чистому холсту».
Лаборатория Апрахамяна уже разрабатывала гидразоновые переключатели, но эта версия является первой, которая доказала свою способность отражать видимый цвет от жидкого кристалла. Это также первый случай, когда стабильное, долговременное многоцветное изображение было спроецировано на жидкокристаллический дисплей с использованием легирующей примеси, которая может включаться и выключаться.
В более ранних экспериментах Апрахамян пытался создать переключаемую примесь с хиральной молекулой под названием изосорбид. Хотя жидкие кристаллы взаимодействовали с изосорбидом и образовывали спиральную структуру, они не отражали видимый свет. На конференции 2016 года в Теллуриде профессор химии Массачусетского технологического института предложил Апрахамяну попробовать триптицен.
Хиральный триптицен оказался прорывом из-за того, насколько эффективно он способен передавать хиральную информацию жидким кристаллам, говорит Апрахамян. Для того, чтобы выстроить большое количество жидких кристаллов в новую конфигурацию и изменить их свойства, требуется относительно немного молекул.
«Это известно как эффект сержанта и солдата», — говорит Апрахамян. «Несколько хиральных молекул «сержанта» контролируют свойства большого количества ахиральных молекул «солдат».
В исследовании подробно описывается, что происходит на молекулярном уровне, что может помочь исследователям в дальнейшем изучении жидких кристаллов для новых применений.
«Теперь мы можем использовать эти знания для создания более совершенных жидкокристаллических легирующих добавок», — говорит соавтор исследования Инду Бала из Индийского технологического института в Манди.
