Nanostrukturierte weiche Materieströme

Mithilfe von Licht, Formen und externen Feldern können heutzutage verschiedene weiche Materialien mit ungewöhnlichen Topologien geformt werden. EU-geförderte Physiker erzeugten kürzlich in Zusammenarbeit mit Partnern Teile in verschiedenen mathematische Formen, darunter komplexe Strömungsprofile, Knoten und komplexe Muster.

Industrielle Technologien

Grundlagenforschung

Weiche Materialien, darunter Polymere, Flüssigkristalle und nematische Kolloide, stellen vielversprechende Kandidaten für die Bottom-up-Nanotechnologie dar. Einige von ihnen ordnen sich selbstständig in Mikro- und Nanostrukturen an, die bestimmte, sich wiederholende Muster aufweisen. Solche Materialien können über eine Topologie verfügen, die über einfache physikalische Formen hinausgehen und sich auch auf die makroskopischen Eigenschaften auswirkt, etwa auf die optischen Merkmale, die Diffusion oder die Reaktion auf magnetische und elektrische Felder. Diese Möglichkeiten veranlassten Forscher dazu, neue Verfahren zur Herstellung von Materialien mit ungewöhnlicher Topologie zu entwickeln. Im Rahmen des EU-geförderten Projekts FREEFLUID (Channelfree liquid crystal microfluidics) demonstrierten Wissenschaftler Kontrolle über die Strömung komplexer nematischer Fluide und die Selbstanordnung ausgewählter dreidimensionaler Strukturen. Im Zentrum ihrer Arbeit standen anisotrope nematische Fluide, welche die Fernordnung der Moleküle oder Bausteine aufweisen, aus denen sie sich zusammensetzen. Diese Bausteine können so entwickelt werden, dass durch Selbstanordnung Strukturen mit verschiedensten Funktionalitäten entstehen. Die Forscher von FREEFLUID entwickelten in enger Zusammenarbeit mit zahlreichen Partnern mehrere Materialien, die eine abstimmbare Strömungsformung und dynamische Modellierung lichtgesteuerter topologischer Ladungen sowie Fluidstrukturen – darunter Penrose-Parkettierung fünfeckiger Kolloidplättchen, verknoteter Kolloide und Feldknoten – ermöglichen. Durch numerische Modellierung und experimentelle Arbeit demonstrierten Wissenschaftler die Strömung eines nematischen Flüssigkristalls in mikrofluidischen Kanälen mit rechteckigem Querschnitt. Bei Veränderung des Antriebsdrucks wurden im Strömungsprofil und im Flüssigkristall-Ordnungsprofil drei Bereiche mit schwacher, mittlerer und starker Strömung erkennbar. Diese wurden durch den Vergleich von Daten ermittelt, die durch polarisierende optische Mikroskopie und aus numerischen Lösungen der nematofluidischen Bewegungsgleichungen gewonnen wurden. Zudem konnte die flüssigkristalline mikrofluidische Strömung in einem einfachen Mikrokanal durch Anwendung transversaler Temperaturgradienten vollständig von der linken auf die rechte Seite verlagert werden. Durch volldynamische Modellierung konnten die Wissenschaftler belegen, dass die Entstehung, Veränderung und Analyse topologischer Ladungen an einer Mikrofaser in einem nematischen Flüssigkristall vollständig kontrollierbar sind. Durch den Kibble-Zurek-Mechanismus wurden mittels eines laserinduzierten lokalen Temperaturabfalls an symmetriebrechenden Grenzen gegensätzlich geladene Paare erzeugt. Zudem wurden durch numerische Modellierung Penrose-Parkettierungen in Schichten von nematischen Flüssigkristallen gebildet. Im Speziellen wurden die Oberflächen von Teilchen so konstruiert, dass sie effektiv zu Interaktionspotenzialen zwischen Teilchen führten, die mit der fünffachen quasikristallinen Symmetrie der Penrose-Parkettierung kompatibel waren. Es wurde belegt, dass das demonstrierte kolloidale Muster auch die hierarchische Substitution von Fünfecken durch kleinere Fünfecke unterstützte, was zu hierarchischen Materialien führte, die auf mehrere optische Frequenzen reagieren. Abschließend wurde gezeigt, dass die verknoteten Kolloidpartikel mit der sie umgebenden nematischen Flüssigkeit in Wechselwirkung treten. Es wurde beobachtet, wie sich bei der Umwandlung von Knotenpartikeln in Kugeln Teilchen verknoteten und Feldknoten bildeten. Die verknoteten defekten Schleifen wurden miteinander verknüpft und die Defekte allmählich behoben. Dank der Weichheit nematischer Flüssigkristalle konnten topologische Ladungen genau beobachtet werden. Insgesamt führte die in FREEFLUID geleistete Forschungsarbeit durch numerische Modellierung und die mit Partnern durchgeführten Versuche zu der Möglichkeit, die Form von Fluidstrukturen und -strömungen auf mikroskopischer und nanoskopischer Ebene zu kontrollieren. Dieses Ergebnis ermöglicht die Entwicklung funktionaler weicher Materialien mit unvergleichlichen Eigenschaften, die in Zukunft in der Optik, Photonik und Biotechnologie zum Einsatz kommen könnten.

Schlüsselbegriffe

Weiche Materialien, Flüssigkristalle, Nanostrukturen, FREEFLUID, Penrose-Parkettierung, Topologie, Selbstanordnung, Strömungsformung

Channelfree liquid crystal microfluidics

Nanostrukturierte weiche Materieströme

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