Fluidos de materia blanda nanoestructurados
Los materiales blandos, que incluyen polímeros, cristales líquidos y coloides nemáticos, son candidatos prometedores para la nanotecnología de abajo arriba. Muchos de ellos se autoensamblan para formar micro y nanoestructuras con ordenación y periodicidad específicas. Estos materiales pueden presentar topologías que van más allá de las formas físicas simples y que, además, pueden afectar a las propiedades macroscópicas, como la respuesta óptica, la difusión o la respuesta a los campos eléctricos y magnéticos. Estas posibilidades han inspirado la investigación para encontrar nuevas formas de diseñar materiales con topologías inusuales. En el marco del proyecto FREEFLUID (Channelfree liquid crystal microfluidics), financiado por la Unión Europea, un grupo de científicos demostró el control sobre el flujo de fluidos nemáticos complejos y el autoensamblado de estructuras 3D específicas. Su trabajo se centró en los fluidos nemáticos anisótropos, cuyas moléculas o bloques constitutivos tienen orden orientacional, de modo que se pueden diseñar para autoensamblar estructuras con funcionalidades diversas. El equipo de FREEFLUID, en estrecha colaboración con distintos colaboradores, diseñó distintos materiales para el conformado ajustable de flujos y la modelización dinámica de carga topológica controlada por luz, así como estructuras fluidas, como teselaciones de Penrose constituidas por plaquetas coloidales pentagonales, coloidales anulados y nudos de campo. Los científicos demostraron el flujo de un cristal líquido nemático en canales microfluídicos con una sección transversal rectangular mediante modelización numérica y trabajo experimental. El perfil de flujo y el perfil de orientación del cristal líquido muestran tres regímenes distintos de flujos débil, medio e intenso, a medida que varía la presión. Estos se identificaron comparando datos obtenidos en experimentos de microscopia óptica con luz polarizada y soluciones numéricas de las ecuaciones nematofluídicas del movimiento. Por otra parte, el flujo microfluídico de cristal líquido se podría dirigir de izquierda a derecha en un microcanal sencillo aplicando gradientes de temperatura transversales. Mediante modelización dinámica, los científicos demostraron que es posible controlar totalmente la creación, la manipulación y el análisis de las cargas topológicas ligadas a una microfibra en un cristal líquido nemático. Se obtuvieron pares de cargas opuestas mediante el mecanismo de Kibble-Zurek aplicando una reducción súbita de la temperatura inducida mediante láser, aplicada en presencia de límites anuladores de la simetría. La modelización numérica también permitió obtener teselaciones de Penrose en capas de cristales líquidos nemáticos. En concreto, se diseñaron las superficies de las partículas con el fin de desarrollar eficazmente potenciales de interacción entre partículas compatibles con la simetría de orden cinco de las teselaciones de Penrose. Se observó que la teselación coloidal demostrada también permitía la sustitución jerárquica de pentágonos por pentágonos de menor tamaño, lo cual daba lugar a materiales jerárquicos que respondían a varias frecuencias. Finalmente, se observó que las partículas coloidales anudadas interactúan con el fluido nemático a su alrededor. Se observó que el anudado de partículas y los nudos de campo evolucionan transformando las partículas en nudo en forma de esferas. Los lazos de defectos anudados estaban vinculados entre sí y los defectos se reconectaban progresivamente. Gracias a que los cristales líquidos nemáticos son blandos, fue posible seguir las cargas topológicas. En resumen, la estructura de la investigación de FREEFLUID ofrecía un control fascinante sobre el conformado de flujos de fluidos y estructuras fluidas en la micro y nanoescala, utilizando modelización numérica y experimentos colaborativos. El resultado abre el camino hacia el desarrollo de materiales blandos funcionales con propiedades sin precedentes para posibles usos futuros en óptica, fotónica y biotecnología.
Palabras clave
Materiales blandos, cristales líquidos, nanoestructuras, FREEFLUID, teselaciones de Penrose, topología, autoensamblaje, conformado mediante flujo
