具有新的光學和電學特性的液晶納米環

在德國電子同步加速器研究所（DESY）的X射線源PETRA III中，科學家們研究了一種在液晶中自組裝的有趣的形式：當液晶被填充到圓柱形納米孔中並被加熱時，它們的分子在冷卻時形成有序環 – 這種現象不會在材料中自然發生。這種行為使納米材料具有了新的光學和電學特性，這一現象由漢堡科技大學的Patrick Huber領導的團隊發表在「Physical Review Letters」雜誌上（「Quantized Self-Assembly of Discotic Rings in a Liquid Crystal Confined in Nanopores」）。

納米孔陣列中碟狀環的量子化自組裝圖。（圖片來源：漢堡哈爾堡技術大學的A. Zantop，M. Mazza，K. Sentker，P. Huber，Max-Planck）

科學家們已經研究了一種特殊形式的液晶，這種液晶是由稱為碟狀液晶的碟狀分子組成的。在這些材料中，碟狀分子可以自己形成高的導電柱，高導電柱由碟狀分子像硬幣一樣堆疊起來所形成。研究人員在硅酸鹽玻璃的納米孔中填充碟狀液晶。圓柱形孔的直徑僅為17納米（百萬分之一毫米），深度為0.36毫米。

在上述硅酸鹽玻璃的納米孔中，液晶被加熱到大約100攝氏度，然後緩慢冷卻。最初紊亂的碟盤分子形成了像圓形彎曲柱一樣排列的同心環。從孔的邊緣開始，一個接一個地依次逐漸形成，隨著溫度逐漸降低，直到大約70攝氏度，孔的整個橫截面被同心環填充。重新加熱後，環再次逐漸消失。

這種在密閉液晶中的分子結構的變化可以用X射線衍射方法作為高精度的溫度監測，合作者和德國電子同步加速器研究所（DESY）的科學家Milena Lippmann說到，他在PETRA III項目中準備並參與了高解析度衍射光束線P08的實驗。

哥廷根馬克斯·普朗克動力與自組織研究所的Marco Mazza說，「對稱與限制的結合引起了意想不到的新相變」，該研究過程用計算機模擬進行建模的。為此，MPI科學家Arne Zantop設計了一種理論和數值模型，用於證實實驗結果並幫助解釋這些納米封閉液晶的實驗結果。

在特徵溫度下，單個的環會逐步形成。TUHH的主要作者Kathrin Sentker強調說：「這使得我們可以通過溫度的微小變化來打開和關閉各個納米環。 通過激光光學實驗中令人驚訝的階躍信號變化，她已經注意到這一現象。儘管這種量子化的變化通常只發生在非常低的溫度下，但液晶系統顯示出這種量子行為已經遠高於室溫。

由於盤狀液晶的光電特性隨著分子柱的形成而變化，因此納米孔密封變體是設計新型光學超材料的有前景的候選材料，其性質可通過溫度逐步控制。德國聯邦材料研究與測試研究所BAM的合作者AndreasSch?nhals解釋說，所研究的納米結構也可能導致在有機半導體領域的新應用，例如溫度可切換的納米線。該研究和測試的德國聯邦材料研究與測試機構對這些系統的熱電特性感興趣。

首席研究員Huber解釋說：「這一現象構成了一個很好的例子，說明多功能軟物質如何適應極端的空間限制，以及這將如何導致物理學的新見解，以及功能納米材料自組織的新設計和控制原理。

來自柏林Helmholtz-Zentrum（HZB）和波蘭的Czestochowa技術大學的科學家也參與了這項研究。 Sentker和Huber是合作研究計劃SFB 986「多尺度材料系統」的成員，該系統致力於設計具有量身定製的機械，電子和光子特性的材料。它彙集了漢堡大都市區的材料研究能力，並由德國中央自治研究基金組織德意志研究聯合會（DFG）資助。

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