.svg){kind=small}
Fizika mehkih snovi, površin in nanostruktur
- Raziskovalni program
- Člani
- Oprema skupine
Vodja: izr. prof. dr. Miha Ravnik
Šifra: P1-0099
Trajanje: 1. 1. 2022–31. 12. 2027
Predhodna obdobja: 1. 1. 2004–31. 12. 2008, 1. 1. 2009–31.12. 2014 in 1. 1. 2015–31. 12. 2021; vodja: prof. dr. Slobodan Žumer
Raziskovalni program Fizika mehkih snovi, površin in nanostruktur povezuje
Odsek F5 na IJS
in
Oddelek za fiziko UL FMF
Fizika mehke in delno urejene snovi (Miha Ravnik) – raziskovalna skupina za teorijo in simulacije.
Raziskave programa Fizika mehkih snovi, površin in nanostruktur so usmerjene v fiziko novih kompleksnih sistemov, ki vključujejo mehke in biološke snovi, površiske strukture in nanostrukture. Med njimi so ograjeni tekoči kristali, nematski koloidi, tekočekristalni elastomeri, aktivni sistemi, biološke celice in makromolekule, molekularni motorji, mehki fotonski kristali in metamateriali ter umetno sintetizirane ali spontano samourejene mikro- in nano-strukture. Cilj programa je razumeti strukturo, topologijo in dinamiko teh snovi in sestavov ter odvisno od sistema njihove optične, električne, mehanske ali biološke lastnosti ter procese samoorganiziranja na makro, mikro in nano skali, kot tudi na molekularnem in atomskem nivoju. Poseben poudarek je tudi na možnosti uporabe v optiki, fotoniki, senzoriki, medicini itd. Raziskovalni program združuje eksperimentalne in teoretske raziskave, podprte z modeliranjem in simulacijami.
| Ime in priimek | Vloga | Laboratorij | Št. sobe |
|---|---|---|---|
| Miha Ravnik | Vodja | ||
| Abdur Anwar Rehman | Raziskovalec | ||
| Andraž Gnidovec* | Mladi raziskovalec | ||
| Urška Gazdag | Tehnica | ||
| Filipič Gregor | Raziskovalec | ||
| Abdelrahim Ibrahim Hassanien | Raziskovalec | ||
| Matjaž Humar | Raziskovalec | Atomic Force and Soft Matter Laboratory | 119 |
| Uroš Jagodič | Raziskovalec | ||
| Venkata Subba Rao Jampani | Raziskovalec | ||
| Janez Jelenc | Tehnik | ||
| Aljaž Kavčič | Raziskovalec | ||
| Zala Korenjak | Mlada raziskovalka | ||
| Žiga Kos | Raziskovalec | ||
| Nika Kralj* | Mlada raziskovalka | ||
| Samo Kralj | Raziskovalec | ||
| Krišelj Ana | Tehnica | ||
| Ivan Kvasić | Tehnik | Atomic Force and Soft Matter Laboratory | B003 |
| Matjaž Malok | Mladi raziskovalec | ||
| Matevž Marinčič | Raziskovalec | ||
| Silvano Mendizza | Tehnik | LC laboratory | B003 |
| Janja Milivojević | Tehnica | ||
| Jaka Močivnik | Tehnik | ||
| Maruša Mur | Raziskovalka | ||
| Urban Mur* | Raziskovalec | ||
| Igor Muševič | Raziskovalec | Atomic Force and Soft Matter Laboratory | 107 |
| Mimoza Naseska | Raziskovalka | ||
| Andriy Nych | Raziskovalec | ||
| Arkalekha Neogi | Mlada raziskovalka | ||
| Andrej Petelin | Raziskovalec | ||
| Luka Pirker | Raziskovalec | ||
| Gregor Pirnat | Mladi raziskovalec | ||
| Jaka Pišljar | Raziskovalec | ||
| Rok Podlipec | Raziskovalec | ||
| Anja Krajnc Pogačnik | Mlada raziskovalka | ||
| Maja Remškar | Raziskovalka | Synthesis of Inorganic Nanotubes and Ropes | 120 |
| Peter Ropač | Raziskovalec | ||
| Anna Ryzhkova | Raziskovalka | ||
| Linsy Jane Selvin Robert | Mlada raziskovalka | ||
| Suhail Laiba | Tehnica | ||
| Gregor Skačej* | Raziskovalec | ||
| Miha Škarabot | Raziskovalec | Atomic Force and Soft Matter Laboratory | 12 |
| Tkalec Uroš | Raziskovalec | ||
| Herman Josef Petrus van Midden | Raziskovalec | ||
| Marion Antonia van Midden Mavrič | Raziskovalka | ||
| Mahendran Vellaichamy | Raziskovalec | ||
| Andrej Vilfan | Raziskovalec | Modeling and theory group | C109 |
| Bojana Višić | Raziskovalka | ||
| Jaka Zaplotnik | Tehnik | ||
| Maha Zid | Mlada raziskovalka | ||
| Erik Zupanič | Raziskovalec | Electron and Scanning Tunneling Microscopy | 124 |
| Slobodan Žumer | Raziskovalec | ||
| *Ni član/ica F5. |
- Laserska pinceta Aresis z Nikon TE2000 mikroskopom
- Mikroskop na atomsko silo Nanoscope IIIa, Digital Instruments
- Mikroskop na atomsko silo, Scientific Park Instruments, Autoprobe CP
- Polarizacijski optični mikroskop, Nikon Eclipse E600
- Računalniška gruča ASGARD
- Računalniška gruča OLIMP
- Računalniška gruča VALHALA
- Tankoplastni difraktometer Huber (dotrajan)
- Transmisijski elektronski mikroskop Philips 301 (dotrajan)
- Dvofotonski 3D STED superločljivi mikroskop
Pomembnejši raziskovalni dosežki
- 2021
- 2020
- 2019
- 2018
- 2017
- 2016
- 2015
Laserji za generacijo strukturirane svetlobe narejeni iz tekočekristalnih superstruktur
Tekoči kristali tvorijo izjemno bogat nabor topoloških struktur, ki imajo naravno ali umetno tvorjene topološke defekte. Tekoče kristale so sicer že doslej uporabljali znotraj laserskih resonatorjev, vendar so bile za ta namen v uporabi le relativno enostavne tekočekristalne strukture. V naši študiji smo eksperimentalno in teoretično pokazali kako je svetloba sklopljena s kompleksnimi tekočekristalnimi strukturami znotraj laserskega resonatorja. To omogoča generiranje ne trivialne oblike intenzitete in polarizacije izhajajočega strukturiranega laserskega žarka. Predlagan laser narejen iz mehke snovi odpira novo raziskovalno smer na področju mehke fotonike. Raziskave so tekle v sodelovanju s Fakulteto za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani in so bile objavljene v reviji National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS 2021, DOI: 10.1073/pnas.2110839118).
Slika 1. Optična postavitev uporabljena v eksperimentih (zgoraj) in nekaj primerov eksperimentalno generiranih in simuliranih vektorskih laserskih snopov (spodaj).
Eksperimentalni in simulacijski vpogledi v sklopitev svetlobe s kompleksnimi tekočo-kristalnimi topološkimi strukturami znotraj laserske votline, ki omogočajo ustvarjanje netrivialne strukturirane svetlobe za uporabo v fotoniki mehkih snovi.
Samooblikovane tekočekristalne emulzije
Predstavili smo splošen koncept preoblikovanja tekočekristalnih (TK) kapljic suspendiranih v vodnih raztopinah površinsko aktivnih snovi (surfaktantov). Uporabili smo anionski surfaktant v TK kapljicah in kationski surfaktant v vodnem okolju, pri čemer smo z nižanjem temperature in kontrolo površinske napetosti dosegli kontrolirano reverzibilno rast tekočekristalnih mikrovlaken iz posameznih kapljic. Domnevamo, je pojav samooblikovnja posledica migracije surfaktanta na mejno plast TK in vode in tvorbe temperaturno občutljive aktivne plasti. Rast mikrovlaken torej povzroča efektivno negativna površinska napetost. Pri prehodu v smektično A fazo se vlakna preoblikujejo v monodisperzne kapljice, katerih velikost določa hitrost ohlajanja. Uporaba pojava v smektični C fazi pa odpira možnost tvorbe vijačnih vlaken, medtem ko v smektični A fazi pričakujemo lupinaste strukture, analogne biomembranam v živih sistemih. Razvili smo tudi teoretični model, ki napove reverzibilno spremembo TK kapljic v monodisperzna mikrovlakna. Raziskava, ki je tekla v sodelovanju z raziskovalci v Gottingenu, San Diegu, Tokyu in Luxembourgu, je bila objavljena v PNAS 2021, DOI: 10.1073/pnas.2011174118.
Slika 2: Nematska kapljica se preoblikuje v mikrovlakna.
Avtorji so uspeli uravnavati površinsko napetosti z uporabo anionskih surfaktantov v tekoče kristalnih kapljicah razpršenih v vodnem topilu s kationskim surfaktantom. Tvorba temperaturno odvisnega sloja obeh površinsko aktivnih snovi lahko privede do negativne površinske napetosti, ki omogoča spontano povečanje medfazne površine in reverzibilno samooblikovanje.
Ionsko nabiti topološki defekti v nematskih tekočinah
Zmožnost prostorskega nadzorovanja električnega naboja je pomembna na področjih, od nabitih polimerov, bioloških in aktivnih snovi pa do koloidnih materialov, kompleksnih tekočin in mikroelektronike. Avtorja sta s teorijsko-simulacijskimi pristopi pokazala, da lahko topološki defekti v nematskih elektrolitih delujejo kot območja za lokalno ločevanje električnega naboja, pri čemer se tvorijo električno nabita defektna jedra in v izbranih geometrijah tudi t.i. električni več-sloji, kar je posplošitev električnih dvojnih slojev v izotropnih elektrolitih. Posebej sta pokazala, da se ioni zelo učinkovito sklapljajo z defektnimi jedri preko ionske topnosti, z okoliškim orientacijskim ureditvenim poljem pa preko mehanizma fleksoelektričnosti. Dosežek prispeva k razumevanju elektrostatskih mehanizmov v topološki mehki snovi, hkrati pa je tudi prvi korak k razumevanju podobnih pojavov v bioloških sistemih, ki imajo precej bolj zapleteno strukturo in sestavo. Raziskava, ki je tekla v sodelovanju s Fakulteto za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani (Physical Review X 2021, DOI:10.1103/PhysRevX.11.011054), je bila prepoznana kot eden od najvidnejših raziskovalnih dosežkov preteklega leta Javne agencije za raziskovalno dejavnost Republike Slovenije v okviru programa Odlični v znanosti 2021.
Slika 3: Ionsko nabiti topološki defekti v nematskih tekočinah.
Teoretično-simulacijski pristop pokaže, da topološki defekti v nematskih elektrolitih delujejo kot območja za lokalno ločevanje električnega naboja. Tvorijo se električno nabita jedra defektov in v izbranih geometrijah tudi električne večplastne plasti. Anizotropno elektrostatično senčenje nabitih koloidnih delcev v nematskem elektrolitu ključno vpliva na efektivne koloidne interakcije.
Anizotropno elektrostatsko senčenje nabitih koloidov v nematnih tekočinah
Fizikalno obnašanje anizotropnih nabitih koloidov v kompleksnih tekočinah je določeno z njihovo materialno dielektrično anizotropijo. Skupaj z eksperimentalno skupino z Univerze v Boulderju in raziskovalci z UL FMF je uspelo pokazati anizotropno elektrostatsko senčenje nabitih koloidnih delcev v nematskem elektrolitu. Elektrostatski potencial in parske interakcije pokažeta upadajo z anizotropno Debyevo dolžino senčenja, drugače kot v izotropnih elektrolitih, kjer je senčitvena dolžina konstantna. Koloidni delci kompleksne oblike v nematskem mediju se uporabljajo kot eksperimentalni modelski sistem in pokažejo kompetitivnost anizotropnih elastičnih in elektrostatskih parskih interakcij za različne koloidne površinske naboje, od nevtralnih do visokih, kar nadalje vodi do metastabilnih delčnih stanj. Delo prispeva k razumevanju elektrostatskega senčenja v nematskih anizotropnih medijih.
Slika 4: Anizotropno elektrostatsko senčenje nabitih koloidov v nematnih tekočinah.
Whispering gallery mode senzorji za biološke in fizikalne meritve
V preglednem članku objavljenem v reviji Nature Reviews Methods Primers v sodelovanju z raziskovalci Uvirz v Exeterju, Michiganu in Okinavi predstavljamo »whispering gallery mode« resonatorje v različnih geometrijah, kot na primer v mikro sferah, mikro toroidih, mikro kapilarah in mikro obročih. Whispering gallery mode resonatorje si lahko predstavljamo kot majhne interferometre, ki s pomočjo večkratnega prehoda svetlobe skozi njih, omogočajo zelo natančne meritve na mikro in nano skali, vključno z zaznavanjem posameznih molekul in ionov. V članku pišemo o različnih senzoričnih mehanizmih, kot je na primer razcepitev in premik optičnih načinov, ter s pomočjo optomehanskih in optoplazmonskih efektov. Pregled uporabe senzorjev in eksperimentalnih rezultatov zajema in vivo senzoriko, zaznavanje posameznih molekul, žiroskope in kvantno elektrodinamiko v mikroresonatorjih (Nature Rev. Methods Primers 2021, DOI: 10.1038/s43586-021-00079-2).
Slika 5. Princip delovanja optičnega mikroresonatorja in senzorike na podlagi vezave različnih molekul.
Podrobna simulacija nematsko-izotropnega prehoda v okviru modela Lebwohl–Lasher*
Izvedli smo študijo nematično-izotropnega (NI) prehoda v okviru modela z Lebwohl-Lasherjevo mrežo s 200 × 200 × 200 delci, kar precej presega pretekle študije. Obsežne Monte Carlo (MC) simulacije so bile izvedene po standardnem Metropolisovem pristopu, pa tudi po algoritmih Wolffa. Med izotropno in nematično fazo smo zaznali opazno prosto energijsko bariero, ki je vodila do dolgoživih metastabilnih stanj in histereze. Pridobili smo izboljšano oceno temperature nematsko-izotropnega prehoda TNI, temperatur podhladitve in pregretja ter temperature divergence predtranzicijskih efektov T*C. Analizirali smo tudi porazdelitve velikosti urejenih domen nad TNI, kar prispeva k boljšemu razumevanju ključnega faznega prehoda za tekoče kristale (Philosophical Transactions, Math. Phys. Eng. Sciences 2021, DOI: 10.1098/rsta.2020.0117).
Slika 6: Predprehodno urejanje: grobozrnati posnetki pri (a) T∗=1,1222 (podhlajena izotropna faza) in (b) T*=1,1500 (globoko v izotropni fazi v 40 a debeli vzorčni rezini, ki prikazuje domene katerih direktor n je poravnan približno vzdolž z-osi, tj. P2(n · iz)) > 0,85. (Rdeča, zelena in modra barva ustrezajo poravnavi vzdolž ix, iy in iz,. Primer (a) ima večje in bolj zapletene domene (skoraj perkolacijske) kot primer (b).
Podvojitveno-frekvenčno vodene nematske mikrostrukture ograjene v porozne polimerne membrane
V članku poročamo o ureditvi in elektro-optičnem odzivu v podvojitveno-frekvenčnem tekočem kristalu (PFTK) ograjenem v porozne polimerne membrane (PPM). Značilnost PFTK je pozitivna/negativna dielektrična anizotropija v nizko/visoko frekvenčnem električnem polju. S slednjimi polji smo v PPM-PFTK kompozitih spreminjali nematično strukturo. Pokazali smo, da nizko/visoko frekvenčno področje zaduši/ojača infrardečo komponento elektro-magnetnega valovanja, ki potuje skozi kompozitne sisteme. Predstavili smo tudi možnosti uporabe v fotonskih aplikacijah. Študija je potekala v sodelovanju z raziskovalci iz Moskve (Applied physics letters 2021, DOI: 10.1063/5.0069056.)
Slika 7: Mikroskopska slika nematika v porozni polimerni membrani.
Predhodni pojavi faznega prehoda med tekočo in plastično kristalno fazo
V članku predstavljamo predhodne pojave faznega prehoda med izotropno in plastično kristalno fazo opažene v linearnem in nelinearnem dielektričnem odzivu. Meritve smo izvedli v izjemno širokem temperaturnem intervalu: 120 K < T < 345 K. Zaznani predhodni pojave do sedaj še niso bili eksperimentalno opaženi. V delu primerjamo izmerjene predhodne pojave z analognimi odzivi v klasičnem tekočem kristalu 8OCB, kjer z nižanjem temperature dosežemo zaporedje faznih prehodov v orientacijsko in translacijsko urejeno fazo. V 8OCB smo med drugim kot prvi zaznali temperaturno-vodeni prehod med režimoma kvalitativno različnih fluktuacij. Razvili smo minimalni mezoskopski model opisa ključnih faznih prehodov v plastičnih kristalih. Raziskav je tekla v sodelovanju z raziskovalci iz Warsave. (Molecules 2021, DOI: 10.3390/molecules26020429.
Slika 8: Dielektrični odziv v odvisnosti od temperature.
So-rotirajoči topološki defekti v nematičnem tekočem kristalu
Preučevali smo dinamično obnašanje para m = ½ nematičnih dislokacij, ki smo jih nukleirali s površinsko vsiljeno m = 1 defektno strukturo. V eksperimentalni raziskavi smo določili kvalitativno različne dinamične režime disklinacij v tekočem kristalu z negativno električno anizotropijo pri spreminjanju amplitude in frekvence zunanjega električnega polja. Disklinacije so bodisi rotirale ali pa oscilirale glede na referenčno konfiguracijo. Določili smo fazni prostor dinamičnega obnašanja v odvisnosti od amplitude in frekvence. Slednji diagram nakazuje, da pojav generirajo hidrodinamske nestabilnosti sklopljene z Lehmanovim pojavom. Študija je tekla v sodelovanju z raziskovalci iz Clevelanda. (Soft Matter 2021, DOI: 10.1039/D1SM01124C)
Slika 9: Topološko vsiljeni disklinacije.
