vendredi 8 avril 2016

Les microsphères de silice dans les cristaux liquides

Les microsphères de silice dans les cristaux liquides offrent la possibilité de créer chaque concevable nœud.
Knots peuvent maintenant être attachés systématiquement dans le monde microscopique. Une équipe de scientifiques dirigée par Uroš Tkalec de l'Institut Jožef Stefan à Ljubljana (Slovénie), qui a travaillé à l'Institut Max Planck de dynamique et d'auto-organisation à Göttingen (Allemagne) depuis Septembre 2010, a maintenant trouvé un moyen de créer chaque nœud imaginable dans un cristal liquide. Les points de départ de la nouvelle méthode sont des microsphères de silice minuscules confinés dans des couches minces de cristaux liquides. Autour de ces microsphères, un réseau de lignes fines est formé là où l'orientation moléculaire du cristal liquide est modifié. Les chercheurs ont découvert une méthode pour tordre et relier ces lignes de manière à créer chaque nœud imaginables.
Knots sont omniprésents: Nous les rencontrons dans les matériaux tissés, dans les nœuds de nombreux marins, et des câbles électriques constamment enchevêtrés et les rallonges. Lors de la mise sur leurs chaussures, même les petits enfants apprennent à maîtriser leurs premiers nœuds - longtemps avant de pouvoir lire et écrire. Même notre ADN peut être complicatedly noué. D'un point de vue mathématique, les nœuds qui semblent complètement différent à première vue peuvent appartenir à la même classe. Le critère essentiel est que un nœud peut être transformé en un autre au moyen de simples déformations. L'exemple le plus simple est une bande de caoutchouc. parlant topologiquement, toutes les formes que vous pouvez créer à partir sans couper ouvert la boucle et se joindre à nouveau ensemble est équivalent à la bande de caoutchouc initial. Un nœud complètement différent, par exemple, est le nœud de trèfle (voir figure 1). Ce nœud ne peut pas facilement être lié d'une bande de caoutchouc intact. En outre, plusieurs boucles emboîtées peuvent représenter des structures plus complexes.
En dépit de ce système mathématique bien rangé organiser le fouillis général de nœuds, une question demeure: chaque nœud concevable peut-il être mis en œuvre dans un système microscopique, physique? Dans son étude la plus récente Uroš Tkalec a trouvé un tel système, dans lequel des nœuds complexes peuvent être créés de manière ciblée: les microsphères de silice au sein d'une épaisse couche de cristaux légèrement liquides nématiques confinée entre deux plaques de verre. Ces cristaux liquides constituent également la base des écrans LCD ordinaires.
"Les plaques de verre ont été traitées de manière à forcer les molécules cristallines liquides pour aligner parallèlement à la surface», explique Tkalec. Une microsphère de silice unique entrant dans la couche change l'alignement entourant sensiblement: autour de la sphère forme une région en forme d'anneau dans lequel aucune direction préférentielle ne peut être discernée. Les scientifiques se réfèrent à de telles perturbations dans l'ordre moléculaire sous forme de lignes de défauts. Etant donné que l'anneau de défaut entourant une microsphère réfléchit la lumière différente de celle du reste du cristal liquide, il peut être facilement détectée. "Il semble que chaque microsphère était entouré par sa propre bague - semblable à la planète Saturne", explique Tkalec (voir la figure 2, à gauche). Les anneaux de Saturne ceux-ci sont orientés perpendiculairement à l'orientation moyenne des molécules entre les plaques de verre. Si plusieurs microsphères sont confinées à ces couches nématiques minces, ils peuvent être déplacés ensemble et disposées en lignes à l'aide d'un laser, de façon similaire en utilisant une paire de pinces à épiler. Les anneaux puis se rejoignent pour former plus complexes, des lignes enchevêtrées entourant les sphères alignées.
"Toutefois, dans ces rangées de sphères sans nœuds peuvent être assemblés", dit Tkalec. Créant des nœuds nécessite des anneaux de défauts de microsphères voisins pour pouvoir joindre les uns aux autres dans deux directions. Pour y parvenir, les scientifiques ont utilisé un "truc": si la plaque supérieure de confinement de la couche de cristaux liquides est tourné de 90 degrés, l'alignement des molécules est modifiée. Tandis que les molécules plus faibles indiquent toujours dans le même sens que précédemment, les supérieurs sont également mis en rotation de 90 degrés. Entre-temps, la transition est graduelle. Les scientifiques se réfèrent à ce qu'un cristal liquide nématique torsadé ou chirale. "Dans ce dispositif expérimental, les anneaux de défauts entourant les sphères sont légèrement bouclées - comme une roue voilée d'une bicyclette", dit Tkalec (voir la figure 2, à droite). Les anneaux de sphères voisines peuvent donc traverser et lien: une exigence cruciale pour la création de nœuds.
Dans une étape essentielle, les chercheurs ont découvert une façon de manipuler les régions entre les sphères en rejoignant et en séparant les anneaux voisins. Tout d'abord, on chauffait la région entre les sphères avec un laser. Cela détruit la caractéristique d'alignement des molécules. Après avoir éteint le laser, l'alignement est rétablie - mais souvent d'une manière différente qu'auparavant. Ainsi, il est possible de joindre des anneaux qui contournés entre eux avant ou reconnecter les anneaux d'une manière différente.
Mais les chercheurs ont non seulement prouvé tour de main dans la manipulation expérimentale des microsphères et des lasers. Dans la partie théorique de leur étude, ils ont montré que pour chaque nœud concevable un nœud mathématiquement équivalent peut être trouvé qui peut être mis en œuvre dans ce sens. "Avec l'aide de microsphères dans un cristal liquide nématique chiral, nous pouvons créer pratiquement tous les nœuds que vous pouvez imaginer", dit Tkalec.
Les chercheurs espèrent maintenant que ces résultats aideront à mieux comprendre le nouage complexe de l'ADN. "Le nouage des molécules d'ADN, par exemple, joue un rôle important dans de nombreux processus vitaux tels que la réplication ou la transcription de l'ADN", dit Uroš Tkalec. En outre, la stratégie peut stimuler l'assemblage de circuits optiques reconfigurables dans des matériaux souples qui guideraient une lumière dans les applications photoniques futurs.