액정(Liquid crystals)은 액체의 유동 특성과 결정질 고체의 광학적 특성이 결합된 놀라운 물질이다.

 

이런 특성으로 대부분의 컴퓨터 모니터, 텔레비전, 그리고 스마트폰의 화면으로 사용되고 있다.

 

최근 펜실베이니아 대학의 연구진은 디스플레이에서 발견되는 기존의 액정과는 달리 물속에서 용해되는 새로운 종류의 액정을 발견하였다.

 

이런 특성은 액정이 내부 패턴 변화가 특정한 단백질의 존재 또는 다른 생물학적 거대분자의 존재를 알려줄 수 있는 바이오메디컬 응용에 사용될 수 있는 잠재력을 가지고 있다는 것을 의미한다.

이들 연구진은 이런 액정을 물방울 안에 넣고 그 다음 기름 안에 위치시켜 에멀전을 생성시켰다. 물방울 안의 충분히 높은 농도에서, 액정은 광학 현미경으로 관측 가능한 꼬인 패턴을 나타냈다. 그러나 이보다 더 높은 농도에서, 액정은 더 특이한 거동을 보인다.

 

액정을 구성하는 분자는 결정 같은 구조로 정렬되는 기둥을 형성하도록 쌓이고 보통 구형 물방울에서 깎은 면이 있는 유체 보석으로 변환된다. 이 연구는 펜실베이니아 Arjun Yodh의 연구 그룹에 의해서 수행되었다. 이 연구를 주도하고 있는 Arjun Yodh 교수는 물질 구조 연구소를 이끌고 있으며 물리학과의 교수이기도 하다.

연구진은 그들의 장기적인 연구 목적은 이런 액정 시스템을 더 잘 이해하고 조절하여 새로운 물질 제작에 유용한 기능을 이용하는 것이다. 이런 종류의 액정 연구는 70년대 초기의 디스플레이 액정 연구와 비슷한 단계이다.

 

초기 디스플레이는 그들의 특성을 완전히 이해하기 전까지 제한적이었다. 이 연구에서 연구진이 연구하고 있는 액정의 종류는 유방성 다색체 액정(lyotropic chromonic liquid crystals, LCLC)이다. 이것들은 일반적으로 “황색 6”으로 알려진 유기 소금을 포함하고 있다. 이 물질은 오렌지 소다, 치즈맛 스낵 그리고 많은 다른 제품에서 널리 사용되고 있는 식품 염료이다.

물에 넣었을 때, 염료의 각 분자들은 포커칩처럼 쌓여 미세한 막대를 형성한다. 그다음 물방울을 포함하고 있는 액정은 계면 활성제와 같은 비누와 함께 기름 현탁액으로 혼합된다.

 

한쪽 끝이 물에 부착되고 다른 한쪽 끝은 물에 의해 밀려나, 계면 활성제 분자들은 일단 그것이 기름 안에 잠기면 물방울의 표면으로 움직인다. 이것은 물방울이 안정적인 구가 되는데 도움이 된다. 구의 형태는 표면 에너지를 최소화하기 위한 최적 모양이다.

일단 액체 방울이 오일 에멀전 안에 놓이면, 막대는 서로 상호작용하여 다른 종류의 정렬된 상을 형성한다. 디스플레이에서 발견되는 액정과는 달리, 이런 위상 또는 패턴은 유방성 다색체 액정에 의해서 형성되며 그들의 농도에 의존한다.

 

LCLC 농도를 변화시키기 위해서, 연구진은 액체 방울 안의 염료를 다른 농도로 시작하였으며 농도가 액체 방울에서 물이 확산될 때 더 증가할 수 있도록 허용하였다.

 

충분히 높은 수준의 농도에서, 막대는 충분히 근접하게 밀어져 서로 평행하게 정렬되기 시작하여 이른바 네마틱(nematic) 상이 형성된다. 네마틱 상태는 액정의 분자들이 모두 정렬된 상태이다. 이것은 액체 방울이 잘 정렬된 남북축을 향하여 정렬되게 한다. 이런 축 근처의 막대들은 평행하게 정렬된다.

이런 패턴은 액정이 가장 낮은 에너지 상태로 재정렬하고자 하는 경향에 의해 발생하는 것이다. 디스플레이에서 발견되는 액정처럼, 이런 상태는 외부 효과에 의해서 영향을 받을 수 있으며, 결과적인 거동은 여러 응용에 이용될 수 있다.

