Science-publicatie met Utrechtse onderzoekers Marjolein Dijkstra en Massimiliano Chiappini

Onderzoekers ontdekken een nieuwe vloeibaar kristallijne fase van banaanvormige deeltjes

Scanning-elektronenmicroscopiebeeld van de colloïdale bananen. De deeltjes zijn ingekleurd om hun vorm te benadrukken. De schaalbalk is 5 micrometer.

Onderzoekers uit Oxford en Utrecht hebben een nieuw systeem van banaanvormige micron-deeltjes ontwikkeld. Hiermee bevestigen ze het bestaan van de zogenaamde ‘splay-bend nematic’ vloeibaar kristallijne fase, die veertig jaar geleden al was voorspeld, maar tot nu toe nog niet experimenteel was aangetoond. Deze resultaten vormen een basis voor de ontwikkeling van nieuwe banaanvormige vloeibare kristallen, die ultrasnel van oriëntatie kunnen veranderen onder invloed van elektrische velden. Dat maakt ze zeer geschikt voor gebruik in nieuwe, zeer snel reagerende beeldschermen. De onderzoekers publiceren hun resultaten vandaag in Science.

Omdat vloeibare kristallen makkelijk reageren op externe prikkels, zoals elektrische velden, worden ze vaak gebruikt in beeldschermen (liquid crystal displays, lcd-schermen). De moleculen die deze vloeibare kristallen vormen zijn meestal langwerpig van vorm. Simpele staafvormige moleculen vormen slechts vijf vloeibaar kristallijne fasen, maar met banaanvormige moleculen zijn er meer dan vijftig fasen mogelijk. Deze ‘banaanfasen’ zijn twintig jaar geleden ontdekt en hebben sindsdien een ware ‘bananenmanie’ in gang gezet op het gebied van vloeibare kristallen.

Confocaal microscopisch beeld van de ‘splay-bend nematic’ fase. Het golvende karakter van deze fase is het resultaat van de banaanvorm van de deeltjes wanneer ze zich dicht op elkaar bevinden. De schaalbalk is 10 micrometer.

Uiterst uitdagend

Tot op heden was niemand er nog in geslaagd om in deze banaanfasen te kijken en direct te visualiseren hoe de banaandeeltjes zich ordenen en bewegen. Dat komt grotendeels doordat moleculaire systemen extreem klein zijn en zeer snel bewegen, waardoor het direct bekijken ervan uiterst uitdagend is, zelfs met de meest geavanceerde microscopen. De onderzoekers uit Oxford en Utrecht zijn er nu in geslaagd om voor het eerst de binnenste details van banaanvormige vloeibare kristallen met enkelvoudige deeltjesresolutie te bestuderen, visualiseren en analyseren.

Bananen in de ‘splay-bend nematic’ fase. De deeltjes zijn ingekleurd op basis van hun oriëntatie, zoals aangegeven door de witte pijlen in de inzet.

Verschillende banaanfasen

Met behulp van beeldanalysetechnieken slaagden de onderzoekers erin om direct de positie en oriëntatie van de banaanvormige deeltjes te bepalen, waardoor ze een reeks verschillende banaanfasen konden identificeren. Bovendien geven deze colloïdale bananen experimenteel bewijs van het bestaan van de zogenaamde ‘splay-bend nematic’ vloeibaar kristallijne fase, die veertig jaar geleden al was voorspeld, maar tot nu toe nog niet was aangetoond.

Publicatie

Shaping colloidal bananas to reveal biaxial, splay-bend nematic and smectic phases
Carla Fernández-Rico, Massimiliano Chiappini*, Taiki Yanagishima, Heidi de Sousa, Dirk G. A. L. Aarts, Marjolein Dijkstra*, Roel P. A. Dullens
Science, 20 augustus 2020, DOI 10.1126/science.abb4536
* onderzoekers verbonden aan de Universiteit Utrecht