Los científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. DOE han desarrollado una nueva forma de rastrear las características moleculares dinámicas en materiales blandos, incluidas las vibraciones moleculares de alta frecuencia que transmiten ondas de calor, sonido y otras formas de energía.El control de estas ondas vibratorias en materiales blandos como polímeros o compuestos de cristal líquido podría conducir a una gama de innovaciones inspiradas en la energía, desde aislantes térmicos y acústicos, hasta formas de convertir el calor residual en electricidad o la luz en movimiento mecánico.
en un artículo recién publicado en Nano letras , los científicos describen el uso de la línea de haz de dispersión de rayos X inelástica IXS recientemente construida en la Fuente de luz nacional sincrotrón II NSLS-II, que tiene una resolución energética sin precedentes, para monitorear la propagación de vibraciones a través de un compuesto de cristal líquido entres fases diferentes. Sus hallazgos muestran que los cambios estructurales a nanoescala que ocurren con el aumento de la temperatura, a medida que los cristales líquidos se vuelven menos ordenados, interrumpen drásticamente el flujo de ondas vibratorias. Por lo tanto, elegir o cambiar la "fase" o disposición de las moléculas,podría controlar las vibraciones y el flujo de energía.
"Al ajustar la estructura, podemos cambiar las propiedades dinámicas de este material", dijo el físico de Brookhaven Dima Bolmatov, autor principal del artículo.
La técnica también podría usarse para estudiar procesos dinámicos en otros sistemas blandos, como membranas biológicas o cualquier tipo de fluido complejo.
"Por ejemplo, podríamos ver cómo las moléculas de lípidos en una membrana celular cooperan entre sí para crear pequeñas regiones porosas donde pueden pasar incluso moléculas más pequeñas, como el oxígeno o el dióxido de carbono, para ver cómo funciona el intercambio de gasesbranquias y pulmones ", dijo Bolmatov.
La capacidad de rastrear tales propiedades dinámicas rápidas no sería posible sin las capacidades únicas de NSLS-II, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE en Brookhaven Lab. NSLS-II produce rayos X extremadamente brillantes para estudios en una amplia gamade campos científicos.
En la línea de luz IXS, los científicos bombardean muestras con estos rayos X y miden la energía que ceden o ganan con precisión dentro de las dos milésimas de un electrón voltio, así como el ángulo en el que se dispersan de la muestra:incluso en ángulos muy pequeños.
"El intercambio de energía nos dice cuánta energía se necesitó para hacer que algunas moléculas vibren en un movimiento ondulatorio. El ángulo de dispersión sondea las vibraciones que se propagan en escalas de diferentes longitudes dentro de la muestra, desde casi una sola molécula hasta decenas de nanómetros. La nueva línea de luz IXS en NSLS-II puede resolver esas escalas de longitud con una precisión sin precedentes ", dijo Yong Cai, el científico principal de la línea de luz IXS.
"Estos dos parámetros, el ángulo de dispersión y la energía, nunca antes se habían medido tan bien en materiales blandos. Por lo tanto, las propiedades técnicas de esta línea de haz nos permiten localizar con precisión las vibraciones y rastrear su propagación en diferentes direcciones en diferentes direccionesescalas de longitud, incluso en materiales que carecen de una estructura sólida bien ordenada ", agregó.
En el estudio de cristal líquido, los científicos del Laboratorio Brookhaven y sus colaboradores en la Universidad Estatal de Kent y la Universidad de Albany realizaron mediciones a tres temperaturas diferentes a medida que el material pasó de una fase cristalina ordenada a través de transiciones a una "mezcla" menos ordenadaestado, y finalmente un líquido "isotrópico". Detectaron fácilmente la propagación de ondas vibratorias a través de la fase más ordenada, y mostraron que la aparición del desorden "mató" la propagación de vibraciones de "corte acústico" de baja energía. Las vibraciones de corte acústico están asociadascon una compresión de las moléculas en una dirección perpendicular a la dirección de propagación.
"Saber dónde está el límite dinámico, entre el material que se comporta como un sólido ordenado y un material blando desordenado, nos da una forma de controlar la transmisión de energía a nanoescala", dijo Bolmatov.
En la fase "esméctica", los científicos también observaron una vibración asociada con la inclinación molecular. Este tipo de vibración puede interactuar con la luz y absorberla porque la frecuencia de terahercios de las vibraciones coincide con la frecuencia de la luz infrarroja o las ondas de calorPor lo tanto, cambiar las propiedades del material puede controlar la forma en que estas formas de energía se mueven a través del material. Esos cambios se pueden lograr cambiando la temperatura del material, como se hizo en este experimento, pero también aplicando campos eléctricos o magnéticos externos, Bolmatovdijo.
Esto allana el camino para las nuevas llamadas aplicaciones fonónicas u optomecánicas, donde el sonido o la luz se juntan con las vibraciones mecánicas. Tal acoplamiento permite controlar un material mediante la aplicación de luz y sonido externos o viceversa.
"Todos estamos familiarizados con las aplicaciones que utilizan las propiedades ópticas de los cristales líquidos en las pantallas", dijo Bolmatov. "Hemos encontrado nuevas propiedades que pueden controlarse o manipularse para nuevos tipos de aplicaciones".
El equipo continuará los estudios de materiales blandos en IXS, incluidos los experimentos planificados con copolímeros de bloque, conjuntos de nanopartículas, membranas lipídicas y otros cristales líquidos durante el verano.
"La línea de luz IXS ahora también está abierta a usuarios externos, incluidos los científicos interesados en estos y otros materiales blandos y procesos biológicos", dijo Cai.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Brookhaven . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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