 

연구진은 이런 종류의 액정 시스템을 이해하기 위한 많은 연구가 수행되었다고 말하였다. 특히 분자가 완벽하게 정렬하고자 하는 자연적인 경향과 일부 제한 또는 외부 필드가 분자에 미치는 영향을 중점적으로 연구하였다고 연구진은 덧붙였다. 이 경우 제한은 액체 방울의 구 표면이다.

막대는 서로 평행하게 정렬하고자 하지만, 그것들은 또한 액체 방울의 경계와도 정렬하고자 한다. 이런 두 경향은 동시에 일어날 수는 없다. 따라서 막대는 변형을 하게 된다. 이 경우, 흥미롭게도 방울들은 이런 제한에 따라 비틀리게 된다.

 

이런 비틀림은 각 막대의 모양을 변화시키지 않고 일직선으로 유지되게 하지만, 서로에 대해서 막대의 방향은 다소 변한다. 디스플레이에서 발견되는 대부분의 오일-기반 액정은 두 개의 극을 가진 중심축을 형성하면서 이런 종류의 제한에 반응하지만, 축으로부터 벗어나면서 비틀리지는 않는다는 점에서 다르다.

 

이것은 디스플레이 액정과는 달리, 이런 LCLC로 하는 모든 것은 이런 비틀림을 고려해야만 한다는 것을 의미하는 것이라고 연구진은 말하였다.

이런 패턴은 액체 방울의 표면 특성에 의존하여, 이런 막대들의 비틀림은 표면에 부착된 외부 분자들에 의해서 영향을 받을 수 있으며 그것의 경계 조건을 변경시킨다. LCLC의 특성으로 이것들은 검출기로 개발될 수 있는 잠재력이 있다고 연구진은 말하였다.

 

그 이유는 분자 수준에서 작은 변이는 현미경으로 관측 가능한 액정 구조의 변화를 유도할 수 있기 때문이라고 연구진은 덧붙였다. 그러나 액체 방울의 농도가 더 증가하면서, 액정은 네마틱 상에서 원주형 상으로 밀집된 형태로 진화해간다.

 

이런 밀집된 형태는 막대가 비틀리는 것을 방지하여 그것들은 기둥 어레이로 정렬되어 경계에 평행되게 유지되며 액체 방울의 중심축을 돈다.

일단 원주형 상이 되면, 액정의 정렬된 내부 구조는 구가 더이상 액체 방울의 표면 에너지를 최소화하기 위한 최적의 형태가 되지 않는 환경을 만들어낸다. 이런 표면은 막대의 정렬된 집단으로 끌려 당겨지고 액체 방울의 외부는 기둥의 육각형 패킹 패턴에 따라 측면이 형성되기 시작한다.

 

연구진은 그들이 아는 한, 이것은 원주형 상에서 액정을 포함하기 위한 첫 에멀전 방울이라고 말하였다. 연구진은 보석같은 모양의 물방울을 이전에는 결코 관측한 적이 없었으며, 액체 방울의 표면이 진화해 가는 것을 관측하는 것은 매우 놀라운 일이었다고 덧붙였다.

 

이들의 연구 결과는 “Chiral symmetry breaking and surface faceting in chromonic liquid crystal droplets with giant elastic anisotropy”라는 제목으로 Proceedings of the National Academy of Sciences 저널에 발표되었다.

 

Liquid crystals are remarkable materials that combine the optical properties of crystalline solids with the flow properties of liquids, characteristics that come together to enable the displays found in most computer monitors, televisions and smartphones.

 

In a study published in the Proceedings of the National Academy of Sciences, researchers from the University of Pennsylvania and Swarthmore College describe new research into a type of liquid crystal that dissolves in water rather than avoids it as do the oily liquid crystals found in displays.

 

This property means that these liquid crystals hold potential for biomedical applications, where their changing internal patterns could signal the presence of specific proteins or other biological macromolecules.

 

The researchers placed these liquid crystals into water droplets, which in turn were placed in oil, producing an emulsion. At high enough concentrations within the droplets, the liquid crystals exhibit a twisting pattern visible under an optical microscope.

 

At even higher concentrations, however, the liquid crystals display an even more unusual behavior: their constituent molecules stack to form columns that organize into crystal-like structures and transform the normally spherical water droplets into faceted fluid gemstones.

