Highly organized smectic-like packing in vapor-deposited glasses of a liquid crystal
I vetri dell'itraconazolo a deposizione da vapore esibiscono strutture di tipo smectico altamente organizzate e sintonizzabili che superano i film ricotti termicamente per ordine strutturale, un fenomeno guidato dal moto molecolare potenziato dalla superficie e dall'orientamento indipendente dall'ancoraggio al substrato.
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Immaginate di cercare di costruire una casa dove ogni mattone debba essere perfettamente allineato per permettere all'elettricità di scorrere fluidamente, o dove la luce debba rimbalzare sulle superfici in una direzione specifica per creare un'immagine luminosa e nitida. Nel mondo dell'elettronica moderna, i materiali utilizzati per realizzare questi dispositivi sono spesso composti da piccole molecole. Se queste molecole sono disordinate, il dispositivo funziona male. Se sono allineate ordinatamente, il dispositivo funziona molto meglio. Gli scienziati sanno da tempo che alcune molecole tendono naturalmente ad allinearsi in strati, proprio come fogli di carta, quando si trovano in uno stato liquido. Questo è chiamato stato di cristallo liquido. Di solito, per far sì che queste molecole rimangano in una disposizione ordinata una volta indurite in un solido, i ricercatori le riscaldano finché non fluiscono, le allineano e poi le raffreddano rapidamente. Tuttavia, questo metodo tradizionale ha dei limiti; la disposizione finale è spesso un compromesso tra come le molecole vogliono comportarsi e come la superficie su cui poggiano le costringe a comportarsi.
Un team di ricercatori ha scoperto un modo diverso di disporre questi fogli molecolari che supera queste limitazioni. Utilizzando una tecnica chiamata deposizione fisica da vapore, simile al modo in cui un fiocco di neve si forma mentre il vapore acqueo congela nell'aria, sono stati in grado di creare film solidi in cui le molecole sono organizzate in modo molto più perfetto che mai. Hanno studiato una specifica molecola utilizzata in medicina, nota come itraconazolo, che ha una naturale tendenza a formare queste strutture stratificate. I ricercatori hanno scoperto che, controllando attentamente la temperatura della superficie su cui stavano depositando le molecole, potevano non solo creare questi strati altamente ordinati, ma anche regolare la distanza tra di essi. La cosa più sorprendente è stata che questo metodo poteva produrre un solido più perfettamente allineato rispetto al metodo tradizionale, anche quando al metodo tradizionale veniva concesso un intero periodo di una settimana per assestarsi.
I ricercatori hanno iniziato trasformando le molecole di itraconazolo in un vapore all'interno di una camera a vuoto. Successivamente, hanno lasciato che questo vapore si depositasse su una superficie di silicio, in modo simile a come la polvere si deposita su un tavolo, ma con un controllo preciso sulla velocità con cui le molecole arrivavano e su quanto fosse calda la base. La variabile chiave era la temperatura della superficie, che hanno regolato da leggermente al di sotto a leggermente al di sopra del punto in cui il materiale passa dallo stato di vetro solido a quello liquido. Quando hanno depositato le molecole su una superficie abbastanza calda da essere vicina allo stato liquido, le molecole avevano energia sufficiente per muoversi e trovare la loro posizione più confortevole e ordinata mentre atterravano. Si sono naturalmente formate strati piatti e impilati, con le lunghe molecole che stavano dritte, perpendicolari alla superficie.
Ciò che ha reso questa scoperta straordinaria è stato il grado di ordine raggiunto. Quando i ricercatori hanno confrontato questi nuovi film con quelli realizzati con il vecchio metodo — in cui un liquido viene raffreddato e poi riscaldato di nuovo per lasciare che le molecole si riorganizzino — i film depositati da vapore si sono rivelati di gran lunga superiori. Il metodo tradizionale produceva un materiale in cui gli strati erano in parte disordinati, con alcune molecole distese e altre in piedi, creando una struttura confusa. Al contrario, i film depositati da vapore mostravano un allineamento cristallino uniforme attraverso l'intero spessore del materiale. Le molecole stavano tutte nella stessa direzione, creando una perfetta pila di fogli. Questo accadeva nonostante i film depositati da vapore fossero stati creati in poche ore, mentre i campioni tradizionali avevano avuto sette giorni per assestarsi.
I ricercatori hanno anche scoperto che potevano cambiare la spaziatura tra questi strati molecolari semplicemente cambiando la temperatura della superficie durante la deposizione. Quando hanno depositato le molecole su una superficie leggermente più fredda, gli strati sono diventati più stretti, riducendo la distanza tra di essi fino al sedici per cento. Questo è significativo perché significa che gli scienziati possono ora progettare materiali con una spaziatura interna specifica senza dover cambiare la composizione chimica della molecola stessa. È come essere in grado di regolare l'altezza dei pioli di una scala semplicemente cambiando il modo in cui la si scala, invece di costruire una nuova scala.
Forse la scoperta più sorprendente è stata che la superficie su cui le molecole atterravano non importava. Nel metodo tradizionale, il materiale spesso rimane bloccato in una disposizione disordinata perché cerca di soddisfare le preferenze sia della superficie inferiore che di quella superiore, che spesso vogliono cose opposte. La superficie inferiore potrebbe voler che le molecole giacciano piatte, mentre la superficie superiore potrebbe volerle in piedi. I ricercatori hanno scoperto che, con la deposizione da vapore, le molecole erano così mobili proprio alla superficie superiore del film in crescita che potevano ignorare completamente la superficie inferiore. Si sono semplicemente disposte secondo ciò che volevano fare in cima, e questo ordine perfetto è stato bloccato man mano che venivano aggiunti altri strati. Ciò significa che la struttura finale è determinata dalla natura stessa delle molecole e dalla temperatura dell'aria in cui atterrano, non dal materiale sottostante.
Questo lavoro suggerisce una nuova strada per la creazione di materiali avanzati per l'elettronica e i dispositivi basati sulla luce. Utilizzando la deposizione da vapore, gli ingegneri possono creare film solidi più lisci, uniformi e organizzati di quanto sia possibile con i metodi di riscaldamento standard. Possono produrre materiali in cui le molecole sono perfettamente allineate per trasportare elettricità o luce in una direzione specifica, e possono perfezionare la struttura interna di questi materiali semplicemente regolando la temperatura durante il processo di produzione. Lo studio conferma che lasciando che le molecole si costruiscano da sole strato dopo strato in un ambiente controllato, possiamo raggiungere un livello di ordine che la natura, o la produzione tradizionale, solitamente non può fornire. Ciò apre la porta alla creazione di celle solari più efficienti, schermi più luminosi e computer più veloci, tutti costruiti partendo da materiali perfettamente disposti a livello molecolare.
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