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.