Їх непередбачене відкриття, про яке повідомляється в статті, опублікованій у матеріалах Національної академії наук і вибраній виданням Science (наука) як “вибір редактора в галузі матеріалознавства”, могли б запропонувати простий спосіб підвищити ефективність роботи електронних пристроїв, таких як світловипромінюючі діоди, оптичні волокна і сонячних батарей. Вона також може мати важливі теоретичні наслідки для розуміння досі дивно загадкові матеріали, звані окуляри.
“Це великий сюрприз”, – сказав де Пабло. “Випадковість майже визначальною рисою очок. Принаймні, ми звикли так думати. Те, що ми зробили, щоб продемонструвати, що можна створити окуляри, де є деякі чітко визначені організації. І тепер, коли ми розуміємо походження таких ефектів, ми можемо спробувати контролювати цю організацію шляхом маніпулювання, як ми готуємо ці окуляри”.
Де Пабло є теоретиком і професором ім. сім’ї Лью в області молекулярної інженерії в Університеті Чикаго. Він та Іван Любімов, постдокторант в своїй групі, працював з групою експериментаторів під керівництвом Марка Едігера в Університеті штату Вісконсін, роблячи комп’ютерне моделювання їх фізичних експериментів.
Учені виробили скло випаровуванням великих органічних молекул в високому вакуумі та осадження їх повільно, тонкий шар тонким шаром, на підкладку з точно регульованою температурою. Коли зразок був досить товстим, вони проаналізували його за допомогою спектральної еліпсометрії – методу, який вимірює шлях падаючого світла або розслідує взаємодію лазерного випромінювання з матеріалом.
“Наші співробітники побачили деякі інтригуючі піки в цих матеріалах”, – сказав де Пабло: “і ті з’являються, коли у вас є якась особлива орієнтація молекул у матеріалі“. Дослідники не могли спочатку пояснити походження піків, або чому їх зовнішній вигляд залежить від температура, при якій був сформований зі скла. Проте, коли група побіг комп’ютерного моделювання експериментів, з’явилися ті ж підписи орієнтації. Значна частина молекул в склі були рівняючись на концерті. Питання полягало в тому, чому?
Відповідь на це питання, вчені виявили, лежала на шляху створення матеріалу. У рідинах – і скла являє собою тип рідинних молекул на поверхні взаємодіють з молекулами в повітрі, іноді змушуючи їх упакувати разом і вибудовуються по-іншому, ніж безладно вибудуваних молекул в об’ємі рідини. Процес осадження з парової фази, який використовується в експериментах, складає встановлює одну “поверхню” поверх іншого. Молекули в кожному шарі отримують “в пастці” в орієнтації вони мали, коли вони були по-справжньому, хоча б коротко, на поверхні.
Для того щоб це відбулося, дослідники виявили, скло повинне бути вирощено у відносно вузькому діапазоні температур, при якій рідина переходить в тверде тіло, як скло. Зміна температури в межах цього вікна дозволяє вченим “налаштувати” ступінь порядку. Після того як процес осадження закінчений, матеріал стабільний і зміни температури в широкому діапазоні не впливає на це.
Лише невелика частина молекул у зразках групи орієнтовані в іншому напрямку, ніж інша частина молекули скла. Але цього достатньо, щоб змінити оптичні властивості цих матеріалів надзвичайно. Група буде продовжувати досліджувати ці нові матеріали, пробуючи різні молекули і дивиться, щоб з’ясувати, чи можуть вони посилити ефект.
Також очікується теоретичне дослідження цих висновків.
“Скло є одним із найменш зрозумілих класів матеріалів”, – сказав де Пабло. “Воно має структуру рідкого розладу, але є твердою речовиною. І це концепція, яка спантеличує людей протягом багатьох десятиліть. Тому той факт, що тепер ми можемо контролювати орієнтацію цих невпорядкованих матеріалів є те, що може мати глибокі теоретичні і технологічні наслідки. Ми не знаємо, що вони ще-це нова галузь досліджень і клас матеріалів, які не існували раніше. Таким чином, ми тільки на початку шляху”.
Дослідники Університету Чикаго спільно провели експерименти, унаслідок яких вони виробили скло з органічною молекулярною структурою, матеріалом, що раніше вважався повністю аморфним і непередбачуваним.
Цитата: “Настроювання орієнтації молекул і підвищеної термостабільністі органічних напівпровідників у вакуумі”, – Шекіл С. Далал, Дайан М. Уолтерс, Іван Любімов, Хуан Дж. де Пабло та доктор медичних наук Едігер, том 112, No. 14, 7 квітня 2015 р., ІЦО: 10.1073/Праці Національної академії наук 1421042112.
Фінансування: Департамент США з енергетики, постанова DE-SC002161; і Національний науковий фонд, DMR-1234320.