Urejanje kvadrupolov na krogli
Na ukrivljenih površinah se interagirajoči gradniki običajno ne morejo urejati na enak način kot v evklidski ravnini. Če je interakcija anizotropna, pomembno vlogo igra tudi orientacijski red. Pokažemo, da če gradnike, ki na interagirajo daljnosežno kot elektrostatski kvadrupoli, postavimo v urejeno rešetko na površini krogle, ima lahko v najnižjem energijskem stanju orientacijski red nižjo simetrijo kot pozicijski red. Urejenost smo raziskali na Caspar-Klugovih rešetkah, ki imajo v osnovi ikozaedrično simetrijo. Simetrija dobljenih struktur je bila močno odvisna od pozicije gradnikov v osnovni celici, znatno spremembo urejanja pa povzroči tudi omejitev naklonskega kota kvadrupolov izven ravnine. To nakazuje, da sprememba kvadrupolnih momentov gradnikov lahko sproži simetrijske prehode sferičnih sestavov, kar je relevantno v biofiziki in sintetičnih sferičnih strukturah. Raziskava je potekala v okviru Fakultete za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani (Soft Matter 2021, DOI: 10.1039/d1sm00228g).
Slika 10: Urejanje kvadrupolov na krogli v odvisnosti njihove od gostote.
Hiperuniformnost kot ureditveni parameter sferičnih struktur
Na primerih razporeditev enoznačno nabitih delcev, ter delcev, ki interagirajo preko mehkega odbojnega potenciala GEM-4, obeh pri končni temperaturi, raziščemo učinek prostih parametrov — temperature, števila delcev in dosega potenciala, na urejanje. Ureditev kvantificiramo s pomočjo hiperuniformnostnih parametrov, ki se izkažejo za dobre pokazatelje ureditvenih faznih prehodov. Raziskava je potekala v sodelovanju med Fakulteto za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani, oddelkom F1 na Inštitutu Jožef Stefan ter Tržaškim inštitutom SISA (Phys. Fluids 2021, DOI: 10.1063/5.0049089).
Slika 11: Ansambelska povprečja sferičnega strukturnega faktorja za tri različne dosege GEM-4 potenciala. Desno so prikazi izbranih distribucij delcev in pripadajoče Voronoieve teselacije sfere za tri dosege potenciala uporabljene na levi strani.
Teorem minimalne disipacije za mikroplavalce
Biološki ali umetni mikroplavalci se premikajo skozi tekočino pri nizkem Reynoldsovem število tako da periodično spreminjajo svojo obliko, ali pa proizvedejo efektivno drsno hitrost na svoji površini. V tem članku smo izpeljali teorem minimalne disipacije za mikroplavalce. Ta nam pove spodnjo mejo moči, ki jo za gibanje potrebuje mikroplavalec, in sicer izraženo s koeficienti hidrodinamskega upora dveh pasivnih teles enake oblike: enega z robnim pogojem brez zdrsa in enega z robnim pogojem popolnega zdrsa. Teorem velja za plavalce poljubne oblike, ki se gibljejo s katerokoli translacijsko ali kotno hitrostjo. Dokaz teorema temelji na posplošitvi Helmholtzevega teorema o minimalni disipaciji, principa linearne superpozicije ter Lorentzevega recipročnega teorema. Pokazali smo tudi, da ima optimalen mikroplavalec hitrostni profil, ki ustreza pasivnemu toku okoli telesa s popolnim zdrsom (npr. zračnega mehurčka), ter porazdelitev tangencialnih sil ki ustreza telesu brez zdrsa. Tako smo navidezno kompleksen optimizacijski problem zreducirali na izračun dveh pasivnih koeficientov upora. Delo je v potekav večji meri v Göttingenu (Phys. Rev. Lett. 2021, DOI: 10.1103/PhysRevLett.126.034503).
Slika 12: Optimalnega aktivnega mikroplavalca lahko predstavimo kot linearno superpozicijo tokov okoli teles z robnim pogojem idealnega zdrsa ter brez zdrsa (prikazano za krogelno obliko).
Izpeljali smo izrek o minimalni disipaciji za mikroplavalce in pokazali, da ima optimalni plavalec profil hitrosti popolno drsečega telesa in tangencialni smeri popolnoma nedrsečega telesa.
Ciliary chemosensitivity is enhanced by cilium geometry and motility
Primarne migetalke, ki so običajno negibne, imajo predvsem senzorične funkcije in delujejo kot receptorji za kemične ali mehanske signale. Vendar pa je vse več indicev, da senzorične funkcije niso omejene na negibne migetalke in da lahko gibljive migetalke vsebujejo tudi kemoreceptorje. Ta odkritja vodijo do vprašanja, ali lokacija kemičnih receptorjev na migetalki sama po sebi predstavlja prednost pri občutljivosti zaznavanja. Zato smo proučili hitrosti, s katerimi se signalni delci ujemajo na model migetalke, vsidrane v ravno površino. Pokazali smo, da celo v mirujoči tekočini senzorji na migetalki dosežejo enako občutljivost kot senzorji na ravni ploskvi pri 4x večji površini. V prisotnosti strižnega toka se ta prednost poveča na faktor 6. Gibajoča migetalka lahko doseže znatno povečanje občutljivosti pri visokih Pecletovih številih, vendar le, če je gibanje nerecipročno in tako poganja gibanje tekočine dolgega dosega. Če se več migetalk nahaja ena blizu druge, se število ujetih delcev na migetalko zaradi osiromašenja delcev v raztopini zmanjša. Če pa se iste migetalke gibljejo asimetrično, se število delcev lahko tudi poveča, saj pridobijo na račun toka, ki ga skupno poganjajo vse migetalke. Študija je bila večinoma opravljena na Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization in Göttingen (eLife 2021, DOI: 10.7554/eLife.66322).
Slika 13: Hitrost, s katero migetalka zaznava delce (višina rdečih stolpcev) v sledečih primerih: (a) posamična negibna migetalka, (b) 7 negibnih migetalk, (c) posamična gibljiva migetalka ter (d) skupina 7 gibljivih migetalk. Medtem ko prisotnost drugih migetalk hitrost zaznavanja zaradi osiromašenja koncentracije zmanjša, lahko gibajoče migetalke pridobijo na račun vzajemno ustvarjenega toka tekočine.
S pomočjo teorije in numeričnih simulacij pokažemo, da je kemosenzitivnost migetalk bistveno odvisna od njihove geometrije in gibljivosti.
Nove stehiometrične faze WnO3n-1
Sintetizirali in karakterizirali smo kristale volframovega suboksida, ki rastejo v obliki nanoploščic. S pomočjo slik presevne elektronske mikroskopije v visoki ločljivosti smo identificirali tri nove stehiometrične faze: W13O38 (WO2.923), W12O35 (WO2.917) in W11O32 (WO2.909). Eksperimentalni parametri osnovnih celic se dobro ujemajo z izračunanimi. Nanoploščice rastejo v obliki strešnikov z zig-zag morfologijo, pri čemer so vdolbine globoke več 10 nm. Spekter rentgenske fotoelektronske spektroskopije valenčnega pasu je pokazal ne-ničelno gostoto stanj pri Fermijevi energiji, kar nakazuje na kovinsko obnašanje materiala (Nanomaterials 2021, DOI: 10.3390/nano11081985).
Slika 14: Ploščice WO3-x v obliki nanostrešnikov.
Filtracijska učinkovitost mask uporabljenih v COVID-19 pandemiji
Pomerili smo časovno odvisnost filtracijske učinkovitosti različnih mask, ki so bile v uporabi med COVID-19 pandemijo. Maske tipa FFP2, FFP3 in kirurške maske so imele visoko filtracijsko učinkovitost, filtracijska učinkovitost tekstilnih pralnih mask pa je bila odvisna od materiala, iz katerega so bile narejene. Tako je bila filtracijska učinkovitost materiala FFP2 maske 98.6%, filtracijska učinkovitost materiala FFP3 maske pa 99.9%. Podobne vrednosti filtracijske učinkovitost so imeli tudi materiali različnih kirurških mask. Materiali na osnovi bombaža, ki se običajno uporablja v pralnih maskah, pa so imeli filtracijsko učinkovitost v razponu od 26% do 82%. Nižjo filtracijsko učinkovitost gre pripisati predvsem večjim premerom bombažnih vlaken in pomanjkanju statičnega naboja (Sensors 2021, DOI: 10.3390/s21051567).
Slika 15: Shema eksperimenta za merjenje filtracijske učinkovitosti zaščitnih mask med COVID-19 pandemijo.
Uglaševanje dopiranja grafena z interkalacijo ogljikovega monoksida na vmesniku Ni(111)
V pogojih blizu ambientalnega tlaka molekule ogljikovega monoksida interkalirajo pod epitaksialni monosloj grafena, ki je zrasel na Ni(111) in se ujamejo v vmesni prostor. Na podlagi ab-initio izračunov teorije gostotnih funkcionalov smo v celoti raziskali vzorec interkaliranega CO in osvetlili spremembe, ki jih povzroči na elektronsko strukturo grafena. Najpomembnejši znak interkalacije CO je jasen preklop dopirnega stanja grafena, ki se spremeni iz n-tipa, ko močno interagira s kovinsko površino, v p-tip. Premik Diracovega stožca je linearno odvisen od pokritosti s CO in doseže približno 0.9 eV pri nasičeni vrednosti 0.57 ML. Teoretične napovedi so primerjane z rezultati poskusov STM, LEED in XPS, ki potrjujejo predlagani scenarij za skoraj nasičen interkaliran sistem CO. Članek je bil objavljen v sodelovanju s skupinami iz Italije (Carbon 2021, DOI: 10.1016/j.carbon.2021.01.120).
Slika 16: Ogljikov monoksid, interkaliran v vmesno plast grafen/Ni(111), tvori periodične vzorce, razklopi grafen od Ni(111) in premakne Diracov stožec za približno 1 eV.
Pokazali smo, da je najpomembnejši efekt interkalacije CO na epitaksalnem monosloju grafena prehod stanja dopiranega grafena iz n-tipa v p-tip.
Struktura in superprevodnost HfTiZrSnM (M = Cu, Fe, Nb, Ni) zlitin s srednjo in visoko entropijo, ki vsebujejo kositer
V poskusu vključitve kositra (Sn) v visokoentropijske zlitine, sestavljene iz kovin Hf, Nb, Ti in Zr z dodatkom 3d prehodnih kovin Cu, Fe in Ni, smo sintetizirali vrsto zlitin v sistemu HfTiZrSnM (M = Cu, Fe, Nb, Ni). Zlitine smo kristalografsko, mikrostrukturno in sestavno opredelili ter določili njihove fizikalne lastnosti s poudarkom na superprevodnosti. Skupna značilnost zlitin je mikrostruktura velikih kristalnih zrn heksagonalne (Hf, Ti, Zr)5Sn3 delno urejene faze, vgrajene v matriko, ki vsebuje tudi številne majhne vključke. Na podlagi meritev električne upornosti, specifične toplote in magnetizacije je bilo v zlitinah HfTiZr, HfTiZrSn, HfTiZrSnNi in HfTiZrSnNb ugotovljeno superprevodno (SC) stanje. Zlitina HfTiZrSnFe kaže delni prehod SC, medtem ko je zlitina HfTiZrSnCu ne-superprevodna. Članek je bil objavljen v sodelovanju s skupinami iz Poljske, Kitajske in Švedske (Materials, 2021, DOI: 10.3390/ma14143953).
Slika 17: Topografska slika STM površine vzorca HTZS-Nb in ustrezne krivulje dI/dV, ki prikazujejo spreminjajočo se superprevodno vrzel.
Stern-Gerlachov magnetni gradiometer z enim posnetkom in razširjajočim se oblakom hladnih cezijevih atomov
Združujemo Ramseyjev interferometrični protokol, Stern-Gerlachovo detekcijsko shemo in uporabo podolgovate geometrije oblaka popolnoma polariziranih hladnih cezijevih atomov za merjenje izbrane komponente gradienta magnetnega polja vzdolž atomskega oblaka v enem samem posnetku. V nasprotju s standardno metodo, pri kateri se hkrati meri precesija dveh prostorsko ločenih atomskih oblakov, da se izlušči njuna fazna razlika, ki je sorazmerna z gradientom magnetnega polja, v članku prikazujemo gradiometer, ki uporablja eno samo sliko razširjenega atomskega oblaka z vtisnjeno fazno razliko vzdolž oblaka. Z uporabo resonančnih radiofrekvenčnih pulzov in Stern-Gerlachovega slikanja prvič pokažemo nutacijo in Larmorjevo precesijo atomske magnetizacije v uporabljenem magnetnem polju. Nato pustimo, da se hladni atomski oblak razširi v eni dimenziji, in uporabimo protokol za merjenje gradienta magnetnega polja. Ločljivost našega gradiometra z enim posnetkom ni omejena s toplotnim gibanjem atomov in ima ocenjeno absolutno natančnost pod ±0,2 mG/cm (±20 nT/cm) (Phys. Rev. A, 2021, 10.1103/PhysRevA.103.022611).
Slika 18: (a) Absorpcijske slike populacij mF-stanj v odvisnosti od položaja za različne čase in (e) izmerjena komponenta gradienta magnetnega polja.
Korelacije in filamentna dinamika v nano memristorju
Za posnemanje nevronske dinamike vzbujevalnih in zaviralnih procesov, memristorji ponujajo uporaben strojni pristop za izvajanje takšnih procesov, posebej pri učinkovitih verjetnostnih izračunih. V poskusu, da bi razkrili intrinzično dinamiko dolgega dosega pri sobni temperaturi in hkrati ublažili neželene toplotne vplive, smo se osredotočili na nano memristor, zgrajen na konici sonde za skeniranje. Z uporabo tako funkcionaliziranih konic (imenovanih “memtips”) smo zajeli dolgoročni intrinzični tokovni odziv. Uspeli smo identificirali časovne korelacije med preklopi in opazovati filamentno dinamiko neposredno na nanomerilu. Uporaba memtipa za meritve na različnih elektrodah je omogočila neposredno primerjavo vpliva različnih konfiguracij na preklopno obnašanje izbranih filamentov. Takšen pristop v delovnih pogojih bo omogočil poglobljeno razumevanje filamentarnega preklapljanja na nanoskali. Študija je bila opravljena v sodelovanju z raziskovalci z Univerze v Kielu in objavljena v Nanomaterials 2021, DOI: 10.3390/nano11020265.
Slika 19: (a) TEM slika memtipa, ki kaže polmer ukrivljenosti 46,5 nm. (b) Sheme operacij SET in RESET. Tok v stanju z nizkim uporom (LRS) je omejen s serijskim uporom 1 GΩ, ki je vgrajen v eksperimentalno postavitev. Stanje visoke odpornosti (HRS) je podano z mejo zaznavanja nastavitve. (c) in (d) Predstavitev enega in 100 zaporednih ciklov, ki prikazujejo preklopno okno. Za zanesljivo zaznavanje SET in RESET je izbrana mejna raven 20 pA.
Nadzor svetlobe s topološkimi solitoni v frustriranih kiralnih nematikih
Topološki solitoni, ki jih zasledimo na različnih področjih fizike so fascinantne lokalizirane motnje v parametru urejenosti, ki so topološko zaščitene. Proučili smo lom, odboj in lečenje laserskih žarkov na različnih topoloških solitonih v frustriranih kiralnih nematikih. Teoretično smo pokazali, da je interakcija šibke svetlobe s takšnimi topološkimi solitoni dobro opisana s posplošenim Snellovim zakonom in modeli za sledenje žarkom. Te ugotovitve omogočajo boljše razumevanje manipulacije toka svetlobe, kar je posebej uporabno pri razvoju kompleksnih optičnih in fotonskih sestavov. Študija je tekla tako na Institutu Jožef Stefan kot tudi na Fakulteti za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani in tesnem sodelovanju s skupino Ivana Smalyukha z Univerze v Koloradu v Boulderju. Objava o dosežkih raziskave (Physical Review X, 2020, DOI: 10.1103/PhysRevX.10.031042) je bila v APS Physics Focus izpostavljena v uredniškem članku Liquid-Crystal Vortices Focus Light.
Slika 1: Simulirani prehod zelene svetlobe, skozi toron v razviti holesterični plasti. Intenzivnost zelene barve ustreza jakosti svetlobe. Bele črte dobimo s preprostim sledenjem žarkom. 100 mikrometrski toron z direktorsko strukturo prikazano v vstavku, je predstavljen s sliko polarizacijskega mikroskopa v beli svetlobi.
Periodično samo-fokusiranje svetlobe v frustrirani tanki plasti holesterika
V raziskavi pokažemo, da kiralnost močno ojača nelinearni optični odziv frustriranih kiralnih nematikov. Za razliko od ne kiralnih tekočih kristalov, kjer preorientacija molekul v močnem laserskem curku omogoča nastanek krajevnega optičnega solitona – nematikona, v frustriranem odvitem kiralnem nematiku kiralnost prinaša dodatno ojačenje nelinearnega odziva in posledično lažjo tvorbo optičnih solitonov. Obnašanje takih solitonov smo raziskali v tanki plasti, kamor svetloba vpada pod kotom in pride do tvorbe similaritonov, ki jih karakterizira periodično samo-fokusiranje. Naše numerične in teorijske raziskave, ki so potekle tako na Inštitutu Jožef Stefan kot na Fakulteti za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani, so tekle vzporedno z eksperimentalno študijo skupine Ivana Smalyukha z Univerze v Koloradu v Boulderju in pripeljale do skupne objave (Physical Review Letters, 2020, DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.077801). Ugotovitve o kiralno ojačenih nelinearnih optičnih pojavih dajejo osnovo za nove možnosti rabe pri aplikacijah, kot so samo-vzbujene ploske leče, ki jih proži svetloba z relativno šibko jakostjo, in optično procesiranje informacij na osnovi interakcije krajevnih optičnih solitonov s topološkimi solitoni v mehkem kiralnem mediju.
Slika 2: Širjenje nagnjenega Gaussovega curka svetlobe v razviti holesterični plasti v linearnem (a) in nelinearnem – similariton (b) optičnem režimu. Kratke bele črte predstavljajo 10 mm.