 

The research was led by postdoctoral fellow Joonwoo Jeong and graduate student Zoey Davidson, both members of Arjun Yodh's research group at Penn. Yodh directs the Laboratory for Research on the Structure of Matter and is a professor in the Department of Physics and Astronomy in the School of Arts and Sciences.

 

Rounding out the collaboration are Tom Lubensky, also a professor in Penn's Department of Physics and Astronomy, and Peter Collings, a professor in the Department of Physics and Astronomy at Swarthmore.

 

"Our long range goal," Yodh said, "is to gain more understanding and control over this liquid crystal system in order to harness its abilities to make useful new materials. Research with this type of liquid crystal is at a stage similar to that of display liquid crystals in the early '70s. The first displays were limited until their properties were really understood."

 

The type of liquid crystals the researchers investigated in this study are lyotropic chromonic liquid crystals, or LCLCs. They contain organic salts commonly known as "Sunset Yellow" or "Yellow 6," a widely used food dye found in orange soda, cheese-flavored snacks and many other products.

 

When placed in water, individual molecules of the dye stack up like poker chips, forming microscopic rods. Then the liquid-crystal containing water drops are mixed into an oil suspension along with soap-like surfactants.

 

With one end attracted to water and the other end repelled by it, the surfactant molecules travel to the surface of the drop once it is immersed in oil. This helps stabilize the drop into a sphere, which is the optimal shape for minimizing surface energy

 

Once the droplets are in the oil emulsion, the rods interact with one another to form different kinds of aligned phases. Unlike the liquid crystals found in displays, the phases or patterns formed by lyotropic liquid crystals are dependent on their concentration.

 

To vary LCLC concentration, the researchers started with different concentrations of the dye molecules in the droplets and permitted the concentration to increase further as water diffused out of the droplets.

 

At a sufficiently high level of concentration, the rods are pushed close enough together that they begin to align parallel to one another, forming what is known as a "nematic" phase.

 

This gives the droplet a well-defined north-south axis running through its center. Rods near this axis line up in parallel, until they get to the two "poles" where the rods are not oriented with respect to one another.

 

This pattern results from the liquid crystal's tendency to rearrange itself into the "easiest," lowest-energy state. And, like the liquid crystals found in displays, this state can be influenced by external effects, and the resulting behavior may be harnessed for applications.

 

"A lot of the work that is done to understand these types of liquid crystal systems," Collings said, "is to put two competing influences on them, such as the molecules' natural tendency to line up perfectly versus some confinement or external field that says, 'We're not going to let you do that.'"

 

The confinement in this case is the spherical surface of the drop.

 

"The rods want to line up parallel to each other," Jeong said, "but they also want to line up with the boundary of the drop, and they can't do both at once. Thus the rods must undergo deformation. Interestingly, in this case, they twist to accommodate this confinement."

 

This twist does not change the shape of individual rods, which remain straight, but rather changes the rods' orientation relative to each other.

 

Looking at the droplet so that the rods are pointed vertically along its axis, this twist occurs along lines from the axis to the droplet's surface. Like clothespins clipped to those lines, individual rods can rotate out of their original vertical position, twisting an average of more than 90 degrees.

 

Most oil-based liquid crystals found in displays respond to this kind of confinement similarly in that they form a central axis with two poles, but differently in that they don't twist away from that axis.

 

"This means that, unlike with display liquid crystals, anything we do with these LCLCs must take this twist into account," Collings said.

 

These patterns depend on the drop's surface properties, so the twisting of the rods could be influenced by outside molecules that attach to the surface and change its boundary conditions.

 

"This property of the LCLCs affords them with potential to be a detector," Yodh said. "Small variations at the molecular level could induce changes in the liquid crystal structure that are viewable by microscopy."

 

As the concentration of the drops increases further, however, the liquid crystal evolves from the nematic phase to the "columnar" phase, in which the rods pack together like bundles of straws.

 

This packing prevents the rods from twisting, so they respond to the cue from the drop's surface by lining up into arrays of columns, keeping parallel to the boundary and circling the drop's central axis.

 

Once in the columnar phase, the ordered internal structure of the liquid crystal creates an environment such that a sphere is no longer the optimal shape for minimizing the drop's surface energy.

 

The surface is pulled in towards the ordered collection of rods, and the exterior of the drop begins to conform to the hexagonal packing pattern of the columns, forming facets.

 

"As far as we know, these are the first emulsion drops to contain liquid crystals in the columnar phase," Yodh said. "It is amazing to see the surface of the drop evolve. I have never seen a drop of water shaped like a gemstone!"