Wissenschaftler realisieren lichtgesteuerte programmierbare kolloidale Selbstorganisation

Das Team von Prof. Peng Chenhui von der School of Physics der University of Science and Technology of China (USTC) verwirklichte den kollektiven Transfer und die rekonfigurierbare Selbstorganisation von kolloidalen Partikeln, indem es die lichtgetriebenen molekularen Motoren mit Flüssigkristall (LC)-Molekülen kombinierte die nematische Phase, deren Orientierungen mit topologischen Mustern und Disklinationsnetzwerken programmiert sind.

Die Arbeit wurde veröffentlicht in Proceedings of the National Academy of Sciences am 11. April. Durch Lichteinstrahlung induzieren die kooperativen Reorganisationen von Nanomotoren eine kollektive Dynamik der Disklinationsnetzwerke. Die Morphologieänderungen der Disklinationslinien werden verwendet, um die kolloidalen Anordnungen in Translations-, Rotations- und programmierbarer Weise zu transportieren und neu zu konfigurieren. Diese Arbeit öffnet die Tür für zukünftige Anwendungen in Mikromaschinen und intelligenten Materialien.

Nanomotoren in der Natur haben Wissenschaftler dazu inspiriert, synthetische molekulare Motoren zu entwickeln, um die Bewegung von Objekten im Mikromaßstab durch kooperative Aktion anzutreiben. Lichtgetriebene molekulare Motoren wurden synthetisiert, aber die Nutzung ihrer kooperativen Reorganisation zur Steuerung des kollektiven Transports von Kolloiden und zur Realisierung der Rekonfiguration der kolloidalen Anordnung bleibt eine Herausforderung.

In dieser Arbeit werden topologische Wirbel in die Monoschichten von Azobenzolmolekülen eingeprägt, die weiter mit nematischen Flüssigkristallen (LCs) in Kontakt treten. Die lichtgetriebenen kooperativen Neuorientierungen der Azobenzolmoleküle induzieren die kollektive Bewegung der LC-Moleküle und damit die raumzeitlichen Entwicklungen der nematischen Disklinationsnetzwerke, die durch die kontrollierten Wirbelmuster definiert werden. Kontinuumsimulationen liefern physikalische Einblicke in die Morphologieänderung der Disklinationsnetzwerke.

Wenn Mikrokolloide im LC-Medium dispergiert werden, wird die kolloidale Anordnung nicht nur durch die kollektive Änderung der Disklinationslinien transportiert und neu konfiguriert, sondern auch durch die elastische Energielandschaft gesteuert, die durch die vorgefertigten Orientierungsmuster definiert ist. Der kollektive Transport und die Rekonfiguration kolloidaler Anordnungen kann auch durch Manipulation der eingestrahlten Polarisation programmiert werden. Diese Arbeit bietet Möglichkeiten, programmierbare kolloidale Maschinen und intelligente Verbundmaterialien zu entwerfen.

In der Studie erläuterte das Team auch, wie die vorkonfigurierten topologischen Defekte den Bewegungsmechanismus kolloidaler Partikel auf den Disklinationslinien steuern, der durch die elastischen Eigenschaften der lokalen vorkonfigurierten Entfaltung und Biegeverformung von Flüssigkristallen bestimmt wird. Somit liegt der physikalische Mechanismus dieser lichtgesteuerten programmierbaren kolloidalen Selbstorganisation in der kooperativen Reorganisation der molekularen Maschinen im Nanomaßstab durch Licht, und die Wechselwirkung der molekularen Maschinen mit den Flüssigkristallmolekülen wird verwendet, um die Veränderung der Flüssigkeit im Nanomaßstab zu steuern Kristallmolekulare Orientierung.

Aufgrund der langreichweitigen Ordnung der Flüssigkristallmoleküle wird eine Änderung der Orientierung der Flüssigkristallmoleküle im Makromaßstab auf der Oberfläche ausgelöst. Diese makroskopische Änderung treibt die Änderung der Flüssigkristallmikrostruktur innerhalb der Probe durch Oberflächenverankerung weiter voran und ermöglicht so eine Rekonfiguration im makroskopischen Maßstab in Richtung von Disklinationsnetzwerken und kolloidaler Selbstorganisation.