Nestabilnost v 3D aktivnih nematikih privede do gubanja
V eksperimentalni in teoretski študiji obravnavamo tridimenzionalni aktivni nematik, ki sestoji iz mikrotubulov, kinezinskih motorjev in raztopine polimerov. Sistem kaže kompleksno dinamiko, ki preide od tridimenzionalne enakomerne porazdelitve tubulinskih snopov do sploščenega in zgoščenega 2D traku preko mehanske nestabilnosti do 3D aktivnega turbulentnega stanja. Medsebojno delovanje privlačnih zaradi zasedenega volumna in molekulskih motorjev kinezinov vodi tako v privlačno silo, ki skrči trak, kot v raztezno, ki inducira nestabilnost in nastanek valov. Na makroskopski skali smo uporabili teorijo kontinuov za razlago nestabilnosti in napoved valovne dolžine nastalih valov. Rezultate smo dopolnili z detajlnimi simulacijami na molekulski skali (z uporabo odprtokodnega paketa Cytosim), ki so opaženo dinamiko reproducirale na osnovi lastnosti posamičnih kinezinskih motorjev. Ugotovili smo, da se sile motorjev skoraj izničijo, vendar pa majhna asimetrija v njihovi porazdelitvi privede do nastanka raztezne napetosti. Medtem ko valovna dolžina gub močno korelira s časovno skalo njihovega nastanka, kar napove tudi kontinuumska teorija, je neodvisna od koncentracije ATP. Prehod v našem sistemu od 3D materiala do kvazi-2D traku ter nazaj v 3D predstavlja nov način samoorganizacije v aktivni mehki snovi. Študija je večinoma potekala v okviru Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization v Göttingenu (Nano Letters, 2020, DOI:10.1021/acs.nanolett.0c01546).
Slika 3: Nematsko urejeni snopi mikrotubulov (zeleno) se najprej v navpični smeri skrčijo v obliko traku, ki nato zaradi aktivne raztezne napetosti zavzame valovito obliko.
Tridimenzionalne aktivne defektne zanke
Raziščemo materialne tokove in morfološko dinamiko topoloških defektnih linij in zank v tridimenzionalnih aktivnih nematikih ter s pomočjo teorije in numeričnega modeliranja pokažemo, da jih ureja lokalni profil orientacijskega reda, ki defekte obkroža. Z analizo različnih profilov defektnih zank, in sicer od radialnega in tangencialnega zasuka do klinastih profilov, pokažemo, da lahko različne geometrije poganjajo tok materiala pravokotno ali vzdolž lokalnega segmenta defektne zanke, kar lahko nadalje povzroči premikanje zanke, raztezek ali stiskanje zanke ali upogibanje zank. Pokažemo korelacijo med lokalno ukrivljenostjo in lokalnim orientacijskim profilom defektne zanke, kar splošneje pokaže na dinamično povezavo med geometrijo in topologijo. Raziščemo splošno tvorbo okvar aktivnih nematskih defektnih zank v treh dimenzijah, pri čemer pokažemo njihovo ustvarjanje z nestabilnostjo upogiba zaradi različnih začetnih elastičnih deformacij. Delo je rezultat sodelovanja med Univerzo v Warwicku (prof. G. Alexander), Fakulteto za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani in Oddelkom za fiziko kondenzirane snovi na Institutu Jožef Stefan (Physical Review Letters, 2020, DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.088001).
Slika 4: Tokovi in dinamika različnih aktivnih nematskih defektnih zank z ničelnim topološkim nabojem.
Mikrofluidični nadzor topoloških stanj v toku nematskih tekočih kristalov*
Zanimivo zaporedje faznih prehodov med topološko različnimi stanji v tlačno gnanem toku tekočega kristala je prva podrobno karakterizirala eksperimentalna skupina na Medicinski fakulteti UL. To nas je pritegnilo v sodelovanje, kjer smo s teoretično analizo omogočili razumevanje mehanizmov , ki vodijo do kompleksne dinamike v takih sistemih. Uporabili smo fenomenološki model, ki preko anizotropije elastičnih konstant in kiralnosti vodi do številnih vmesnih topološko zaščitenih kiralnih hidrodinamičnih stanj. Skupna študija zaključuje desetletje trajajoče raziskave na področju nematofluidike in obljublja uporabo teh pojavov v liotropnih in aktivnih nematskih tekočinah (Nature Communications, 2020, DOI: 10.1038/s41467- 019-13789-9). Z vabilom urednikov je bil članek predstavljen tudi v poljudni obliki na spletnem mestu Nature Portfolio Device and Materials Engineering Community.
Slika 5: Prehodi med stanji v srednje močnih in močnih tlačno gnanih nematskih tokovih.
Heterogenosti površinskega naboja v nematskih elektrolitih inducirane s topološkimi defekti
S teoretičnim modeliranjem smo pokazali, da lahko s topološkimi defekti v ionsko dopiranem nematskem tekočem kristalu manipuliramo porazdelitve površinskega naboja na kemično homogenih zunanjih površinah, ki uravnavajo naboj. Položaj in vrsta defekta določi natančno porazdelitev površinskih nabojev in učinek se poveča, če je tekoči kristal flekso-električen. Princip nadzora naboja smo pokazali na primeru vzorčenih površin in nabitih koloidnih krogel. Na splošno naši rezultati kažejo na zanimivo možnost nadzora površinskih nabojev na zunanjih površinah brez spreminjanja kemije površine (Physical Review Letters, 2020, DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.037801).
Slika 6: Površinsko induciran električni naboj povzročen z nematskimi defekti.
Brez-interferenčna mikroskopija tekočih kristalov z nanosekundno osvetlitvijo
Postavili smo eksperiment za brez-interferenčno mikroskopijo z ultrakratkimi osvetljevalnimi časi dolžine 5 nanosekund. Postavitev temelji na stroboskopskem principu slikanja, pri čemer smo uporabili hitro in nekoherentno fluorescenčno emisijo organskih barvil, ki smo jo vzbudili s pikosekundnimi laserskimi pulzi. Uporabili smo enostavno rešitev z raztopino barvila Rhodamin B in etanola v stekleni kiveti, pri čemer smo dobili slike z odlično kvaliteto, visokim kontrastom in nastavljivo koherenco. Učinkovitost metode smo pokazali na primeru slikanja ultra-hitrega ohlajanja tekočega kristala iz nematske v izotropno fazo. Pri tem smo lahko študirali Kibble-Zurkov mnehanizem tvorbe in rasti topoloških defektov s sub-mikrosekundno ločljivostjo pri ekstremno hitrem ohlajanju (40.000 K/s). Raziskava je tekla v sodelovanju s Fakulteto za matematiko in fiziko ter Fakulteto za farmacijo Univerze v Ljubljani (Liquid Crystals, 2020, DOI:10.1080/02678292.2020.1790049).
Slika 7: Ultra-hitro ohlajanje tekočega kristala z osvetlitvijo 5 ns.
Svetle rožne domene v inverznih nematskih gelih
Odkrili smo, da gelator 12-HSA v nematskem tekočem kristalu povzroči nastanek lokaliziranih domen, v katerih je koncentracija gelatorja višja kot v okoliškem tekočem kristalu. Gelator v teh domenah tvori vlakna, ki interagirajo z molekulami tekočega kristala ter stabilizirajo njegov direktor v spiralno strukturo, ki je sorodna toronom. Njihovo strukturo smo preučili z optično in konfokalno mikroskopijo. Vse domene imajo isto ročnost strukture, kljub temu da je nematski tekoči kristal v njihovi okolici akiralen. Raziskava je tekla v sodelovanju s Fakulteto za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani in Ramanovim Institutom v Bangalorju (Soft matter, 2020, DOI: 10.1039/C9SM02547B).
Slika 8: Rožna domena v inverznem nematskem gelu.
Ogrlice iz tekočekristalnih kapljic
Z uporabo mikrofluidike smo izdelali stabilne ogrlice iz mikrometrskih tekočekristalnih kapljic, povezanih s tankim, submikronskim mikrovlaknom, narejenim iz kompozita PVA in tekočega kristala. Ogrlice lahko poljubno raztegujemo z zunanjo silo z uporabo laserke pincete in tako smo lahko določili elastični modul povezovalnega vlakna. V posameznih kapljicah smo opazovali WGM resonance, žal pa še nismo uspeli prenašati svetlobe med posameznimi kapljicami zaradi prevelikih izgub v vlaknu. Raziskava tekla v sodelovanju z AIST v Tsukubi (Langmuir, DOI: https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.0c00101).
Slika 9: Ogrlici iz tekočekristalnih kapljic povezanih z mikrovlaknom.
Preurejanje feroelekričnih ploščic z električnim poljem v nematskem tekočem kristalu
Pokazali smo, da lahko feroelektrične mikroploščice v nematskem tekočem kristalu obračamo z zunanjim električnim poljem. Električni dipolni moment ploščic je pravokoten na ravnino ploščic, kar nam omogoča obračanje ploščic iz njihove ravnovesne lege. Eksperimenti so bili narejeni v tekočem kristalu z ničelno dielektrično anizotropijo, torej smo preobračali tekočekristalne molekule le preko njihove sklopitve s ploščicami in ne s pomočjo dielektrične sklopitve tekočih kristalov s poljem (Liquid Crystals, DOI: 10.1080/02678292.2020.1785026).
Slika 10: Obračanje mikroploščic v tekočem kristalu z električnim poljem.
Hibridne sestave grafenskih derivatov, tekočih kristalov in CdS/TiO2 nanodelcev: optoelektronski in biotehnološki vidiki
Predstavljene so različne združbe nanomaterialov in z njimi povezane nove tehnologije preklopnih aplikacij. Obravnavani so kompleksni sistemi, sestavljeni iz grafena in njegovih derivatov, tekočih kristalov z vodikovo vezjo in polprevodniških nanodelcev ali nano-žičk. Stabilni hibridni sklopi so omogočeni predvsem zaradi prisotnosti razmeroma močnih vodikovih vezi. Posebno zanimive so konfiguracije, pri katerih dosežemo učinkovite preklope med stanji z izrazito različnimi željenimi efektivnimi lastnostmi. Takšne sklope lahko uporabimo v prilagodljivi elektroniki, pametnih zaslonih z visokim kontrastom, različnih opto-elektronskih napravah, senzorjih (vnetljivosti, eksplozivnosti ali toksičnosti kemikalij), bio-zaznavanju in protimikrobnih aplikacijah. Pregledna študija, ki ja nastala v sodelovanju z raziskovalci iz Indije in Egipta, je usmerjena predvsem na stroškovno učinkovite tehnologije osnovane na heterogenih samo-sestavljanjih mehanizmih (Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences, 2020, DOI: 10.1080/10408436.2020.1805295).
Slika 11: Polarizacijska optična slika hibridnega kompozita.
Prevezljive multistabilne konfiguracije topoloških defektov
Predstavljena je teoretična in eksperimentalna raziskava električno-vodenih prevezav disklinacij med tekmujočimi strukturami v nematični celici. Različne defektne konfiguracije so stabilizirane s komandno površino, ki vsiljuje mrežo topoloških površinskih defektov z ničelno vrednostjo skupnega topološkega naboja. V teoretičnem pristopu opisujemo strukture z Landau-de Gennes-ovim fenomenološkim modelom. V eksperimentalnem delu raziskav omogočamo defektne strukture z AFM vtisno metodo in nematične konfiguracije opazujemo s polarizacijsko optično mikroskopijo. Numerično in eksperimentalno demonstriramo, da lahko tvorimo 18 različnih robustno prevezljivih defektih struktur izhajajoč iz 4×4 matrike s=ą1 površinskih defektov. Demonstrirani koncept lahko vodi do številnih aplikacij v multistabilnih kazalnikih in prevezljivih nanovezjih. Študija je tekla v sodelovanju z Case Western Reserve University Cleveland (Physical Review Reserach, 2020, DOI: 10.1103/PhysRevResearch.2.013176).
Slika 12: a) Tipična konfiguracija defektov, b) vsiljena nematična konfiguracija na spodnji plošči.
Kolektivni koloidni tokovi zaradi izmenjalne dinamike ob razpadanju dimerov
Raziskali smo dinamiko paramagnetnih koloidnih delcev v zamejenem prostoru med dvema ravninama. Ob prisotnosti precesirajočega magnetnega polja pokažejo raznolik fazni diagram v odvisnosti od frekvence vrtenja polja, debeline celice, precesijskega kota ter gostote delcev. S pomočjo linearne analize stabilnosti smo napovedali meje med temi fazami, ki mdr. vključujejo posamezne delce na heksagonalni mreži ter sinhrono ali asinhrono vrteče dimere. Med njimi se nahaja posebno zanimiva faza, v kateri se dimeri prehodno formirajo in razpadajo. Posledično pride do robnega toka, pri katerem se delci ob eni površini gibljejo v eno smer, ob drugi pa v nasprotno. Rezultati nazorno pokažejo, kako lahko podobne fizikalne pojave opazimo v sistemih na zelo različnih velikostnih skalah. Delo je teklo v okviru mednarodnega sodelovanja raziskovalcev iz Univerze v Barceloni in Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization v Göttingenu (Science Advances, 2020, DOI:10.1126/sciadv.aaz2257).
Slika 13: Gibanja magnetnih delcev v precesirajočem polju. Delci v bližini obeh površin se gibljejo v nasprotnih smereh (morde in rumene sledi).
Generiranje kapljic in kroglic z nanometersko natančnostjo
Pokazali smo, da je mogoče generirati majhne kapljice in trdne kroglice z doslej nedosegljivo natančnostjo, 1 nm za kapljice in 20 nm za kroglice. Relativna napaka velikosti generiranih kapljic je le 0.0042 %, kar je za tri velikostne rede bolje od drugih standardnih metod, kot je na primer generiranje kapljic v mikrofluidiki. Z generacijo treh kapljic z vnaprej definiranimi velikostmi lahko vanje zapišemo informacijo v obliki kratkih številk ali besed. Zapisano informacijo preberemo preko emisijskega spektra svetlobe. Možnost zapisa informacije na tako majhno velikost in možnost branja te informacije samo preko spektra ima velik potencial za označevanje raznovrstnih produktov, varnostne kode in celo za označevanje in sledenje posameznih živih celic. Članek, ki je bil izpostavljen na hrbtni strani revije Lab on a Chip, je nastal v sodelovanju z Harvard Medical School (Lab on a Chip, 2020, DOI: 10.1039/C9LC01034C).
Slika 14: Grafična podoba štirih skupkov mikro kroglic, ki imajo vsak zapisano informacijo, ki jo lahko preberemo z laserjem.
Krvni obtok določa ekstruzijo celic in nastanek dorzalne aorte v zarodku ribe zebrice.
V študiji smo proučili nastanek dorzalne aorte, glavne arterije v razvijajočem se zarodku ribe zebrice. Slikanje živih zarodkov smo povezali s teoretično napovedjo porazdelitve mehanske napetosti v tkivu, ki obdaja žilo. Slednje so ojačane v delu blizu druge žile, zmanjšane pa v bližine mehansko toge strune. Pokazali smo, da celice migrirajo v smeri, ki sovpada z maksimalno pulzirajočo napetostjo ob bitju srca. Po drugi strani zmanjšan krvni obtok pospeši ekstruzijo celic, kar kaže na mehanizem za uravnavanje premera žile. Naša študija pokaže, kako sta nastanek in rast žil odvisna od vzajemnega delovanja kemičnih signalov, mehanike tkiva ter dinamike tekočin. Delo je teklo v okviru mednarodnega sodelovanja raziskovalcev iz Université de Strasbourg in Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization v Göttingenu (Cell Reports, 2020, DOI:10.1016/j.celrep.2020.03.069).
Slika 15: Teoretična napoved mehanskih napetosti v tkivu, ki obdaja dorzalno aorto (DA).
Nadzor viskoznosti v biofarmacevtskih proteinskih formulacijah
Nadzor viskoznosti koncentriranih raztopin proteinov – običajno zmanjšanje – je odprt izziv, ki je v zadnjem času pomemben pri proteinskih formulacijah za biofarmacevtske, medicinske, živilske in druge namene. Zelo pomembno je, da lahko vzpostavimo nadzor nad kombinacijo aditivov, ki vplivajo na viskoznost, in ustrezne stabilnosti proteinov, običajno pri visokih koncentracijah beljakovin. V tem delu pokažemo nadzor in manipulacijo viskoznega profila izbrane proteinske raztopine (monoklonsko protitelo imunoglobulinskega gama tipa – IgG), ki je neposredno biofarmacevtsko pomembna, z identifikacijo elementarnih viskoznih prispevkov prek izbranih dodatkov, ki ciljajo na različne interakcije protein-protein. Natančneje, izvedemo kombinirano študijo nadzora viskoznosti in agregacije proteinov, pri čemer viskoznost določimo preko mikrofluidnih meritev in agregacijo proteinov preko kromatografije z izključitvijo velikosti. Agregacijski podatki se nadalje dopolnjujejo z meritvami konformacijske stabilnosti s toplotno in kemično denaturacijo proteinov. Splošneje pokažemo nadzor nad medsebojnim vplivanjem viskoznosti in stabilnosti v izbranem proteinskem sistemu kot splošni prispevek k razumevanju viskoznosti v različnih koloidnih, bioloških in mehkih materialih. Delo je potekalo v sodelovanju med Lek d.d, delom Novartisa, Fakulteto za matematiko in fiziko in Biotehniško fakulteto Univerze v Ljubljani ter Oddelkom za fiziko kondenzirane snovi na Institutu Jožef Stefan (J. Coll. Int. Sci., 2020, DOI: 10.1016/j.jcis.2020.06.105).
Slika 16: Nadzorovanje viskoznosti v biofarmacevtskih proteinskih formulacijah preko načrtovanja različnih proteinskih interakcij.
Protimikrobne prevleke na osnovi nanožičk MoO3
Zasnovali smo nov protimikrobni nanokompozit iz inertnega biokompatibilnega PVDF-HFP in v vodi topnega polimera PVP z vgrajenimi nanožicami MoO3. Raztapljanje v vodi v koncentraciji 5 mg/ml zniža pH vrednost na 4,6 v 5 minutah. Protimikrobno aktivnost, ki smo jo preučevali v sodelovanju z Biotehniško fakulteto Univerze v Ljubljani, smo razložili z dvostopenjskim delovanjem; v prvi fazi se MoO3 raztopi, kar povzroči padec pH, ki nato sproži hidrolizo polimera PVP in sproščanje amonijeve soli. Popolna deaktivacija Staphylococcus aureus, Listeria monocytogenes, Escherichia coli in Pseudomonas aueroginosa je bila dosežena v 6 urah, deaktiviranje Penicilium verrucosum in Pichia anomala pa v 24 urah (Journal of Nanomaterials 2020, DOI: 10.1155/2020/9754024).
Slika 17: Shematski prikaz protimikrobne aktivacije nanokompozita PVDF-HFP/PVP/nanožičke MoO3.
