IChF111116a - 9 warstw ciekˆego krysztaˆu

Instytut Chemii Fizycznej
Polskiej Akademii Nauk
adres:
tel.:
fax/tel.:
email:
WWW:
ul. Kasprzaka 44/52
01-224 Warszawa
+48 22 3432000
+48 22 3433333, 6325276
[email protected]
http://www.ichf.edu.pl/
Warszawa, 16 listopada 2011
Niezwykłe struktury ciekłokrystaliczne na powierzchni wody
Niektóre ciekłe kryształy formują na powierzchni wody monowarstwy – pokrycia
grubości pojedynczej cząsteczki. Ściskane z boków, monowarstwy mogą
marszczyć się jak tkanina na płaskim, śliskim stole, zsuwana dłońmi jednocześnie
z dwóch stron. Wraz ze wzrostem ciśnienia powierzchniowego, zmarszczki
monowarstwy kładą się na niej i tworzą kolejne warstwy. Dzięki badaniom
nowych związków, w Instytucie Chemii Fizycznej PAN w Warszawie odkryto
mechanizmy powstawania wielowarstw odpowiedzialne za tworzenie się na wodzie
powłok ciekłokrystalicznych o wcześniej nieobserwowanej budowie.
Ciekłe kryształy po wylaniu na powierzchnię wody mogą tworzyć uporządkowane warstwy grubości
pojedynczej cząsteczki. Przy ściskaniu takich monowarstw w ich płaszczyźnie, w odpowiednich
warunkach powstanie powłoka z trzech monowarstw – trójwarstwa. Przypuszczano, że niekiedy
powinny się formować nawet pięciowarstwy. „Istnienie pięciowarstw nie było jednak dobrze
udokumentowane. Nam udało się z dużą precyzją potwierdzić ich obecność. Co więcej,
zaobserwowaliśmy dziewięciowarstwy, które dotychczas funkcjonowały wyłącznie w charakterze
naukowych sugestii”, mówi dr inż. Andrzej Żywociński z Instytutu Chemii Fizycznej PAN (IChF
PAN) w Warszawie. Wyniki prac opublikowano w czasopiśmie „Chemistry – A European Journal”.
W doświadczeniach przeprowadzanych w IChF PAN na powierzchnię wody wylewa się mikrolitry
ciekłych kryształów. Związki i ich ilość są tak dobrane, aby formowały uporządkowaną warstwę
monomolekularną (grubości jednej cząsteczki). Monowarstwy można ściskać za pomocą
przyrządu zwanego wagą Langmuira. Jest to wanienka z dwiema hydrofilowymi barierkami,
między którymi unosi się na wodzie monowarstwa badanego związku. Zmniejszając odległość
między barierkami można znacząco zwiększyć ciśnienie działające w płaszczyźnie monowarstwy.
Prace dr. Żywocińskiego oraz doktorantów prof. Roberta Hołysta koncentrowały się na kilkunastu
związkach należących do grupy bolaamfifili, wytworzonych w zespole prof. Carstena Tschierske na
Uniwersytecie Martina Lutra w Halle. Cząsteczki tych związków mają złożone kształty, lecz zawsze
składają się ze sztywnego rdzenia z dołączonymi na obu końcach grupami hydrofilowymi
(lubiącymi wodę). Grupy te kotwiczą cząsteczkę do powierzchni wody. Dodatkowo, w centralnej
cześci rdzenia znajdują się łańcuchy hydrofobowe. Część badanych cząsteczek miała dwie grupy
hydrofobowe rozmieszczone na kształt litery X, część – jedną w konfiguracji przypominającej literę
T, jeszcze inne miały rdzeń nie prosty, lecz wygięty (kształtem przypominały kotwicę).
W badanych cząsteczkach część atomów wodoru w łańcuchach hydrofobowych zastąpiono
fluorem, usztywniając je i czyniąc bardziej hydrofobowymi. Zabieg ten spowodował, że związki,
zwłaszcza kształtu X, tworzyły na wodzie bardzo stabilne, dobrze uporządkowane monowarstwy.
Pomiary wykazały, że cząsteczki obserwowanych związków zachowują się nieco podobnie jak
tkanina na stole (z istotną różnicą: tkanina to ciało stałe, a opisywane procesy zachodzą tylko
wtedy, gdy związek jest w fazie ciekłej). Podczas ściskania monowarstwy z boków, w pewnym
momencie działające siły zaczynają wypychać cząsteczki w górę. Na monowarstwie pojawiają się
fałdy, które następnie kładą się na niej. Jeśli ściskanie jest kontynuowane, na wodzie utworzy się
uporządkowana struktura z trzech monowarstw. Proces ten był już opisany w literaturze naukowej.
