Meerstapsmechanisme van nanostructuurvorming in vloeibaar kristal

De meeste van onze dagelijkse goederen, zoals kunststoffen, legeringen en bewerkte voedingsmiddelen, worden geleverd als vaste stoffen, en ze worden vaak verwerkt door een gecontroleerd koelproces van een vloeibaar mengsel tot een vaste stof. Vloeibare kristallen, oplossingen, polymeren en biomaterialen vormen een grote verscheidenheid aan structurele patronen die voortkomen uit verschillen in de koelprocessen. Deze patronen bieden een diversiteit aan functies en kunnen de eigenschappen van vaste producten aanzienlijk beïnvloeden. Om deze reden is het belangrijk om te begrijpen hoe het koelproces verloopt en hoe het kan worden gecontroleerd in verschillende onderzoeksgebieden, zoals natuurkunde, biologie, materiaalkunde en engineering.

In veel gevallen wordt de vorming van een vaste stof in een koelproces in gang gezet met de vorming van nanostructuren, waarvoor de klassieke nucleatietheorie (CNT) een eenvoudige verklaring heeft gegeven. CNT kan echter geen enkele belangrijke fysische eigenschappen kwantitatief verklaren, zoals de snelheid van nanostructuurvorming. Moleculaire simulaties zijn veelbelovende middelen als technologie om microscopische bewegingen van individuele moleculen te observeren, het aantal nanostructuren te tellen en te kwantificeren hoe ze toenemen. Er zijn echter veel soorten nanostructuren die moeilijk waar te nemen zijn met alleen moleculaire simulaties, en er worden combinaties van moleculaire simulaties met andere geavanceerde technologieën overwogen om dit probleem te verhelpen. Het bestaan ​​van karakteristieke nanostructuren in vloeibare kristallen tijdens het koelproces is bijvoorbeeld voorspeld op basis van röntgenverstrooiingsexperimenten. De details van dergelijke nanostructuren konden echter niet worden onthuld door moleculaire simulaties alleen en zijn een open vraag gebleven. Het is dus zeer gewenst om computertechnologieën te ontwikkelen die nieuwe analysemethoden bieden voor de identificatie van nanostructuren met hoge nauwkeurigheid, waardoor het ontwerp van innovatieve materialen wordt vergemakkelijkt.

Een van de doelen van het “Ultra High-Throughput Design and Prototyping Technology for Ultra Advanced Materials Development Project” van de New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO) is het versnellen van de ontwikkeling van organische en polymere functionele materialen door de drie-eenheid van computationele wetenschap, procestechnologie en meettechnologie. Als onderdeel van dit project, Dr. Kazuaki Z. Takahashi, Senior Onderzoeker van het Research Center for Computational Design of Advanced Functional Materials (CD-FMat), National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), Dr. Takeshi Aoyagi, Hoofdonderzoeksmanager van CD-FMat, AIST, en Dr. Jun-ichi Fukuda, hoogleraar Natuurkunde, Faculteit Wetenschappen, Kyushu University, hebben technologieën ontwikkeld die gericht zijn op de controle van materiële structuren, met bijzondere aandacht voor nanostructurering als een uitgangspunt. Hun studie richt zich op het koelproces van vloeibare kristallen, typische organische en polymere functionele materialen.

Ze hebben een nieuwe analysemethode ontwikkeld die moleculaire simulatie en kunstmatige intelligentie (AI) combineert om het proces van de vorming van karakteristieke nanostructuren in uitgedoofde vloeibare kristallen te observeren. Ze ontdekten een proces van nanostructurering in drie stappen dat niet kan worden verklaard door de klassieke nucleatietheorie, en verduidelijkten ook het mechanisme ervan.

De onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in een Brits interdisciplinair wetenschappelijk tijdschrift Natuurcommunicatie op 6 september 2021.