Novi kvazi dvo-dimenzionalni kristali WnO3n-1
Sintetizirali smo nove kvazi-dvo-dimenzionalne kristale volframovega oksida, ki nastajajo z epitaksialno rastjo na nanožicah W19O55. V posamezni ploščici smo prvič identificirali več stehiometričnih faz: W18O53, W17O50, W16O47, W15O44, W14O41 in W9O26. Strukturo smo razbrali neposredno iz visoko-ločljivostnih elektrosnko mikroskopskih posnetkov in modelirali z uporabo podatkov elektronske in rentgenske difrakcije. Ti plastni kristali predstavljajo novo vrsto polikristaliničnosti, pri kateri kristalografske strižne ravnine sprejmejo kisikove vrzeli in hkrati prispevajo k stabilnosti določene faze. (Nanoscale, 2020, DOI: 10.1039/D0NR02014A).
Slika 18: HRTEM slika in simulacija structure faze W16O47 s pentagonalnimi in heksagonalnimi tuneli na kristalografskih strižnih ravninah. Merilo: 1 nm.
Orientacijsko urejanje točkovnih dipolov na krogli*
Razporeditev medsebojno delujočih delcev na krogli je dobro poznana, vendar pa je urejanje delcev z anizotropno interakcijo, kot je dipolna, ostalo neraziskano. Izračunali smo ravnovesno orientacijsko ureditev točkovnih dipolov na krogli s fiksnim položajnim redom. Z numerično minimizacijo interakcijske energije smo analizirali stabilne konfiguracije glede na njihove simetrije in stopnje urejenosti. Ugotovili smo, da je makro-vrtinec generično osnovno stanje za lokalno trikotne kroglaste rešetke z različnimi diskretnimi rotacijskimi simetrijami za različne velikosti sistema. Metastabilna stanja z višjo energijo so podobna, vendar manj urejena. Opazujemo orientacijske fazne prehode in histerezo kot odziv na spreminjanje zunanjega polja tako pri usmerjenosti fiksne krogle glede na polje kot tudi pri prosto vrtljivi krogli. V primeru prosto vrtljive krogle opazimo spremembe v osi simetrije z naraščajočo jakostjo polja (Physical Review B, 2020, DOI: 10.1103/ PhysRevB.102.075416).
Slika 19: (a) 3D vizualizacija osnovnega stanja 60 dipolov prikazuje makro-vrtinec z osjo, usmerjeno vzdolž modre puščice. (b) Vrtinec, prikazan v azimutni projekciji. (c) Osnovno stanje dipolov na šesterokotni mreži je tudi makro vrtinec.
Prostorsko urejanje valov gostote naboja v NbSe3
Urejanje dveh inkomenzurabilnih valov gostote naboja (CDW) v kvazi-enodimenzionalni strukturi NbSe3 smo preučevali s pomočjo nizkotemperaturne vrstične tunelske mikroskopije (PRB 102, 075442 (2020)). Večje (100) orientirane van der Waalsove površine smo analizirali z uporabo enodimenzionalne Fouriereve transformacije vzdolž trigonalnih prizmatičnih kolon. Postopek je omogočil nedvoumno razlikovanje med obema CDWjema, ki modulirata posamezne kolone in omogočil kvantitativno primerjavo amplitud modulacije vzdolž različnih kolon istega tipa. Rezultati kažejo na nastanek CDW nanodomen. Možnost izmenjave obeh CDWjev vzdolž kolon, ki tvorijo simetrično povezane pare, povzroči razliko naboja, kar bi lahko bil možni izvor drsanja CDWjev. Članek je bil objavljen v sodelovanju z raziskovalcem iz Kanade (Physical Review B, 2020, DOI: 10.1103/PhysRevB.102.075442).
Slika 20: STM slika površine NbSe3, prikazana z vrhnjo plastjo Se atomov in DFT simulirano STM sliko.
Val z visoko gostoto naboja v monoklinični fazi NbS3
Poročali smo o visokotemperaturnih študijah električne prevodnosti monoklinične faze NbS3 tipa-II (J. Alloys Compd 854, 157098 (2020)). Pokazalo se je, da je spojina stabilna do temperature T ≈ 550 K. Pri TP0 ≈ 450 – 475 K smo opazili stopničasto rast prevodnosti, kar je jasen dokaz, da je TP0 temperatura tretjega visokotemperaturne CDWja. Sinhronizacija pri zmernih frekvencah 10 – 50 MHz prikazuje koherentno drsenje CDW-0. Kondenzirani naboji v tem CDWju pa kažejo na razmeroma visoko gostoto in hkrati izjemno majhno gibljivost. Njihova gibljivost se zdi nizka tudi v stanju enega delca, kar daje verodostojen namig o presenetljivi dielektrični temperaturni spremembi σ nad TP0. Članek je bil objavljen v sodelovanju s skupinama iz Taiwana and Rusije (Journal of Alloys and Compounds, 2020, DOI: 10.1016/j.jallcom.2020.157098).
Slika 21: Temperaturna odvisnost krivulj I-V brez in z RF obsevanjem.
Spontano antiferomagnetno urejanje v eno plastnem organskem superprevodniku (BETS)2GaCl4
Izdelava natančno določenih in atomsko čistih mejnih površin med materiali različnih vrst je temeljnega pomena za načrtovanje novih funkcionalnosti in za preučevanje novih pojavov v fiziki kondenzirane snovi. Naša študija je bila osredotočena na medsebojno delovanje elektronske ureditve hibridne mešanice ugnezdenih antiferomagnetnih molekularnih verig in superprevodnih molekularnih trakov v taki plasti. Rezultati nizkotemperaturne vrstične tunelske mikroskopije in spektroskopije sta pri temperaturah pod Tc pokazali odsotnost nizkih vibronskih in magnetnih ekcitacij, ki sicer prevladajo v visokotemperaturni fazi. To nakazuje na njihov kooperativen obstoj in možno renormalizacijo potrebno za nastanek superprevodnosti v taki vrsti superprevodnikov. Članek je bil objavljen v sodelovanju s skupino na Univerzi Nihon v Tokiu (Advanced Electronic Materials, 2020, DOI: 10.1002/aelm.202000461).
Slika 22: Hibridni red dveh osnovnih stanj, kjer so molekularne magnetne verige ugnezdene v enoslojni organski superprevodnik.
Onesnaženje zraka z nanodelci med nogometno tekmo
Na derbiju med nogometnima kluboma NK Olimpija Ljubljana in NK Maribor marca 2019 v Stožicah smo med tekmo merili onesnaženost zraka z nanodelci. Navijaški skupini obeh ekip, Green Dragons in Viole Maribor, sta namreč kljub prepovedi prižigali bakle in pirotehnična sredstva v podporo svojima kluboma. Število nanodelcev z velikostjo od 30 nm do 300 nm v zraku se je ob prižigu bakel povečalo za 1200 %, igralci pa so vdihnili 300 % več delcev kot v manj onesnaženem okolju. Kemijska analiza je pokazala, da so bili poleg ogljika prisotni tudi elementi, ki so potencialno strupeni in se uporabljajo za barvne učinke ter kot gorivo: stroncij (rdeča barva), barij (zelena barva), kalij, magnezij in klor (Atmospheric Environment 2020, DOI: 10.1016/j.atmosenv.2020.117567).
Slika 23: Uporaba bakel in pirotehnike je med tekmo povzročila do 12-kratno povečanje številske koncentracije nanodelcev v zraku.
* Z zvezdico označene študije so prispevali raziskovalci, ki so člani samo FMF dela programa.
Topologija tridimenzionalne aktivne nematske turbulence, omejena na kapljice
V kapljici nematskega aktivnega tekočega kristala smo numerično raziskali topologijo tridimenzionalne aktivne nematske turbulence. Z mezoskopskim pristopom smo numerično modelirali dinamiko aktivnih nematikov – praviloma bioloških kompleksnih tekočin, kjer se gradniki sami poganjajo z energijo prejeto iz okolice-. Kompleksno kaotično dinamiko aktivne turbulence smo opisali s topološkimi dogodki, katerim so podvrženi defekti, ki nastajajo v taki snovi. Predstavili so tudi z defekti posredovano sklopitev površinske in volumske dinamike. Delo je pomemben prispevek k razumevanju hitro se razvijajočega področja aktivnih mehkih snovi (Physical Review X 2019, DOI:10.1103/PhysRevX.9.031051).
Slika 1: Spremembe topoloških defektov v sferični kapljici aktivnega nematika: homeotropno sidranje nematika na površini (zgoraj) in degenerirano planarno sidranje na površini (spodaj).
Oblikovanje stabilnih struktur v anizotropnih tekočinah *
V tekočih kristalih je uspelo s tokom in svetlobnimi impulzi ustvariti in preoblikovati domene s polarnim redom. Ti dosežki eksperimentalne skupine z Medicinske fakultete Univerze v Ljubljani so spodbudili k sodelovanju skupino za simulacije z Univerze v Chicagu in nas z našimi teorijskimi in modelskimi pristopi. S komplementarnimi prijemi smo dokazali, da je mogoče nastale strukture neomejeno stabilizirati, pod pogojem, da nematične tekočine vzdržujemo v določenih neravnovesnih stanjih. Poleg tega smo pokazali, da je s skrbnim inženiringom usklajenih mikrofluidnih tokov in lokaliziranih optotermalnih polj mogoče doseči popoln nadzor nad nukleacijo, rastjo in oblikovanjem takšnih domen. Tako oblikovana dinamična stanja tekočine bi lahko našla uporabo v mikrofluidnihnapravah za selektivno kapsuliranje topnih snovi in delcev v optično aktivne strukture na katere močno vplivajo zunanji dražljaji (Science Advances 2019, DOI: 10.1126 / sciadv.aav4283).
Slika 2: Rast (A) in krčenje (B) s tokom urejenih domen (eksperiment). Časovna odvisnost polmera za različne hitrosti toka (C). Inverzni radij v odvisnosti od hitrosti toka (D). Fazni diagram (E).
Opis topoloških defektov v holesterični TK kapljici s teorijo singularnosti
V sodelovanju z raziskovalci Univerze v Warwicku smo s kombinacijo eksperimentalnih rezultatov, numeričnih simulacij in teoretičnih analiz okarakterizirali točkaste defekte v kapljicah holesteričnega tekočega kristala. Pokazali smo, da določeni topološki defekti ne morejo imeti stalne sučnosti zaradi topoloških razlogov. Nadalje smo pokazali, da imajo defekti s stalno sučnostjo strukturo gradientnega polja v obliki izolirane kritične točke in jih lahko opišemo s teorijo singularnosti. Pokazali smo, da lahko z matematičnimi orodji natančno opišemo eksperimentalne rezultate defektov z višjim topološkim nabojem in topološke molekule. Naši rezultati bodo lahko uporabljeni tudi za opis defektov v drugih kiralnih materialih in opis njihovih topoloških lastnosti. (Physical Review X 2019, DOI: 10.1103/PhysRevX.9.021004).
Slika 3: Numerične simulacije (levo) in eksperimentalni rezultati (desno) holesterične kapljice z enim kiralnim in dvema akiralnima topološklima defektoma.
Elastični multipoli visokega reda kot koloidni atomi
V delu pokažemo načrtno oblikovanja elastičnih multipolov visokega reda, ki se pojavijo, ko koloide z nadzorovanimi oblikami in poravnavo površine vnesemo v nematsko gostiteljsko tekočino. Kombinacija eksperimentov in numeričnega modeliranja konfiguracij ravnovesnih polj z razvojem po sferičnih harmonikih nam omogoči široko raziskavo elastičnih večpolnih momentov, kar prinaša analogije z elektromagnetizmom in strukturo atomske orbitale. Pokažemo, da raznolikost elastičnih koloidnih atomov lahko vsaj glede na simetrijo možnih profilov momentov ” precej presega tisto v znanih kemičnih elementih. Delo je bilo sodelovanje z eksperimentalno skupino na University of Colorado Boulder (Nature Comm., 2019, DOI: 10.1038/s41467-019-09777-8).
Slika 4: Elastic multipoles based on gourd particles in nematic fluid.
Odkrivanje morfologij in nanostruktur mikro vlaken rastlinskih trahearnih celic
Trahearni sistemi rastlin so ključnega pomena za njihovo preživetje. Celulozna mikro vlakna v rastlinah so tesno levoročno spiralno zvita, tako da tvorijo mikro cevčice po katerih se pretaka vodna raztopina hranilnih snovi od korenin do listov. Mehanske lastnosti teh mikro vlaken se razlikujejo od rastline do rastline, vendar vsa tvorijo podobne poligonalno-spiralne oblikovane cevčice. V delu, ki je plod tesnega sodelovanja s skupino M. Godinho v Lizboni, smo pokazali, da je površinska morfologija mikro vlaken, ki jo zaznamo preko kapljic nematskih tekočih kristalov, ključna za njihovo spletanje in mehansko trdnost (PNAS 2019, DOI: 10.1073/pnas.1901118116). V delu so predstavljene metode za natančno karakterizacijo celuloznih mikro vlaken, kar je je ključno tudi za njihovo možno tekstilno uporabo.
Slika 5: SEM slika grobega nanofilamenta(a) in polarizacijskega optičnega mikrografa nematske kapljice (c), ki jo filament prebada in simulacija nematskega urejanje okoli takega filamenta (b) s simuliranim polarizacijskim mikrografom (d).
Od kompleksne ograditve do lastne biaksialnosti nematikov: Monte Carlo simulacije topoloških defektov*
Topološki defekti v tekoče-kristalnih sistemih s kompleksno ograditvijo in vzorčenjem površin, prav posebej pri materialih, ki spontano kažejo dvoosno urejenost ali periodične deformacije, so še vedno izziv. Pri študiji porabljamo Monte Carlo simulacije, ki so še posebej koristne na nano skali, kjer fluktuacij ni mogoče zanemariti. Raziskava je bila izvedena v sodelovanju s simulacijsko skupino na univerzi v Bologni in eksperimentalno skupino na univerzi v Osaki. V hibridnih nematskih filmih s homeotropno urejenostjo na eni površini in različnimi stopnjami planarnega urejanja na drugi smo ugotovili, da se točkovni defekti, ki jih opazimo v primeru naključnega planarnega urejanja, s postopnim prehodom na enoosno plenarno sidranje prerazporedijo vzdolž defektnih linij (filamentov) (Scientific reports, 2019, DOI: 10.1038 / s41598-019-50948-w). Podoben pristop smo uporabili pri preučevanju urejanja nematske kapljice, ki jo tvorijo dvoosne molekule. Študija je bila narejena v sodelovanju s simulacijsko skupino na univerzi v Bologni in dvema skupinama iz Brazilije. Posebej smo se osredotočili na učinke lastne dvoosnosti na strukture topoloških defektov, nastalih zaradi ograditve v kapljice (Physical Review E, 2019, DOI: 10.1103 / PhysRevE.100.032702).
Slika 6: Hibridna nematska celica z naključnim planarnim sidranjem (zgornja vrsta) in usmerjenim ravninskim sidranjem (spodnja vrsta). (A) Polarizacijska mikroskopska slika, (B) mikroskopska slika v svetlem polju in (C) simulirano površinsko direktorsko polje (modre črtice) in območja defektov v rdeči barvi.
Načrtovano samo-sestavljanje metamaterialnih podkvastih koloidnih delcev v nematskih tekočinah
V raziskavi pokažemo samo-sestavljanje v nematski tekočini specifične vrste koloidnihdelcev, resonatorjev z razcepljenimi obroči (SRR), ki so v fotonskih materialih znani po svoji sposobnosti ustvarjanja resonanc ob odzivu na magnetno polje. Z minimizacijo proste energije optimiziramo geometrijske parametre delcev SRR, da zmanjšamo in preprečimo nastajanje nepravilnih metastabilnih koloidnih stanj, kar v splošneje ustreza konceptom predhodno zasnovanega samo-sestavljanja. S pomočjo vnaprej zasnovanih delcev prikažemo samosestavljanje v dvo- in tridimenzionalne nematske koloidne kristale delcev podkvaste oblike. Delo je prispevek k razvoju koloidnih struktur za morebitno uporabo v fotonskih aplikacijah kot nastavljivih metamaterialov (Soft Matter, 2019, DOI: 10.1039/c9sm00842j).
Slika 7: Tridimenzionalni koloidni kristali iz podkvastih delcev.
Žarkovna optična vizualizacija kompleksnih dvolomnih struktur, ki vključuje transport energije
Razvili smo učinkovito metodo za simulacijo širjenja svetlobe v enoosnih dvolomnih medijih brez izgub, ki temelji na standardni tehniki sledenja žarkov, dopolnjeni z novo izpeljano transportno enačbo za amplitudo električnega polja vzdolž žarka in prilagojenim algoritmom interpolacije za rekonstrukcijo elektromagnetnih polj. Pokazali smo, da so rezultati primerljivi s celotno rešitvijo Maxwellovih enačb, dokler se dvolomnost medija zaznavno menja razdalji večji od valovne dolžine. Uporabnost naše kode za mehko snov smo dokazali s primerjavo eksperimentalnih slik kapljic tekočih kristalov s simuliranimi optičnimi slikami (Soft Matter 2019, DOI: 10.1039/c8sm02448k).
Slika 8: Optična mikrografije nematske kapljice pred (levo) in v (desno) fokusu (zgornja vrstica) in ustrezne simulacije (spodnja vrstica).
Preseganje omejitev optične resolucije pri opazovanju tekočekristalnih struktur
Pokazali smo, da je mogoče z uporabo superresolucijskega STED mikroskopa pri opazovanju holesternih tekočekristalnih (TK) struktur, doseči znatno izboljšavo optične resolucije glede na ostale optične mikroskopske metode. Pri uporabi klasične optične mikroskopije v refleksiji smo z uporabo objektiva z visoko numerično aperturo (1.45NA) in kratkovalovne osvetlitve (400 nm) dosegli lateralno resolucijo ~150 nm, z uporabo STED mikroskopa pa smo uspeli razločiti strukture na medsebojni razdalji ~90 nm. Ključni korak za uspešno izrabo STED mikroskopije v TK sistemih je bila sinteza posebnih namenskih fluorescentnih barvil, ki se dobro mešajo v TK sistemih in so spektralno prilagojena za STED mikroskop na IJS. (Liquid Crystals, DOI: 10.1080/02678292.2019.1710870)
Slika 9: Primerjava slik TK struktur posnetih s konfokalnim (levo) in STED (desno).
Feroelektrični mikrolaserji z nastavljivo valovno dolžino
Preiskovali smo WGM resonance mikrokapljic obarvanega feroelektričnega tekočega kristala v Sm C* fazi, ki smo ga vzbujali s pulznim laserjem. Vrhove resonančnega spektra je mogoče kontrolirano in reverzibilno pomikati k daljšim valovnim dolžinam s pomočjo počasi spreminjajočega zunanjega električnega polja usmerjenega vzdolž vzbujevalnega laserja. Spektralni premik, ki je posledica ‘solitonske’ deformacije spiralne strukture Sm C* faze zaradi zunanjega električnega polja. Premik znaša ~2.3 nm pri polju 1 V/μm in ima kvadratno odvisnost od jakosti zunanjega električnega polja. (Liquid Crystals 2019, DOI: 10.1080/02678292.2019.1700567)
Slika 10: Z zunanjim električnim poljem je mogoča zvezna manipulacija pozicije vrhov WGM spektra feroelektričnih mikrokapljic v Sm C* fazi.