„Nam udało się zaobserwować i udokumentować mechanizm znacznie ciekawszy”, mówi doktorant
Jan Paczesny z IChF PAN. „Okazało się, że dalsze ściskanie trójwarstwy jednego ze związków
prowadzi do fałdowania, w którym uczestniczy nie jedna, zewnętrzna monowarstwa, a cała
trójwarstwa. Wypychana fałda ma wtedy grubość sześciu warstw i gdy kładzie się na trójwarstwie,
nasza cząsteczkowa 'tkanina' staje się świetnie uporządkowaną dziewięciowarstwą”. Zwiększanie
grubości wielowarstwy w sekwencji: mono-, trój- i dziewięciowarstwa było sugerowane w
literaturze, ale po raz pierwszy mechanizm ten potwierdzono eksperymentalnie.
Grupa z IChF PAN zajmowała się też substancjami, w których oddziaływania między cząsteczkami
nie były dostatecznie elastyczne. Podczas ściskania takich związków, nad monowarstwę są
wypychane nie jej fałdy, a pojedyncze cząsteczki, które po oderwaniu od powierzchni wody łączą
się w pary. Jako nielotne, pozostają przy monowarstwie i ze wzrostem ciśnienia się porządkują,
formując od razu dwie warstwy na monowarstwie. Ten nowo poznany mechanizm tłumaczy,
dlaczego wielowarstwy zwiększają grubość w sekwencji 1-3-5-7 monowarstw.
Naukowcy z IChF PAN sądzą, że procesy podobne do obu zaobserwowanych występują też w
przypadku innych związków chemicznych o zbliżonej budowie cząsteczkowej.
Praktyczne wykorzystanie uporządkowanych wielowarstw jest możliwe po przeniesieniu ich z
powierzchni wody na podłoże stałe, np. z krzemu. W tym celu płytkę krzemową wielokrotnie
zanurza się w wodzie z wielowarstwą i wynurza. Niestety, monowarstwy niektórych substancji
podczas ponownego zanurzania są zmywane. Badacze z IChF PAN spotkali się z taką sytuacją
dla jednego ze związków. Pomiary wykazały jednak, że ten sam związek przenosi się trwale, jeśli
wcześniej uformuje dziewięciowarstwę. Oznacza to nie tylko możliwość produkowania podłoży
nowego typu, ale również dziewięciokrotne skrócenie czasu formowania wielowarstw o dużej
grubości, wcześniej wytwarzanych przez mozolne nakładanie nawet kilkudziesięciu monowarstw.
Rdzenie cząsteczek badanych w IChF PAN mają trzy skondensowane pierścienie aromatyczne.
Analogiczne struktury pojawiają się w polimerach przewodzących. „Mamy nadzieję, że w
przyszłości pochodne obserwowanych przez nas związków znajdą zastosowanie w elektronice
organicznej. Planujemy również wykorzystać tendencję do samoorganizacji tych cząsteczek w celu
organizowania innych cząsteczek”, komentuje dr Żywociński.
Materiał prasowy przygotowany dzięki grantowi NOBLESSE w ramach działania „Potencjał
badawczy” VII Programu Ramowego Unii Europejskiej.
Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (http://www.ichf.edu.pl/) został powołany w 1955 roku jako jeden z pierwszych
instytutów chemicznych PAN. Profil naukowy Instytutu jest silnie powiązany z najnowszymi światowymi kierunkami rozwoju chemii
fizycznej i fizyki chemicznej. Badania naukowe są prowadzone w 9 zakładach naukowych. Działający w ramach Instytutu Zakład
Doświadczalny CHEMIPAN wdraża, produkuje i komercjalizuje specjalistyczne związki chemiczne do zastosowań m.in. w rolnictwie
i farmacji. Instytut publikuje około 200 oryginalnych prac badawczych rocznie.
KONTAKTY DO NAUKOWCÓW:
dr inż. Andrzej Żywociński
Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk
tel. +48 22 3433247
email: [email protected]
POWIĄZANE STRONY WWW:
http://www.ichf.edu.pl/
Strona Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk.
http://www.ichf.edu.pl/press/
Serwis prasowy Instytutu Chemii Fizycznej PAN.
MATERIAŁY GRAFICZNE:
IChF111116b_fot01s.jpg
HR: http://ichf.edu.pl/press/2011/11/IChF111116b_fot01.jpg
Doktorant Jan Paczesny z Instytutu Chemii Fizycznej PAN prezentuje mechanizm fałdowania warstw ciekłokrystalicznych na
powierzchni wody odpowiedzialny za powstanie dziewięciowarstwy. (Źródło: IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski)