Molekularne „śmigła”

W eksperymentach w Instytucie Chemii Fizycznej PAN, przeprowadzonych na supercienkich warstwach ciekłych kryształów utworzonych na powierzchni wody, udało się zaobserwować zaskakująco wolny i trwały ruch obrotowy cząsteczek, zgodnie rotujących w sposób możliwy do zaobserwowania niemal gołym okiem.

W utworzonych na powierzchni wody ciekłokrystalicznych warstwach grubości pojedynczych nanometrów cząsteczki mogą wirować z niezwykle małą prędkością, zaledwie jednego obrotu na kilka minut – ustalili naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN. Tak wolne rotacje to spore zaskoczenie, ponieważ spodziewano się, że ruch obrotowy zostanie szybko zaburzony przez fluktuacje termiczne.

Eksperyment przeprowadzony w IChF PAN jest daleką pochodną doświadczeń Benjamina Franklina, związanych z uspokajaniem wzburzonej wody metodą rozlewania oleju. Podczas jednej z prób Franklin zauważył, że plama oleju na powierzchni stawu w pewnym momencie staje się tak cienka, że przestaje się powiększać. – Robimy coś podobnego, ale na mniejszą skalę: na powierzchnię wody wylewamy mikrolitry ciekłych kryształów. Formują one warstwę monomolekularną, a więc taką, której grubość odpowiada jednej cząsteczce – wyjaśnia dr inż. Andrzej Żywociński z IChF PAN.

Cząsteczki badanych ciekłych kryształów są amfifilowe – część hydrofilowa łańcucha przyczepia się do powierzchni wody, nad którą wystaje część hydrofobowa, uniemożliwiająca rozpuszczenie – i swobodnie przemieszczają się po powierzchni wody, zachowują się jak gaz w przestrzeni dwuwymiarowej. Badaczy interesowało jednak zachowanie ciekłych kryształów w fazie ciekłej. Gaz można przekształcić w ciecz lub ciało stałe wskutek zmian temperatury lub ciśnienia. Jeśli korzystamy z tego drugiego parametru, do zestalenia dochodzi przy dużych ciśnieniach, rzędu przynajmniej kilkudziesięciu atmosfer. Na szczęście w przypadku warstw monomolekularnych odpowiednio duże ciśnienie można łatwo uzyskać za pomocą przyrządu zwanego wagą Langmuira. Jest to wanienka wypełniona wodą, z dwiema hydrofilowymi barierkami, pomiędzy którymi znajduje się warstwa ciekłych kryształów grubości kilku nanometrów. – Wystarczy zmniejszyć odległość między barierkami, aby wzrost ciśnienia powierzchniowego doprowadził do przejścia ciekłego kryształu w stan ciekły lub nawet stały – mówi doktorantka Patrycja Nitoń z IChF PAN.

Powierzchnię warstwy ciekłokrystalicznej w fazie ciekłej obserwowano za pomocą mikroskopu kąta Brewstera przy stosunkowo niewielkim powiększeniu. Kąt Brewstera to kąt, pod którym światło padające na powierzchnię dielektryka odbija się całkowicie spolaryzowane liniowo, co oznacza, że drgania składowej pola elektrycznego zachodzą w jednej płaszczyźnie. Jeśli na drodze tak spolaryzowanego światła ustawi się filtr polaryzujący w płaszczyźnie poprzecznej, zatrzyma on całe odbite światło i pod mikroskopem Brewstera czysta woda będzie wyglądała na czarną. Jeśli jednak na powierzchni wody znajdzie się coś, co skręca płaszczyznę polaryzacji, pojawią się jasne refleksy.

W doświadczeniach przeprowadzonych w Instytucie Chemii Fizycznej PAN analizowano, jak zachowuje się na powierzchni wody monomolekularna warstwa ferroelektrycznego ciekłego kryształu typu smektyk C*. Smektyki C* charakteryzują się tym, że cząsteczki samoczynnie układają się w nich w warstwy, przy czym kolejne warstwy są względem siebie nieco obrócone.

– My mamy tylko jedną warstwę, którą można sobie wyobrażać jako las cząsteczek, zgodnie nachylonych pod pewnym kątem – opisuje dr inż. Żywociński. Gdy cząsteczki wody parują, uderzają w różnej wielkości grupy atomów, połączone w każdej cząsteczce ciekłego kryształu z asymetrycznym (chiralnym) atomem węgla. Asymetria powoduje, że wystające nad powierzchnię wody fragmenty cząsteczek ciekłych kryształów działają jak śmigła napędzanego wiatrem wiatraka i zaczynają kolektywnie się obracać (efekt ten po raz pierwszy zaobserwował prof. Hiroshi Yokoyama z Japonii). Aby cząsteczka wykazywała zdolność do rotacji, musi być w odpowiedni sposób skonstruowana. Grupa polarna, która trzyma ją przy powierzchni wody, nie powinna być za duża, ponieważ byłaby zanurzona za głęboko i hamowałaby rotację wywołaną przez asymetryczną grupę chiralną, w którą uderzają cząsteczki parującej wody. Z kolei grupa chiralna musi utrzymywać się wyraźnie nad powierzchnią.

Rotujące cząsteczki zmieniają płaszczyznę polaryzacji odbitego światła i w polu widzenia mikroskopu Brewstera, obejmującym kilkadziesiąt milimetrów kwadratowych, pojawiają się obszary o cyklicznie zmieniającej się jasności. Najszybszy zarejestrowany w ten sposób czas obrotu cząsteczek wynosił pięć sekund, najdłuższy aż osiem minut. Prawdopodobnie można uzyskać obroty jeszcze wolniejsze, jednak nie poprzez obniżanie temperatury (ciekły kryształ przechodzi wówczas do fazy stałej), lecz nasycając powietrze parą wodną, co obniżyłoby szybkość parowania, a zatem i częstotliwość zderzeń cząsteczek wody ze „śmigłami” ciekłych kryształów.

Wolno rotujące cząsteczki ciekłych kryształów mogą znaleźć zastosowanie przy budowie nanourządzeń. – Można skonstruować cząsteczkę, w której pełniąca rolę śmigła grupa atomów byłaby czymś w rodzaju nanourządzenia napędowego. Stworzylibyśmy wtedy prawdziwy molekularny nanosilnik napędzany strumieniem pary wodnej – mówi dr inż. Żywociński i dodaje, że naukowcy pracują obecnie nad możliwością przeniesienia kolektywnego ruchu obrotowego pojedynczych cząsteczek na większe obiekty.

Źródło: IChF PAN