Stabilizacija struktur rdečih krvničk z membransko orientacijsko urejenostjo
Celice rdečih krvničk (CRK) so prisotne v skoraj vseh vretenčarjih. Njihova poglavitna naloga je prenos kisika v različne dele telesa. Pri tem igra pomembno funkcionalno vlogo njihova oblika. Pri večini sesalcev imajo CRK ob normalnih pogojih diskasto obliko, ki optimizira njihovo pretočnost v žilah in kapilarah. Eksperimentalno merjene vrednosti reduciranih volumnov (v) stabilnih oblik zavzemajo relativno širok interval vrednosti (med v0.58 in 0.8). Toda slednja opažanja niso v skladu z obstoječimi teoretičnimi modeli, ki napovedujejo relativno ozek interval vrednosti (med v0.59 in 0.65). V teoretični in numerični raziskavi smo demonstrirali, da lahko slednji interval uskladimo z eksperimentalnimi vrednostmi, če upoštevamo membransko orientacijsko urejenost in t.i. zunanjo ukrivljenost. (Scientific Reports 2019, DOI: 10.1038/s41598-019-56128-0)
Slika 11: Podolgovata (zgoraj) in diskasta (spodaj) oblika celic rdečih krvničk, ki vsebujejo topološke defekte.
Anomalni elektro-kalorični odziv v smektičnih tekočih kristalih z direktnim izotropnim-smektičnim prehodom
Elektro-kalorični (EK) materiali trdne snovi igrajo pomembno vlogo v tehnologiji toplotne manipulacije. V delu smo teoretično in eksperimentalno demonstrirali, da lahko v slednji namen učinkovito uporabimo tekoče kristale (TK). V raziskavi smo določili pogoje, ki omogočajo največji možni EK odziv. Rezultati simulacij so kvalitativno usklajeni z meritvami EK pojava v 8CB in 12CB tekočih kristalih. V slednjem primeru smo izmerili temperaturni skok ∆TEC ~ 6,5 K, kar ustreza do sedaj največjemu EK odzivu v TK. (Scientific Reports, DOI: 10.1038/s41598-019-38604-9)
Slika 12: Shematična predstavitev ECE-osnovane naprave.
Fotoluminiscenca mikrocevk MoS2
S sodelavci iz Rusije in Francije smo preučevali fotoluminiscenco posameznih cevk MoS2 (Ann. Phys. (Berlin) 2019, DOI: 10.1002/andp.201800415). Emisija zaradi rekombinacije parov elektron-vrzel pri neposrednem prehodu je velika kljub znatni debelini stene cevke, ki vsebuje več deset molekulskih plasti. Pri sobni temperaturi smo izmerili spektre z močnimi vrhovi t.i. šepetajočih načinov emisije svetlobe (angl. ťwhispering gallery modesŤ) s faktorjem kvalitete v višini nekaj sto. Rezultati nakazujejo uporabo cevk MoS2 za učinkovite mikro-resonatorje. Članek je bil uvrščen med 10 najpomembnejših dosežkov Ioffe Inštituta za leto 2019.
Slika 13: Temperaturna odvisnost spektra mikro-fluorescence cevke MoS2 s premerom 2 μm.
Kvantni efekti v nanocevkah MoS2
V sodelovanju z Univerzo v Regensburgu smo objavili prve rezultate transportnih meritev na polprevodniški nanocevki MoS2 z več molekulskimi plastmi debelo steno, ki je predstavljala kvantno piko. Nizkotemperaturne meritve izvedene pri 300 mK so pokazale Coulombsko blokado s pravilnimi Coulombskimi oscilacijami in značilnosti kvantne omejenosti. V pravokotnem magnetnem polju smo opazili jasne značilnosti prehodov med kvantnimi stanji (Phys. Status Solidi 2019, DOI: 10.1002/pssr.201900251).
Slika 14: Diskretne resonance prevodnosti v območjih tuneliranja posameznih elektronov, ki ustrezajo energiji vzbujanja 500 μeV.
Nanocevke MoS2 za avtomobilsko industrijo
S sodelavci iz Avstrije in Poljske smo raziskovali učinkovitost uporabe nanocevk MoS2 pri vtiskovanju navojev v pocinkanih avtomobilskih delih. MoS2 nanocevke tvorijo tribofilm na pocinkanih jeklenih površinah, kar posledično zmanjša potreben navor in utrjevanje materiala pod površino. Sulfuriziran olefinski polisulfidni dodatek za ekstremne tlake, ki je trenutno v široki uporabi v formuliranih oljih, deluje pri vtiskovanju navojev v sinergiji z nanocevkami MoS2, zato so le-te primerne za uporabo v bodočih formulacijah nanofluidnih maziv z minimalno količino porabe (ang. “Minimal quantity lubrication”) (Journal of Manufacturing Process 39 2019, DOI: 10.1016/j.jmapro.2019.02.012).
Slika 15: Časovna odvisnost navora med vtiskovanjem navoja pri uporabi čistega PAO olja, PAO olja s 5 ut.% nanocevk MoS2 (NT) in referenčnega formuliranega olja.
Urejanje polaronov v superprevodnem plastnem kristalu 1T-TaSeS
V mnogih plastnih kovinskih dihalkogenidih je bilo opaženo urejanje naboja ne le v periodične valove gostote naboja, temveč tudi v aperiodične strukture sestavljene iz domen, opažena pa je bila tudi amorfna faza polaronov. Nastanek različnih faz, med katerimi je mogoče prehajati s svetlobnimi in električnimi pulzi, smo v sodelovanju z Odsekom za kompleksne snovi (F7) pojasnili z modelom elektronskega plina na delno napolnjeni rešetki (New J. Phys 2019, DOI: 10.1088/1367-2630/ab3057). V ta namen smo z vrstičnim tunelskim mikroskopom preučevali plastne kristale 1T-TaSeS. Dodatno smo s pomočjo tunelske spektroskopije pokazali, da domenske stene, ki so prisotne v materialu, niso ključne za obstoj superprevodnosti v teh vzorcih.
Slika 16: Slika površine 1T-TaSeS posneta z VTM. Na sliki vidimo domene urejenih valov gostote naboja, ki so ločene z domenskimi stenami.
Solitoni in solitonski vlaki cezijevih hladnih atomov
Ustvarili smo cezijeve solitone in solitonske vlake, s katerimi smo študirali njihov nastanek, fragmentacijo in medsebojne trke. Ko neinteragirajoč Bose-Einsteinov kondenzat ujemo v kvazi-enodimenzionalen kanal, se zaradi disperzije, ki jo narekuje Schrödingerjeva enačba, kondenzat širi vzdolž kanala. Na hitrost širjenja lahko vplivamo s spreminjanjem interakcije med atomi preko Feshbachove resonance. Pri ustrezno izbrani interakciji, lahko privlak med atomi ravno kompenzira efekt disperzije in dobimo snovni val, ki mu pravimo svetel soliton (PRA 2019, DOI: 10.1103/PhysRevA.99.033625).
Slika 17: Absorpcijske slike cezijevega solitona, ki pospešuje v kvazi-enodimenzionalnem kanalu.
Nastavljivi ravni elektronski pasovi v organskih Kagome mrežah
Kagome mreža predstavlja idelano platformo za nove eksotične pojave, kot so negativna magnetizacija in neobičajna superprevodnost. Pokazali smo, da geometrijska frustracija Kagome mreže povzroči ničelno verjetnost za tuneliranje elektronov iz posameznih šesterokotnikov mreže. Kadar so v takšnem ravnem potencialu mreže prisotne tudi druge molekule, imajo le-te ostro določena lokalizirana elektronska stanja. Karakteristike the stanj in nastavljivost Kagome mreže predstavlja primeren sistem za študij elektronskih stanj v dobro definiranih sistemih. (Physica Status Solidi 2019, DOI: 10.1002/pssb.201900346)
Slika 18: Visokoločljiva STM slika predstavlja Kagome mrežo (BETS)2GaCl4. Elektronska stanja molekul BETS so omejena zaradi destruktivne interference frustrirane mreže.
Preklapljanje difuznih memristorjev na nanometrskem nivoju
Preučevali smo delovanje memristorjev na nivoju posameznih nanodelcev, da bi raziskali fizikalne mehanizme njihovega delovanja in določili pogoje za zanesljivo delovanje. Ugotovili smo, da lahko z uporabo nanodelcev kovinskih zlitin učinkovito zmanjšamo nastanek stabilnih kovinskih filamentov in zagotovimo ponovljivo karakteristiko difuznega preklapljanja. Pomembno je, da se podobno obnašajo makroskopske nanokompozitne naprave sestavljene iz večih plasti nanodelcev, kar nam omogoča natančno nastavitev lastnosti preklapljanja in razvoj memristorskih naprav z difuznim preklapljanjem različnih velikosti. Nobeni dodatni postopki niso potrebni za njihovo delovanje, zaradi česar so zelo zanimivi za uporabo (Sci Rep 2019, DOI: 10.1038/s41598-019-53720-2).
Slika 19: Skica eksperimenta in karakteristika preklapljanja, ki smo jo določili na podlagi meritev posameznih histereznih zank v kompozitu SiO2/AgPt/SiO2, izmerjenih s pomočjo prevodne AFM na posameznem AgPt nanodelcu.
* Z zvezdico označene študije so prispevali raziskovalci, ki so člani samo FMF dela programa.
Mozaiki topoloških defektov v mikro vzorčnih teksturah tekočih kristalov *
Topološke defekti v orientacijskem redu, ki so vidni v običajnih v ťschlierenŤ teksturah v tankih plasteh nematskega tekočega kristala so naključno razporejeni v kvazi-dvodimenzionalni strukturi. Korejska skupina iz KAIST je ob podpori Medicinske fakultete UL ustvarila in nadzorovala defekte z uporabo 2D rešetkastega niza zračnih stebričev, ujetih v mikro vzorčne luknje v silikonski podlagi. S teorijskimi in simulacijskimi pristopi smo raziskali učinke oblike luknje, simetrije mrež in površinske obdelave na nastale mreže defektov in razložili njihovo razporeditev v nematski fazi z uporabo topoloških pravil. Podobno smo pojasnili kalejdoskopske teksture po ohladitvi iz nematske v smektično A fazo, Pri tem pride do frustracije defektov in okoliških struktur zaradi ohranitve razmika med plastmi smektične faze (Science Advances, 2018, DOI: 10.1126 / sciadv.aau8064 )
Slika 1: Razporeditve defektov v nematski (N) in smektični A (SmA) fazi 8CB. Ter ob prehodu Iso-N in prehodu N-SmA. Merilne črtice ustrezajo 20 μm.
Topoloških defekti v tekočih kristalih stabilizirani na koloidnih vlaknih
Pokazali smo, da lahko stabiliziramo veliko število topoloških defektov nanizanih okoli spiralnih ali nazobčanih vlaken (Soft Matter2018, DOI: 10.1039/C8SM01583J). Takšni defekti se okoli ravnih vlaken anihilirajo, v našem primeru pa krivine ali ožine tvorijo energijsko prepreko, ki preprečuje anihilacijo defektov. V okolici ravnih dolgih koloidnih vlaken, usmerjenih pravokotno na nematski direktor, pa smo prikazali novo vrsto topoloških zank, ki imajo lahko pozitivni, negativni ali nevtralni topološki naboj in se vedno pojavijo v kombinaciji z dvema topološkima solitonoma, ki izvirata iz zanke in se razširjata na oba konca vlakna (Liquid Crystals 2018, DOI: 10.1080/02678292.2018.1500653).
Slika 2: Topološki soliton v nematskem tekočem kristalu ob mikroskopsko drobnem steklenem vlaknu.
Opazovanje skirmionskih mrež v ultra-tankih plasteh tekočega kristala
Karakterizirali smo heksagonalno mrežo polovičnih skirmionov v tanki plasti kiralnega tekočega kristala z optičnim opazovanjem Kosselovih diagramov (Scientific Reports 2018, DOI: 10.1038/s41598-018-35514-0). V tem primeru so Kosselove črte heksagonalno urejeni krožni loki, ki so posledica disperzije lastnih nihajnih načinov tekočega kristala. Naša raziskava je pokazala, da lahko Kosselovo tehniko uporabimo za raziskave disperzijskih lastnosti ultra-tankih sistemov, ki imajo netrivialno pasovno strukturo, kot so na primer topološko omejena površinska stanja.
Slika 3: Eksperimentalni in numerični Kosselovi diagrami odbite svetlobe na tankih plasteh kiralnega tekočega kristala.
Modeliranje tanke plasti modre faze: stabilizacija skirmionskih mrež in mikroskopija v bližnjem polju
Z rešitvijo Maxwellovih enačb smo izračunali slike skirmionske mreže v tanki plasti modre faze dobljene z mikroskopijo, ki temelji na analizi bližnjega optičnega polja (Optics Express 2018, DOI: 10.1364/OE.26.001174). S fenomenološkim pristopom smo pokazali, kako lahko v tanki plasti modrefaze II s periodično vzorčenim sidranjem na ograjujočih površinah stabiliziramo tako kvadratno kot tudi trikotno mrežo skirmionov (Liquid Crystals 2018, DOI: 10.1080/02678292.2018.1512168).
Slika 4: Peridično vzorčeno sidranje molekul tekočega kristala stabilizira kvadratno mrežo pol-skirmionov in disklinacij z ovojnim številom -1.
Topologija kiralnih nematskih tekočih kristalov
Založba Springer je objavila doktorat Gregorja Posnjaka kot knjigo v seriji Springer Theses (G. Posnjak, Topological formations in chiral nematic droplets, Springer 2018), v kateri objavljajo doktorska dela, ki izstopajo na svojem področju. V knjigi je predstavljena nova metoda polarizirane fluorescentne konfokalne mikroskopije, ki omogoča eksperimentalno določitev direktorskih struktur v tekočih kristalih. S to metodo so v delu detaljno razdelane kompleksne strukture kiralnega nematskega tekočega kristala v kapljici, ki obsegajo od visoko simetričnih plastovitih struktur in struktur z linijskimi defekti do prvič opaženih točkastih defektov s topološkim nabojem -2 in -3, ki omogočajo nastanek kompleksnih topoloških molekul.
Slika 5: Plastovita struktura v kiralni nematski kapljici s cilindrično simetrijo in enim točkastim defektom.
Krajevni opto-termični odziv nematskega tekočega kristala na lasersko svetlobo
Preučili smo termičen odziv tanke plasti nematskega tekočega kristala na močne sunke laserske svetlobe. (Liq. Crystals, DOI: 10.1080/02678292.2018.1557270). Svetloba se absorbira na tanki plasti indij kositrovega oksida, ki je naparjen na merilno celico. Po absorpciji pride do ultarhitrega ohlajanja iz izotropne v nematsko fazo, ki smo ga okarakterizirali z meritvijo lokalne spremembe temperature in časovnega odziva dvolomnosti nematske plasti.
Slika 6: Ultrahitro ohlajanje nematskega tekočega kristala.
Aktivne nematske emulzije
Pokazali smo aktivne nematske emulzije na osnovi enkapsulacije aktivnega tekočega kristala iz mikrotubulov in kinezinskih molekularnih motrojev v termotropnem tekočem kristalu. Razvite aktivne nematske emulzije izkazujejo nabor različnih dinamičnih režimov, ki so posledica medsebojne sklopitve med topološkimi defekti, ki se pojavijo ločeno v aktivni in pasivni komponenti. Posebej z uporabo numeričnega modeliranja smo pokazali sklopitveni mehanizem preko katerega aktivni tokovi stalno poganjajo pasivne defekte. Taki hibridni aktvno-pasicni sistemi odpirajo nove možnosti za dinamično samo-sestavljanje, ki ga žene aktivni material, hkrati pa je reguliran z ravnovesnimi lastnostmi pasivne komponente. Raziskave so bile kombinacija numeričnih simulacijah, ki so se izvedle na Fakulteti za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani in na Odseku za fiziko trdne snovi (F5) Instituta “Jožef Stefan”, ter eksperimentih, ki so se izvedli na Univerzi v Barceloni (Science Advances 2018, DOI: 10.1126/sciadv.aao1470).
Slika 7: Sklopitev aktivnih defektov s pasivnimi nematikom.
Prikazane-na-ukaz mikro strukture v nematskih celicah
Pokažemo ustvarjanje slik in idetifikacijskih kod, na osnovi mikrostruktur prikazanih na ukaz v tekočekristalnih celicah. Eksperimentalno se te mikometrsko velike strukture zapiše neposredno v tekoči kristal z uporabo laserja, ki zapeče lokano ureditev molekul ob trenutku tvorbe strukture. Ob branju teh struktur z isto napetostjo kot je bila tista on njihovi tvorbi, se lahko strukture optično zakrije z dvolomnostjo okolice in to tako za polarizirano in nepolarizirano svetlobo. Potencialna uporaba tega dela je za avtentikacijo oz identifikacijo. Eksperimenti so bili izvedeni na Unvierzi v Oxfordu, medtem ko teroija in modeliranje na Fakulteti za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani in na Odseku za fiziko trdne snovi (F5) Instituta “Jožef Stefan” (Advanced Optical Mater 2018, DOI: 10.1002/adom.201800515). Delo je bilo tudi predstavljeno s strani urednikov v Nature Photonics (Nature Photonics 2018, DOI: 10.1038/s41566-018-0252-y).
Slika 8: Neposredno lasersko vpisovanje dvolomnih polimernih objektov, ki se lahko optično zakrijejo.
Elektro-kaloričen pojav v nematikih in njegova uporaba
Z Landauovim mezoskopskim modeliranjem smo demonstrirali uporabnost materialov, ki posedujejo fazne prehode zvezno zlomljene simetrije, za toplotno stabilizacijo in termalni transport. Med drugim smo razvili prvi model, ki opisuje elektro-kaloričen (EK) odziv v nematičnih tekočih kristalih. S slednjim smo določili pogoje, ki omogočajo anomalno močan EK odziv (M. Krašna, E. Klemenčič, Z. Kutnjak, S. Kralj, Phase-changing materials for thermal stabilisation and thermal transport, Energy 2018, DOI: 10.1016/j.energy.2018.08.027).
Slika 9: Ključne faze hladilnega elektrokaloričnega cikla.
Nematske kapljice v vodni raztopini različnih elektrolitov
Eksperimentalno in teoretično smo demonstrirali močan vpliv elektrostatičnih lastnosti na strukturne prehode v kapljicah nematičnih tekočih kristalov (NTK) dispergiranih v vodni raztopini. Razvili smo fenomenološki model električne dvojne plasti v prisotnosti različnih ioniziranih nečistoč. Rezultati kažejo možnost elektrostatske kontrole NTK strukturnih prehodov (Soft Matter 2018, DOI: 10.1039/C8SM01529E).
Slika 10: Shematska predstavitev električne dvojne plasti ob negativno nabiti površini.
Molekularne simulacije tekoče kristalnih elastomerov: od nabrekanja do nematsko-izotropnega prehoda in elastokaloričnega pojava *
Značilnosti nematsko-izotropnega prehoda v tekočih kristalnih elastomerih so pomembne za potencialno uporabo teh materialov kot senzorjev in aktuatorjev. Z molekularnimi simulacijami smo dobili vpogled v naravo tega prehoda s poudarkom na vlogi priprave vzorca in pomenu nabrekanja. Izvedli smo vrsto simulacij Monte Carlo izven mreže, v sistemu prevezanih polimerov, ki so nabreklih zaradi prisotnost monomerov. Take sisteme smo opisali z mešanico v verige povezanih mehkih Gay-Berne elipsoidov in monomerov v obliki samostojnih Gay-Berne elipsoidov. Ugotovili smo, da lahko neizrazitost faznega prehoda pripišemo lokalnim motnjam zaradi slučajnih prevezav polimernih verig. To ima za posledico porazdelitev lokalnih temperatur prehoda, v močno nabreklih vzorcih pa je opazna fazno segregacija polimer-monomerov (Soft Matter 2018, DOI: 10.1039/c7sm01535f). V nadaljevanju smo z obsežnimi molekularnimi simulacijami pokazali tudi obstoj elasto-kaloričnega pojava v nabreklih monodomenskih tekoče kristalnih elastomerih. Velikost efekta smo določili iz enačbe stanja, ki povezuje napetost, deformacijo in temperaturo. Predstavljene simulacije so napovedale elasto-kalorično povišanje temperature, ki presega 10 K ob uporabi zunanje inženirske napetosti 100 kPa, kar odgovarja elasto-kaloričnemu koeficientu nad 100 K/MPa (Liquid Crystals 2018, DOI: 10.1080/02678292.2018. 1492035).
Slika 11: (a) Shematična prestavitev polimera. Posnetki molekularne simulacije: (b) izotropna faza, (c) malo nabrekla nematska faza in (d) močno nabrekla nematska faza. Rdeča, zelena in modra ustrezajo usmeritvi molekul vzdolž x, y in z. Monomeri, ki povzročajo nabrekanje, so sive barve.
Nanovarnost
Izmerili smo sproščanje nanodelcev pri tlenju dišavnih palčk, za katere je znano, da se kvaliteta zraka v zaprtem prostoru zato zelo poslabša (Air Quality, Atmosphere & Health 2018, DOI: 10.1007/s11869-018-0572-6). Pri tlenju dveh vrst dišavnih palčk smo ugotovili, da tlenje ene same palčke povzroči do 30-kratno povečanje števila nanodelcev v prostoru z volumnom 30 m3. Kemijska analiza sproščenih nanodelcev je pokazala prisotnost CaCo3 in SiO2 ter sledi Mg, K, Al, Fe in Cl. Nanodelci so po koncu tlenja veliki od 60 do 100 nm, kar jih uvršča v velikostno skupino z velikim tveganjem za zdravje, koncentracija pa presega 200.000 nanodelcev/cm3. Njihovo število v prostoru se le počasi zmanjšuje na račun združevanja v večje skupke. Za zmanjšanje izpostavljenosti nanodelcem smo priporočili skrajšanje časa tlenja in prezračevanje prostora.
Slika 12: Številska porazdelitev nanodelcev, ki se sprostijo pri tlenju ene same dišavne palčke.
Nanocevke in mikrocevke MoS2
S sodelavci iz Rusije, ZDA in Francije smo proučevali optične lastnosti mikro- in nanocevk MoS2, pripravljenih s kemijsko transportno reakcijo, ki omogoča sintezo cevk z zelo majhno gostoto strukturnih napak. Razkrili smo močne vrhove v mikro-fotoluminiscenčnih (ľ-PL) spektrih pri detekciji svetlobe, polarizirane vzdolž osi cevk (Appl.Phys. Lett. 2018, DOI: 10.1063/1.5047792) Razvili smo model, ki opisuje optične lastnosti nanocevk, ki delujejo kot optični resonatorji. Model je v skladu z napovedjo, da pride znotraj stene nanocevke do ujetja svetlobe in pojava t.i. šepetajočih načinov emisije svetlobe (angl. ťwhispering gallery modes”). Naše ugotovitve omogočajo uporabo takšnih nanocevk za polarizacijsko občutljive komponente v nanofotoniki.
Slika 13: Spekter mikro-fotoluminiscence (ľ-PL) posnet pri 80 K z meritvijo laserske svetlobe polarizirane vdolž (rdeča krivulja) in pravokotno (modra krivulja) na os nanocevke MoS2. Izračunan spekter PL je prikazan s črno krivuljo.
Samourejanje organskih inhibitorjev korozije na kovinskih površinah
Z vrstično tunelsko mikroskopijo in spektroskopijo smo preučevali (pod)enoplastne strukture organskega inhibitorja korozije 2-merkaptobenzimidazol na površinah bakra. Spreminjanje temperature substrata med naparevanjem in različne toplotne obdelave so nam omogočile študije interakcij med molekulami ter med molekulami in podlago. Samourejene strukture so bile primerjane in rešene s pomočjo obsežnih DFT izračunov. Rezultati nam bodo pomagali razumeti razloge za visoko učinkovitost teh molekul pri inhibiciji korozije.
Slika 14: Urejene strukture 2-merkaptobenzimidazola na površini bakra.
Struktura kvazi eno-dimenzionalnega materiala z valovi gostote naboja
Atomska in struktura valov gostote naboja polimorfa monoklinskega NbS3-II sta bili preučevani s sinhrotronsko difrakcijo x-žarkov, ab initio izračuni, simulacijo uklona elektronov ter z atomsko ločljivo transmisijsko elektronsko mikroskopijo in nizkotemperaturno vrstično tunelsko mikroskopijo. Dobljeni strukturi sta nam omogočili, da smo lahko predlagali mehanizem za drsenje valov gostote naboja v tem in nekaterih sorodnih materialih (Physical Review B 2018, DOI: 10.1103/PhysRevB.98.174113).
Slika 15: Atomska in struktura valov gostote naboja polimorfa NbS3-II.
Atomski laser in Bosejev ognjemet
Pokazali smo, da lahko s pomočjo Bose-Einsteinovega kondenzata cezijevih atomov opazimo dva zanimiva pojava. V prvem primeru dipolno past, v katero je ujet kondenzat, na kontroliran način na dnu odpremo ter tako dobimo atomski laser, iz katerega izhaja koherenten curek cezijevih atomov. Če pa kondenzat z ozkim žarkom ujamemo v kvazi enodimenzionalen kanal in obenem periodično moduliramo interakcijo med cezijevimi atomi, iz kondenzata izletijo izstrelki koherentnih atomov. Tako imenovani Bosejev ognjemet je bil do zdaj opažen le v dvodimenzionalni geometriji, mi pa ga lahko ustvarimo in raziskujemo v enostavnejši geometriji.
Slika 16: (Levo) Atomski laser iz Bose-Einsteinovega kondenzata cezijevih atomov. (Desno) Bosejev ognjemet v kvazi enodimenzionalni geometriji.
Zabrisana anizotropija v enoplastnem organskem superprevodniku
Opazili smo zabrisano anizotropijo nizkoenergijskih kvazidelcev v enoplastnem organskem superprevodniku simetrije d, ki je posledica neločljivega mešanja antivozelnih stanj. Šibka odvisnost od gibalne količine je prisotna samo za nizkoenergijska stanja, medtem, ko visokoenergijska stanja ohranijo anizotropijo gibalne količine. (Advanced Electronic Materials 2018, DOI: 10.1002/aelm.201800247).
Slika 17: (a) Topografska STM slika različno orientiranih otokov organskega superprevodnika. (b) Shematska predstavitev zapletene simetrije reže v superprevodniku. (c ) Tunelskea spektroskopija, narejena skozi presek enoplastnega otoka superprevodnika , kaže anizotropne nizkoenergijske kvazidelce.
* Z zvezdico označene študije so prispevali raziskovalci, ki so člani samo FMF dela programa.
Skirmioni v tanki plasti kiralnega nematika
Z optičnim mikroskopom smo podrobno raziskali zelo tanke plasti močno kiralnega tekočega kristala, ki sicer neograjen tvori modro fazo. V članku ťSpontaneous formation and dynamics of half-skyrmions in a chiral liquid-crystal filmŤ objavljenem v Nature Physics (2017, DOI:10.1038/nphys4245) smo pokazali obstoj vrtinčastih struktur, imenovanih skirmioni, ki nastajajo spontano in se pri določeni temperaturi tudi spontano združujejo v dinamično dvodimenzionalno kristalno strukturo. Z numeričnim modeliranjem struktur, dinamike in optičnih slik smo potrdili, da v tako ograjenem kiralnem tekočem kristalu spontano nastaja mreža polovičnih skirmionov, ki je bila že pred leti s simulacijami napovedana v tanki plasti modre faze II (Nature Communications, 2011, DOI: 10.1038/ncomms1250) in je bila do sedaj opažena le v tankih plasteh kiralnih magnetov in Bose-Einsteinovih kondenzatih. Pokazali smo tudi, da je vrtinčasta struktura posameznega polovičnega skirmiona, v sicer kolesternem okolju, posebno topološko stanje, ki ga spremljata dva točkasta defekta in s tem nevtralizirata skirmionski topološki naboj. Delo daje neposreden vpogled v naravo topoloških snovi, ki so sedaj v žarišču raziskav fizike snovi.
Slika 1: Optična slika mreže polovičnih skirmionov s shematičnim prikazov strukture in simulacija mreže skirmionov.
Topologija kapljic kiralnih nematskih tekočih kristalov
Z na inštitutu razvito nadgradnjo fluorescenčne konfokalne polarizirane mikroskopije (FKPM), ki omogoča popolno karakterizacijo direktorskih polj, smo raziskovali metastabilne direktorske strukture, ki nastanejo v kiralnih nematskih kapljicah s homeotropnim sidranjem po temperaturnem kaljenju. V kapljicah velikosti nekaj deset mikrometrov so s temperaturnim kaljenjem dostopna metastabilna stanja s številnimi enotskimi topološkimi defekti s skupnim topološkim nabojem +1. Obstojnost teh defektov omogočajo kiralne strukture, imenovane holesterični mehurčki, ki so sorodne skirmionom v kiralnih magnetih. Nekatere metastabilne strukture vsebujejo tudi prvič opažene topološke defekte z večkratnikom osnovnega topološkega naboja. Ti novoodkriti defekti omogočajo gradnjo kompleksnih topoloških struktur, ki spominjajo na molekule in so zanimive za gradnjo samosestavljenih struktur različnih simetrij. Raziskava je bila objavljena v članku ťHidden topological constellations and polyvalent charges in chiral nematic dropletsŤ v Nature Communications (2017, DOI: 10.1038/ncomms14594).
Slika 2: Točkasti defekti z višjim topološkim nabojem v kiralnih nematskih kapljicah.
Fraktalni nematski koloidi
Pokazali smo tvorbo fraktalnih topoloških stanj v nematskih tekočinah, ki smo jih ustvarili s sklopitvijo fraktalnih koloidnih delcev in nematskih tekočih kristalov Raziskava je bila objavljena v članku ťFractal nematic colloidsŤ, ki je izšel v Nature Communications (2017, DOI: 10.1038/ncomms14026). V numeričnih izračunih je bilo uporabljeno mezoskopsko fenomenološko modeliranje na osnovi končnih elementov, eksperimentalno pa smo z dvofotonsko lasersko polimerizacijo ustvarili koloidne delce v obliki fraktalnih ťKochovihŤ snežink in jih potem z optično mikroskopijo preučevali v tekočekristalnem okolju. Raziskave so temeljile na numeričnih simulacijah, ki so jih izvedli na Fakulteti za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani ob podpori skupine na Sharif University of Technology, in eksperimentih, ki so bili izvedeni na Odseku za fiziko trdne snovi (F5) Instituta „Jožef Stefan“.
Slika 3: Nematska topološka stanja, stabilizirana s fraktalnimi koloidnimi delci Kochovih zvezd.
S polji nadzorovane strukture v feromagnetnih holesterikih*
Z našim modeliranjem smo se pridružili raziskavam, ki so jih opravile druge IJS skupine na suspenzijah magnetnih nano-koloidnih ploščic v holesterikih. Magnetni momenti ploščic se orientirajo vzdolž nematskega direktorja, zato se material linearno odziva na šibka magnetna polja. Brez zunanjih polj so opazili spiralni red, ki je bil glede na površine in zgodovino vzorcev neurejen ali urejen v zapletene vzorce. S kombinacijami šibkih magnetnih in električnih polj je mogoče reverzibilno nadzorovati strukture. (Science Adv. 2017, DOI: 10.1126 / sciadv.1701336).
Slika 4: (A) Prehodna struktura, ki se razvije iz polarne translacijsko invarjatne konfiguracije pri konstantni napetosti. (B) Po izklopu napetosti. Rumene črte na slikah POM označujejo regije, ki ustrezajo spremljajočim izračunanim strukturam.
Topološki defekti v tankih nematičnih lupinah
Teoretično in eksperimentalno smo preučevali strukturo močno nabitih nematičnih topoloških defektov v nematičnem tekočem kristalu, ograjenem v tanke plasti. Ugotovili smo pogoje, pri katerih defekti razpadejo v elementarne komponente. V eksperimentu smo vsilili defekte z AFM-vtisom želenih nematičnih struktur v ograjevalne plošče. V teoretični analizi smo uporabili Landau-de Gennesov mezoskopski opis. Raziskava je zanimiva z interdisciplinarega vidika. Topološki defekti so namreč mogoči kandidati za opis osnovnih delcev, če polja predstavljajo fundamentalno osnovo narave. Raziskave so objavili v članku ťDecomposition vs. escape of topological defects in a nematic liquid crystalŤ v reviji Soft Matter (2017, DOI: 10.1039/C7SM01954H) in članku ťDecomposition of strongly charged topol, ogical defectsŤ v Physical Review E (2017, DOI: 10.1103/PhysRevE.95.042702). Slednjega je uredništvo revij Physical Review poudarilo zaradi enostavne predstavitve in fundamentalne vsebine.
Slika 5: Topološki defekt z vsiljenim nabojem m = 6 razpade na 12 elementarnih nabojev, ki so zbrani na ograjevalni površini. Pojav je analogen Faradayevem efektu iz elektrostatike.
Nematska mikrofluidika: sklopitev topoloških defektov v orientacijskih in hitrostnih poljih
S kombinacijo eksperimentov, numeričnih simulacij ter analitičnega modela se je pokazalo, kako v stikih mikrokanalov medsebojno interagirajo topološki defekti v hitrostnem polju ter topološki defekti v orientacijskem polju nematika, kar je eden prvih prispevkov v smeri obravnave in razumevanja sklopljene topologije več polj. Raziskava je bila objavljena v članku ťCross-talk between topological defects in different fields revealed by nematic microfluidicsŤ v reviji PNAS (2017, DOI: 10.1073/pnas.1702777114). Delo je bilo predstavljeno tudi na 14. Evropski konferenci o tekočih kristalih v Moskvi, kjer je Žiga Kos dobil nagrado za najboljši plakat. Raziskava je rezultat sodelovanja med IJS, FMF UL, Leiden University (Nizozemska) in ETH (Švica). Podrobno smo raziskali defekte tudi pri pravokotnem križanju treh cilindričnih por za različne tokovne režime. Članek “Nematodynamics and structures in junctions of cylindrical micropores” smo objavili v Liquid Crystals (2017, DOI: 10.1080/02678292.2017.1355990).
Slika 6: Pojav nematskih topoloških defektov in hidrodinamskih singularnosti v mikrofluidnem križišču.
Izboljšana simulacija polariziranih mikroskopskih slik in njena uporaba
Razvili smo enostavno metodo za simulacijo polariziranih mikroskopskih slik direktorskih polj v optično anizotropnih materialih. Jonesova matrična formulacija omogoča upoštevanje parametrov, kot so fokusna globina in numerična apertura mikroskopskega objektiva, delovanje metode pa smo preverili s primerjavo eksperimentalnih polariziranih mikroskopskih slik ter simuliranih, ki so bile izračunane na podlagi direktorskih polj, pridobljenih z metodo fluorescentne konfokalne polarizacijske mikroskopije (FKPM) iz eksperimentov. Članek “Ray optics simulations of polarised microscopy textures in chiral nematic droplets” je bil objavljen v Liquid Crystals (2017, DOI:10.1080/02678292.2016.1230788). Metoda FKPM je bila uporabljena tudi za karakterizacijo lokaliziranih kiralnih struktur, ki se tvorijo v homeotropnih plasteh kiralnega nematika pod vplivom izmeničnega električnega polja. Lokalizirane kiralne strukture se vedejo kot kvazidelci in tvorijo urejene mreže s heksagonalno simetrijo, zaradi njihove bistabilnosti pa se lahko uporabijo kot preklopne difrakcijske optične naprave Raziskava ťTopology-commanded optical properties of bistable electric-field-induced torons in cholesteric bubble domainsŤ je bila objavljena v Scientific Reports (2017, DOI: 10.1038/s41598-017-16241-4).
Slika 7: Metoda FKPM omogoča rekonstrukcijo direktorskih polj iz eksperimentalnih podatkov. Prikazane so lokalizirane kiralne strukture v tankih homeotropnih plasteh.
Optotermični transport delcev v tekočem kristalu
Prikazali smo transport mikrodelcev s premikanjem laserske pincete v omejenem nematskem tekočem kristalu. Delci se premikajo zaradi tekočinskega toka, ki ga povzročata dva mehanizma. Zaradi temperaturno odvisne viskoznosti se delci gibljejo v nasprotni smeri premikanja laserja, medtem ko se zaradi lokalnega taljenja tekočega kristala gibljejo v smeri premikanja laserja. Pokazali smo, da lahko kontroliramo transport delcev s spreminjanjem hitrosti položaja in moči laserja. Članek ťOptothermally driven colloidal transport in a confined nematic liquid crystalŤ je bil objavljen v Soft Matter (2017, DOI: 10.1039/C7SM00136C).
Slika 8: Kroženje laserske pincete povzroči hidrodinamski tok v tekočem kristalu. Prikazan je krožni tok v dveh različnih smereh.
Uravnavanje ťwhispering gallery modeŤ laserja v obliki mikrokapljice feromagnetnega nematika z magnetnim poljem
Pokazali smo, da mikrokapljica iz fluorescenčno obarvanega feromagnetnega nematskega tekočega kristala lahko deluje kot ťwhispering gallery modeŤ laser. Valovne dolžine laserske emisije lahko uravnavamo z zunanjim magnetnim poljem, saj le-to povzroči elastične deformacije v direktorskem polju sicer radialne kapljice. Geometrija eksperimenta določa, ali se bodo valovne dolžine premaknile proti modri ali rdeči. Dosežen premik je približno 1 nm/100 mT. Delo ťMagnetic-field tuning of whispering gallery mode lasing from ferromagnetic nematic liquid crystal microdropletsŤ je bilo objavljeno v Optics Express (2017, DOI: 10.1364/OE.25.001073).
Slika 9: Elastične deformacije v feromagnetni nematski kapljici
Biološki laserji
V biološke sisteme smo vgradili optične naprave, kot so optični valovodi in laserji. Integracija optičnih naprav in bioloških sistemov omogoča bolj natančno preučevanje bioloških procesov, diagnostiko in bolj ciljane medicinske posege. Laserje smo vgradili v različna tkiva, kot na primer kožo, oko in kri. Raziskava je bila objavljena v članku ťWhispering-gallery-mode emission from biological luminescent protein microcavity assembliesŤ v reviji Optica (2017, DOI: 10.1364/OPTICA.4.000222). Laserje smo naredili tudi iz snovi, ki so že dovoljene za uporabo v medicinske namene, kar bo omogočalo njihovo uporabo tudi pri ljudeh. Laserje v živih celicah smo uporabili za njihovo označevanje, objavljeno članku ťSpectral reading of optical resonance-encoded cells in microfluidicsŤ v Lab Chip (2017, DOI: 10.1039/C7LC00220C). Vsak laser v celici seva spekter svetlobe z malo drugačnim prstnim odtisom, ki ga enostavno preberemo in uporabimo kot črtno kodo za označevanje celice. Z pravilno kombinacijo laserjev lahko unikatno označimo do bilijon celic (1 000 000 000 000), kar je istega velikostnega reda kot število celic v človeškem telesu. Označevanje celic bo omogočalo študije migracij celic, vključno z metastazo raka.
Slika 10: Celice, ki vsebujejo laserje, v mikrofluidičnem kanalčku. Laserje uporabljamo kot črtne kode za označevanje celic.
Molekulski motorji
Raziskali smo zlom zrcalne simetrije v embrionalnem razvoju modelskega organizma ribe zebrice. Že nekaj časa je znano, da so za prenos kiralnosti z molekulske na makroskopsko skalo odgovorne migetalke, ki s svojim gibanjem ustvarijo krožne tekočinske tokove. Na vprašanje, kako celice zaznajo tekočinski tok, pa neposrednega odgovora še ni bilo. V sodelovanju z eksperimentalnima skupinama iz Strasbourga in Pariza smo natančno določili porazdelitve migetalk v večjem številu zarodkov ter podatke uporabili za preizkus obstoječih hipotez. Pokazali smo, da so tokovi prešibki in preveč neenakomerni za neposredno mehansko detekcijo. Po drugi strani pa detekcija delcev, ki jih prenaša usmerjen tok, omogoča robustno določitev strani in je tako konsistentna z zanesljivostjo, ki jo najdemo v naravi. Članek ťPhysical limits of flow sensing in the left-right organizerŤ je bil objavljen v eLife (2017, DOI: 10.7554/eLife.25078).
Slika 11: Shematski prikaz gibanja migetalk v Kupferjevem veziklu
Nanožičke volframovih oksidov kot viri elektronov
Raziskavo lastnosti poljske emisije elektronov iz naključno orientiranih nanožičk W5O14 smo objavili v članku ťSynthesis and field emission characteristics of W5O14 nanowires filmŤ v reviji Microelectronic Engineering (2017, DOI: 10.1016/j.mee.2016.12.026). Izstopno delo posameznih nanožičk W5O14 je bilo izmerjeno s Kelvinovo mikroskopijo v UHV in ima vrednost od 4,23 eV do 4,36 eV. Zaradi relativno nizke električne upornosti in velike specifične površine te monokristalne nanožičke omogočajo visoke gostote toka že pri nizkem električnem polju. Ta pojav si razlagamo s kombinacijo visokega faktorja ojačitve polja in vrednostjo izstopnega dela nanožičk, ki je nižja od tipične vrednosti za ogljikove nanocevke. Preizkus časovne stabilnosti je pokazal, da nanožičke lahko zvezno emitirajo elektrone več kot 100 h in so tako primerljive z ogljikovimi nanocevkami.
Slika 12: Emisijski tok nanožičke v odvisnosti od napetosti in ustrezna gostota toka v odvisnosti od električnega.
Nanomateriali za maziva
Uporabili smo nanodelce dihalkogenidov prehodnih kovin za izboljšanje triboloških lastnosti maziv. Dokazali smo sinergijo med nanocevkami MoS2 in protiobrabnimi spojinami in detergenti, delno sinergijo z dodatki za velike obremenitve in antagonistično interakcijo z disperzanti. Raziskavo smo v članku ťInteractions between MoS2 nanotubes and conventional additives in model oilsŤ objavili v reviji Tribology International (2017, DOI: 10.1016/j.triboint.2017.01.036). Pri izjemno velikih obremenitvah so bile nanocevke MoS2 v sinergiji z vsemi aditivi. Pri recipročnem drsenju so pokazale nanocevke MoS2 izjemne protiobrabne lastnosti v kombinaciji s katerim koli izbranim dodatkom.
Slika 13: Z dodajanjem nanodelcev lahko zmanjšamo koeficient trenja maziv.
Nanovarnost
O rezultatih raziskave vnosa nanodelcev platine pri rukoli in endiviji smo poročali v članku ťFoliar surface free energy affects platinum nanoparticle adhesion, uptake, and translocation from leaves to roots in arugula and escarole”, ki je bil objavljen v reviji Environmental Science: Nano (2017, DOI: 10.1039/C7EN00887B). Naši rezultati so pokazali, da rukola in endivija nanodelce Pt internalizirajo in prenašajo iz listov v korenine in od korenin do listov. V listih obeh rastlin so se nabrale večje koncentracije Pt zaradi pomanjkanja fizične pregrade med listi in nanodelci Pt, ki smo jih nanesli na liste v obliki disperzije. Te ugotovitve kažejo na potrebo po vključitvi kriterija kakovosti zraka kot dejavnika pri razpravah o varnosti hrane pridelane na urbanih vrtovih.
Slika 14: Koncentracije platine v listih rukole in endivije po nanosu nanodelcev Pt na korenine (RE) ali na liste (FE).
Rast in lastnosti tankih plasti oksidov prehodnih kovin
V sodelovanju s PLD-skupino Odseka za raziskave sodobnih materialov smo pripravili urejene od 4 nm do 100 nm debele plasti SrRuO3 na STO-podlagi. Stroncijevi rutenati zaradi primerljivih prispevkov elektronskih korelacij in strukturnih vplivov kažejo zelo raznolike elektronske lastnosti. Z rastjo tankih plasti na različnih podlagah lahko spreminjamo napetost v plasti in tako kontrolirano spreminjamo lastnosti teh materialov. Plasti so bile karakterizirane z vrstično tunelsko mikroskopijo in spektroskopijo pri temperaturah do 1 K. Površina plasti je mestoma urejena, njihove elektronske lastnosti pa so primerljive z lastnostmi površin kosovnih vzorcev tega materiala.
Slika 15: Delno urejena površina 10 osnovnih celic debele plasti SrRuO3.
Kvazikristalne strukture
Pokazali smo, da je mogoče ikozaedrične kvazikristale strukture pravilno opisati z cikličnim dvojčenjem na nivoju osnovnih celic. Rezultate smo objavili v članku “The equivalence between unit-cell twinning and tiling in icosahedral quasicrystals” ki je bil objavljen v Scientific Reports (2017, DOI: 10.1038/s41598-017-12669-w). Simulirane uklonske slike večkratno dvojčenih romboedrov se v popolnosti ujemajo z eksperimentalnimi uklonskimi slikami in jih tako lahko indeksiramo z orodji klasične tridimenzionalne kristalografije. Naš alternativni način je v celoti kompatibilen z dokaj kompliciranim opisom v hiperprostoru.
Slika 16: Zlaganje dveh rombskih heksekontaedrov, sestavljenih iz 20 dvojčenih širokih romboedrov in 2 ozkih romboedrov (modro).
Ultrahladni atomi
Pokazali smo, da lahko hkrati ustvarimo dva ločena Bose-Einsteinova kondenzata cezijevih atomov. Z omejitvijo kondenzatov v ozek, kvazi enodimenzionalen kanal in pazljivim spreminjanjem interakcij med atomi ju lahko spremenimo v solitona, to so stacionarna stanja, ki med potovanjem ohranjajo obliko. S hitro spremembo interakcij med atomi v razpotegnjenem Bose-Einsteinovem kondenzatu pa lahko ustvarimo mnogo solitonov, ti tvorijo t. i. solitonski vlak. Solitone nato spravimo v gibanje in opazujemo njihovo premikanje in interakcijo s sosednjimi solitoni.
Slika 17: Trk dveh solitonov, pripravljenih iz dveh neodvisnih Bose- Einsteinovih kondenzatov cezijevih atomov.
* Z zvezdico označene študije so prispevali raziskovalci, ki so člani samo FMF dela programa.
Topologija tekočih kristalov: singularnosti, skirmioni in toroni
V ograjenih kiralnih nematskih tekočih kristalih, kot so kapljice in take plasti, obstajajo zanimivi topološki pojavi, ki smo jih napovedali in delno opazovali. Predvsem vozlov in vezi v kiralnih nematskih kapljicah zaradi pomanjkanja ustreznih eksperimentalnih metod nismo uspeli potrditi z opazovanjem. Zato smo razvili novo metodo za rekonstrukcijo direktorskega polja, ki temelji na FCPM-slikanju (Fluorescent Confocal Polarisation Microscop Imaging) v kristalih z nizkim dvojnim lomom in dodanimi fluorescenčnimi barvili. Izbrali smo tudi nov način rekonstrukcije direktorskega polja v kiralnih nematskih kapljicah na podlagi simuliranega algoritma žarjenja. Ta kombinirana metoda se je izkazala za zelo učinkovito pri rekonstrukciji eksperimentalnih 3D FCPM-slik. Opazili smo, da se v kiralnih nematskih kapljicah v snoveh z nizko dvolomnostjo topološke singularnosti vedno pojavijo v obliki točkastih defektov ali preprostih zank, ki niso nikoli zavozlane ali spletene. Kompleksnost topoloških struktur v kiralnih nematskih kapljicah je odvisna od razmerja med hodom vijačnice tekočega kristala in premerom kapljice. Pri nizki kiralnosti je število točkastih defektov manjše in so navadno izrinjeni na površino kapljice. Število defektov je vedno liho, kar je potrebno zaradi ohranjanja skupnega topološkega naboja. Uspešno smo rekonstruirali strukturo kapljice s tremi točkastimi defekti, ki je pokazala prečni prerez Blochovega skirmiona, ki je podoben skirmionskim strukturam v kiralnih magnetih. Ko je število točkastih defektov preseglo 5 pri višjih kiralnostih, smo opazili še eno topološko strukturo, ki je podobna toronskim strukturam v tankih plasteh kiralnega tekočega kristala. Tako skirmionske kot toronske strukture so gladko vključene v sferično obliko kapljice. Gre za prvo točno rekonstrukcijo topologije 3D-direktorja v kiralnih nematskih kapljicah, rezultate pa smo objavili v članku ťPoints, skyrmions and torons in chiral nematic dropletsŤ v znanstveni reviji Scientific Reports (2016, DOI: 10.1038/srep26361).
Slika 1: Primeri (a–d, i–l) fluorescenčnih slik, posnetih pri različnih polarizacijah žarka za vzbujanje fluorescence. Paneli (e–h in m) prikazujejo rekonstruirano strukturo direktorja.
Skirmionske strukture smo opazili tudi v tanki plasti nematskega tekočega kristala na površinah z vzorčenimi predeli. Ko smo vzorec hitro ohladili iz povsem urejenega stanja z močnim zunanjim električnim poljem, se je direktor na vzorčenih predelih spontano sprostil v strukturo v obliki vrtinca, ki je imela izhodišče na vzorčenem predelu, kot je razvidno iz navzkrižno polarizirane podobe na sliki 2. Rezultati teh poskusov so bili objavljeni v članku ťElectric field generation of Skyrmion-like structures in a nematic liquid crystalŤ, ki je izšel v Soft Matter (2016, DOI: 10.1039/C5SM01726B).
Slika 2: Skirmioni so vrtinčaste strukture, ki so jasno prikazani med prekrižanima polarizatorjema. (a) Debelina vzorca je 4 μm, napetost pa 30 V. (b, c) Numerični simulaciji direktorskega polja z dvema različnima skirmionskima strukturama. (d, e) Prerez direktorskega polja skirmiona (z = 0).
Holesterične lupine
Kapljice holesterika ponavadi kažejo nenavadno radialno defektno strukturo, ki kaže fascinantno analogijo z Diracovim monopolom, hipotetičnim magnetnim nabojem. Kljub zanimanju za podobnost je narava tega defekta ostala neraziskana, dokler eksperimenti (ESCPI Paris) in naše simulacije niso pokazali, da je v sferičnih holesteričnih lupinah defektna struktura sestavljena iz dveh linijskih defektov, ki se med seboj ovijeta v dvojno vijačnico (Slika 3). S spreminjanjem kiralnosti v reverzibilnem prehodu, ki ga spremlja nenavadna plesu podobna dinamika defektnih linij vodi v dva ločena sklada disklinacijskih obročev (PNAS 2016, DOI: 10.1073 / pnas.1525059113). S podrobnejšimi poskusi (ESCP Paris) in našimi simulacijami je bilo ugotovljenih pet možnih defektnih konfiguracij. Med njimi so bili tudi stabilne defektne linije +3/2, ki so jih prej opazili le pri eksotičnih nematikih ali zapletenih ograjenih strukturah (Soft Mat. 2016, DOI: 10.1039 / C6SM01748G).
Slika 3: (A) Slika s prekrižanima polarizatorjema holesterične lupine z monovalentno strukturo radialnih defektov (merilna črtica, 20 μm). (B) Simulirana holesterična lupina z radialno sferično strukturo.
Ugotavljanje površinske morfologije bioloških vlaken z označevanjem pajkovih mrež in celuloznih vlaken z nematskimi kapljicami
Pokazali smo, da tekočekristalne kapljice, prebodene z mikrotankimi biološki vlakni, kot so pajkova mreža in celulozna vlakna, pokažejo površinske karakteristike vlaken ter delujejo kot občutljivi senzorji za površino. S povezavo eksperimentov in numeričnega modeliranja smo identificirali različna vlakna z interakcijo med nematsko kapljico in vlaknom, vključno s pravokotnim, aksialnim in helikoidnim planarnim urejanjem molekul. Nematske kapljice se lahko uporabijo tudi za neposredno določanje kiralnosti vlaken. Pokazali smo tudi različne prepletenosti vlaken prek kapljic, postavljenih natančno na mesta prepleta. V širšem opisana metoda kaže možnosti za uporabo kot preprost, vendar izredno učinkovit način za preizkušanje površinskih lastnosti majhnih mikroobjektov, kar bi omogočilo njihovo natančno karakterizacijo. Delo je rezultat sodelovanja med skupinama za fiziko mehkih snovi v Ljubljani (modeliranje) in Lizboni (eksperimenti). Rezultati so bili objavljeni v članku ťSensing surface morphology of biofibers by decorating spider silk and cellulosic filaments with nematic microdropletsŤ v reviji PNAS (2016, DOI: 10.1073/pnas.1518739113).
Slika 4: Kapljice kompleksne nematske tekočine delujejo kot robustni senzorji za določanje površinske morfologije bioloških vlaken, kot so pajkove mreže in celulozna vlakna (PNAS 2016, DOI: 10.1073/pnas.1518739113).
Porozna nematska mikrofluidika za ustvarjanje defektnih mrež kot fotonskih kristalov
Pokazali smo, da lahko porozno nematsko mikrofluidiko uporabimo kot nov način za ustvarjanje in nadzor nad mikrostrukturami v nematskem redu. Odkrili smo pojav novih regularnih mrež topoloških defektov različnih simetrij: od trikotniške, kvadratne do celo kagome. Pokazani način kaže zanimive možnosti za ustvaranje fotonskih kristalov, ki jih vodi materialni tok. Odkritja so bila objavljena v članku ťNematic microfluidics for generation of umbilic defects and umbilic defect latticesŤ v reviji Phys. Rev. Fluids (2016, DOI: 10.1103/PhysRevFluids.1.023303).
Slika 5: Porozni nematski mikrokanali kot generatorji mreže umbiličnih defektov (Phys. Rev. Fluids 2016, DOI: 10.1103/PhysRevFluids.1.023303).
Dinamika anihilacije topoloških monopolov na vlaknu v nematskem tekočem kristalu
Raziskali smo dinamiko topoloških defektov na steklenem vlaknu v nematskem tekočem kristalu. Uporabili smo lasersko pinceto za tvorbo parov topoloških monopolov z nasprotnima nabojema in opazovali njihovo anihiliranje. Ko smo postavili vlakno pravokotno na smer nematskega direktorja, smo ustvarili pare točkastih monopolov v obliki radialnega in hiperboličnega defekta, med katerima smo izmerili privlačno silo sorazmerno obratni vrednosti razdalje med defektoma, podobno kot velja za privlačno silo med dvema električnima nabojema Rezultate smo predstavili v članku ťAnnihilation dynamics of topological monopoles on a fiber in nematic liquid crystalsŤ v Phys. Rev. E (2016, DOI: 10.1103/PhysRevE.93.062703). Kadar je bilo vlakno postavljeno v smeri nematskega direktorja, smo ustvarili pare dveh obročkastih monopolov, to je Saturnovega obroča in Saturnovega antiobroča. Pokazali smo, da je v primeru, kadar je debelina tekočega kristala precej večja od premera vlakna, elastična privlačna sila ponovno obratno sorazmerna s kvadratom medsebojne razdalje. V primeru tanke plasti tekočega kristala pa se pojavi dodatna sila, ki je posledica tvorbe defektne linije, ki ta dva obroča povezuje. Ta sila je neodvisna od razdalje med obročema in pri velikih medsebojnih razdaljah prevlada nad elastično silo Coulombovega tipa. Odkrili smo tudi, da se dinamika anihilacije monopolov na vlaknu zelo razlikuje za debele in tanke plasti nematskega tekočega kristala. V debelih celicah med defektoma obstaja privlačna sila Coulombovega tipa, brez kakršne koli druge sile v ozadju, ki se zmanjšuje obratno sorazmerno s kvadratom razdalje med defektoma. Pri celicah debeline premera steklenega vlakna pa obstaja druga prevladujoča sila, ki je linearna in neodvisna od razdalje med defektoma. Izkazalo se je, da ta konstantna privlačna sila v tankih celicah nastane zaradi medsebojne povezanosti topoloških defektov z dodatnimi defektnimi linijami, ki potekajo po površini vlakna. Rezultati so bili objavljeni v članku ťDynamics of topological monopoles annihilation on a fibre in a thick and thin nematic layerŤ v Eur. Phys. J. E, (2016: DOI: 10.1140/epje/i2016-16100-0).
Slika 6: Pri hitrem ohlajanju tekočega kristala iz izotropne v nematsko fazo nastane množica defektnih linij (a), od katerih se dva para Saturnovih obročev stabilizirata na optičnem vlaknu (c).
Topološki defekti v tankih nematičnih lupinah
Numerično smo preučevali topološke defekte (TD) v sklenjenih efektivno dvodimenzionalnih plasteh z ravninsko orientacijsko urejenostjo. Vpeljali smo mehanizem izničenja efektivnega topološkega naboja, ki nadzoruje krajevno zbiranje TD in tvorbo parov defekt-antidefekt na ukrivljenih površinah ob prisotnosti ustreznih ťnečistočŤ (npr. nanodelcev). V površinski krpi, ki jo karakterizira značilna krajevno povprečna Gaussova ukrivljenost K, smo vpeljali efektivni topološki naboj meff. Slednji je sestavljen iz realnega TD, virtualnega TD in TD razmazane ukrivljenosti. Demonstrirali smo močno težnjo nevtralizacije meff -> 0 v vsaki površinski krpi plasti, sestavljene iz površinskih delov z različnimi vrednostmi K. Za nenični meff smo na osnovi elektrostatske analogije izpeljali kritični pogoj odpenjanja parov defekt-antidefekt. Delo je bilo predstavljeno v članku ťEffective Topological Charge Cancelation MechanismŤ v Scientific reports (2016, DOI: 10.1038/srep27117).
Slika 7: Kritični pogoj tvorbe para defekt- antidefekt v nematski lupini. V panelih (a, b) je prikazan nematski red v (u, s) ravnini tik pod prehodom in nad njim. Lupina, ki ustreza kritičnemu pogoju, je predstavljena v panelu (c). V panelu (d) so predstavljene energijske spremembe in efektivni topološki naboj za tvorbo para v odvisnosti od geometrije sistema.
Biorazgradljivi optični valovodi za uporabo v fotomedicini
Izdelali smo novo vrsto optičnih valovodov, ki so uporabni za fotomedicino globoko v tkivu. Valovodi so narejeni iz biološko kompatibilnih materialov, ki so dovoljeni za uporabo v medicinske namene, in jih telo sčasoma razgradi brez stranskih učinkov. Valovodi so uporabni za vrsto različnih medicinskih laserskih posegov in za diagnostiko globoko v telesu. Brez takih valovodov je bila laserska medicina doslej zaradi zelo omejene penetracije svetlobe v tkiva omejena le na površinske posege. Valovode smo uporabili npr. za lasersko lepljenje globokih ran, kar omogoča hitrejše celjenje in manjše brazgotinjenje. Valovodi so uporabni tudi za medicinsko diagnostiko, laserske operacije in svetlobno terapijo. Študijo smo objavili v članku ťBioabsorbable polymer optical waveguides for deep-tissue photomedicineŤ v Nature Communications (2016, DOI: 10.1038/ncomms10374).
Slika 8: Biorazgradljivi optični valovod, skozi katerega je zelena laserska svetloba usmerjena v kožno tkivo.
Superresolucijska mikroskopija na osnovi mikrolaserskih delcev
Razvili smo novo mikroskopsko metodo, ki namesto navadnih fluorescentnih molekul uporablja mikroskopske laserske delce, primešane vzorcu. Glavna lastnost mikrolaserjev je njihov zelo nelinearen odziv na intenziteto črpalnega žarka, ki ga premikamo po vzorcu, da ustvarimo 2D- ali 3D-sliko. Če je intenziteta črpalnega žarka malo nad pragom laseriranja mikrolaserja, bo ta oddajal lasersko svetlobo le, če bo točno v centru žarka. To omogoča superresolucijsko in konfokalno slikanje z zelo šibkim ozadjem in brez konfokalne odprtine. Z uporabo laserjev v obliki nanožic smo pokazali 6-krat boljšo ločljivost kot pri navadni fluorescenčni mikroskopiji. Novo mikroskopsko metodo smo poimenovali ťLaser particle-based stimulated emission microscopyŤ (LASE) in jo v članku predstavili v Phys. Rev. Lett. (2016, DOI: 10.1103/PhysRevLett.117.193902).
Slika 9: (a) Umetniški prikaz laserja v obliki nanožice, ki je osvetljen z zunanjim žarkom svetlobe. (b) Primerjava resolucije navadnega fluorescenčnega mikroskopa in nove LASE- mikroskopije.
Mikrofotonika tekočih kristalov
Nadaljevali smo raziskave možnih aplikacij tekočih kristalov in njihovih struktur, kot so kapljice in vlakna, na področju mikrofotonike. Numerično smo prikazali valovno vodenje laserskih curkov z dvolomnimi profili pobeglih topoloških defektnih linij. Radialno pobegli profili nematskih direktorjev tekočih kristalov z negativnim dvojnim uklonom lahko fokusirajo in vodijo svetlobo z radiopolarizacijo, nasprotna azimutna polarizacija pa prehaja skozi brez učinka. Demonstrirali smo tudi lečenje tekočih kristalov, ki ga je mogoče nadzorovati z zunanjim električnim poljem. Svetlobna prepustnost je majhna in pobegle defektne linije bi lahko potencialno bile uporabljene za fotonsko valovno vodenje. Raziskovali smo tudi laserske lastnosti kiralnih nematskih 3D-mikrolaserjev, ki smo jih polimerizirali, kot je prikazano na sliki 24. Laseriranje je pokazalo dva različna mehanizma, in sicer sevanje z roba energijske vrzeli in sevanje z WGM (Whispering Gallery Modes). Pokazano je bilo tudi, da polarizacija tekočega kristala zelo poveča stabilnost laserja. Razširjen pregledni članek ťLiquid-crystal micro-photonicsŤ, v katerem so povzeti glavni aspekti mikrofotonike tekočih kristalov, vključno z nematskimi koloidi in disperzijami tekočih kristalov, smo objavili v Liquid Crystal Reviews (2016, DOI: 10.1080/21680396.2016.1157768).
Slika 10: Disperzija polimeriziranih kiralnih nematskih kapljic v glicerolu. Rdeče barve so zaradi fluorescenčne barve DCM, ki smo jo dodali tekočemu kristalu. Spodnji paneli prikazujejo kapljice in SEM-podobe grozdov polimeriziranih in posušenih mikrolaserjev.
Molekulski motorji
V sodelovanju z raziskovalci iz Dresdena in Varšave smo raziskali delovanja motornega proteina kinezina-14. Čeprav je glavna naloga večine citoskeletnih motorjev vzdolžno gibanje, lahko v mnogih primerih opazimo, da motorji na vlakna delujejo tudi z navorom, ki povzroča sučno gibanje. Pomen tega navora še ni znan, lahko pa bi bil udeležen pri določitvi kiralnosti nekaterih organizmov. V našem eksperimentu so motorji fiksirani na podlago in poganjajo mikrocevke, katerih vzdolžno in sučno gibanje hkrati merimo s pripetimi kvantnimi pikami in FLIC-mikroskopijo. Nepričakovano je perioda sučnega gibanja močno odvisna od koncentracije molekul ATP v raztopini. Razvili smo minimalen mehansko-kemijski model za delovanje kinezina-14, s katerim lahko to odvisnost razložimo, poleg tega pa nam omogoča rekonstrukcijo delovnega cikla motorja. Rezultati so vzorčen primer, kako lahko iz meritev na večjem vzorcu ugotovimo lastnosti posamične molekule. Ugotovitve smo objavili v članku ťWorking stroke of the kinesin-14, ncd, comprises two substeps of different directionŤ v Proc. Natl. Acad. Sci., USA (2016, DOI: 10.1073/pnas.1525313113).
Slika 11: Meritev vzdolžnega in sučnega gibanja mikrocevk z uporabo kvantnih pik in FLIC-Mikroskopije
Nanomateriali za maziva
Trde prevleke se uporabljajo za protiobrabno zaščito že desetletja, vendar brez prilagoditve standardnih maziv za njihovo uporabo. V članku ťTribological performance of TiN, TiAlN and CrN hard coatings lubricated by MoS2 nanotubes in Polyalphaolefin oilŤ, objavljenem v Wear (2016, DOI: 10.1016/j.wear.2016.01.020), smo poročali, da dodatek nanocevk MoS2 v polialfaolefinskih (PAO) oljih pomembno zmanjša trenje in obrabo na orodnem jeklu AISI D2, prekritem s trdimi prevlekami. Izvedli smo primerjalne preizkuse z uporabo standardnih ploščic MoS2 v olju PAO za mazanje trdih prevlek. V vseh primerih so nanocevke MoS2 izrazito zmanjšale trenje (na CrN za 55 %, na TiN za 65 %, na TiAiN 25 %), medtem ko so bile ploščice MoS2 manj učinkovite ali pa so trenje celo povečale. V članku ťTransitioning to sustainable production – Part III: developments and possibilities for integration of nanotechnology into material processing technologiesŤ objavljenem v J. of Cleaner Production (2016, DOI: 10.1016/j.jclepro.2015.08.064), smo poročali o bistveno boljših triboloških lastnostih hladilno-mazivnih sredstev na osnovi biorazgradljivih rastlinskih olj, ki so jim bile dodane nanocevke MoS2, v primerjavi s standardnimi tekočinami za obdelavo kovin.
Slika 12: Koeficienta trenja in obrabe pri obremenitvah 4 N in 20 N na kontaktu med CrN trdo prevleko in jekleno (100Cr6) kroglico. Kot mazivo smo uporabili čisto PAO-olje, PAO-olje z masnim deležem nanocevk MoS2 (PAO + NTs) 2 % oz. standardnih ploščic MoS2 (PAO + PTs).
Nizkodimenzionalni materiali
Molibdenov trioksid MoO3 spada med polprevodnike s široko energijsko režo. Uporablja se v sončnih celicah, v senzorjih in za shranjevanje energije. V članku ťOxygen deficiency in MoO3 polycrystalline nanowires and nanotubesŤ objavljenem v Materials Chemistry and Physics (2016, DOI: 10.1016/j.matchemphys.2015.12.033) smo poročali o prvi sintezi nanocevk MoO3 v ortorombski fazi z oksidacijo nanožičk molibden-žveplo-jod. Z metodo elektronske paramagnetne resonance smo z raziskavami paramagnetnih defektov (Mo5+) ugotovili primanjkljaj kisikovih atomov in ga razložili z ramansko spektroskopijo, kjer smo opazili nov resonančni pas (1004 cm–1).
Prve superstrukture na grafitu so bile opažene z vrstičnim tunelskim mikroskopom že pred desetletji. Nedavno se je zanimanje zanje povečalo, saj so jih našli na grafenu, ki je rastel na različnih podlagah. V članku ťInfluence of surface defects on superlattice patterns in graphene on graphiteŤ v Surface Science (2016, DOI: 10.1016/j.susc.2016.03.008) smo na podlagi eksperimentalnih podatkov poročali, da na orientacijo superstruktur v grafenu na grafitni podlagi vplivajo površinski defekti in robovi grafena. Superstrukture na grafenu obstajajo tudi takrat, ko grafen ni podprt z grafitom vzdolž celotnega področja. Modulacija gostote stanj vpliva na vezi med plastmi tako, da se grafen pretrga vzdolž minimumov superstrukture.
Slika 13: STM-slika superstrukture v grafenu, ki leži na grafitni podlagi.
Nanovarnost
V televizijski oddaji Ko znanost eksplodira, predvajani na nacionalni postaji RTV (Slo1) 17. 12. 2016 v izobraževalni oddaji Ugriznimo znanost, in v oddaji Črni trg pirotehnike cveti, ognjemeti pa imajo tudi zelo temno plat na komercialni TV-postaji (POP TV) v oddaji Inšpektor 22. 12. 2016, je M. Remškar poročala o onesnaženosti zraka z nanodelci, ki jo povzročajo ognjemeti in iskrice.
Majhne strukture in 1D-verige organskih molekul
Z natančno kontrolo razmer med procesom rasti lahko pripravimo različne nanorazsežne strukture in 1D-verige organskih BETS-molekul (slika 13) na površini srebra (111). Z nizkotemperaturno vrstično mikroskopijo in spektroskopijo preučujemo različne strukture in njihove lastnosti. Opazili smo ozko vrzel v gostoti elektronskih stanj 1D-verig, kar nakazuje, da so take verige polprevodne. Podobno kot smo opazili na enoslojnih otokih, pripravljenih iz istega materiala (monokristali (BETS)2GaCl4), lahko GaCl4-molekule zasedejo mesta med pari BETS-molekul in močno vplivajo na elektronske lastnosti molekulskih verig.
Slika 14: Visoko ločljiva STM-slika prikazuje pare organskih BETS-molekul, ki tvorijo mrežo kagome na površini Ag (111) (10,5 nm × 10,5 nm, T = 1,1 K, funkcionalizirana konica).
Ultra hladni atomi
V laboratoriju za hladne atome na Institut ťJožef StefanŤ so bili cezijevi atomi prvič izparilno ohlajeni do temperatur okoli 1 nK. Hkrati je bila povečana njihova gostota, kar pripelje do nastanka Bose-Einsteinovega kondenzata (slika 14). Sedaj poizkušamo povečati število atomov v kondenzatu in doseči kondenzacijo celo pri višjih temperaturah.
Slika 15: Slike hitrostne porazdelitve prikazujejo okoli 50 000 cezijevih atomov, ki so izparilno ohlajeni do temperatur okoli 1 nK, kjer se zgodi prehod v Bose-Einsteinov kondenzat.
* Z zvezdico označene študije so prispevali raziskovalci, ki so člani samo FMF dela programa.
Svetlobni nadzor topološkega naboja v nematskem tekočem kristal
Podobno kot električni naboji v elektromagnetizmu, so topološki naboji izviri fizikalnih polj, ki jih opazimo v superprevodnikih, superfluidih, hladnih atomih, feromagnetnih snoveh in celo svetlobi. V navedenih sistemih je izredno težko ustvariti in kontrolirati nastajanje topoloških nabojev. Povsem nasprotno je v tekočih kristalih, kjer topološke naboje pripišemo topološkim defektom v tekočih kristalih, te pa je mogoče enostavno ustvarjati, opazovati in z njimi upravljati. V tekočih kristalih so topološki defekti singularnosti orientacijskega polja, ki opisuje lokalno urejenost tekočega kristala. V članku z naslovom ťLight-controlled topological charge in a nematic liquid crystalŤ objavljenem v reviji Nature Physics (2015, DOI: 10.1038/NPHYS3194), je opisano upravljanje nastajanja topoloških defektov ob mikrovlaknu v nematskem tekočem kristalu, njihova manipulacija in analiza (slika 1). Z lasersko pinceto so avtorji ustvarili enega ali več parov defektov z nasprotnim topološkim nabojem, ki so jih lahko premikali in preoblikovali s silo laserske pincete. Opazili so dolgožive pare nasprotnih topoloških nabojev v obliki obročev ali točk, pripetih na mikrovlakno in topološko nevtralne zanke, ki so sestavljene iz dveh nasprotnih segmentov. V nadaljevalni objavi ťTopological binding and elastic interactions of microspheres and fibres in a nematic liquid crystalŤ, ki je izšla v Eur,Phys. J. (2015, DOI: 10.1140/epje/i2015-15023-6), so avtorji predstavili analizo topološke vezave mikrokroglic in mikrovlakna v nematskem tekočem kristalu. Opazili so spletanje delcev z defektnimi zankami in sile med topološkimi naboji, ki jih pripišemo mikrokroglicam in mikrovlaknom. Sile med delci je mogoče opisati s preprostim topološkim pravilom: enaki topološki naboji se med seboj odbijajo, nasprotni topološki naboji se privlačijo. Članek je bil posebej poudarjen v septembrski izdaji revije European Physical Journal, s sliko na naslovnici.
Slika 1: Ustvarjanje in anihiliranje topoloških nabojev na vlaknu. (a) Nematski tekoči kristal je segret v izotropno fazo z močno svetlobo laserske pincete, tako da nastane izotropni otok (Iso). Pri t = 0 je svetloba ugasnjena in NTK je hitro ohlajen v nematsko fazo (N). Gost preplet defektov se anihilira v manj kot eni sekundi. (b) NTK je hitro ohlajen iz izotropnega otoka, ki obdaja vlakno. Ustvari se par defektov z nasprotnimi topološkimi naboji. (c) Brez posredovanja se par anihilira v ťvakuumŤ. (d) LdG-simulacija saturnovega obroča in anti-saturnovega obroča z nasprotnimi naboji in ovojnimi števili. (e) Predznak naboja je preizkušen z uporabo odbojne sile med topološkimi naboji z enakim predznakom. (f) Na vlaknu lahko ustvarimo poljubno število parov obročev in antiobročev. Slike (a–c, f) so bile posnete med prekrižanima polarizatorjema in z rdečo ploščico, ki pokaže povprečno usmeritev molekul v različnih barvah.
Transformacija topoloških defektov pri prehodu iz nematski v smektično A-fazo
Raziskovali smo naravo topoloških defektov, ki spremljajo mikrokroglice s pravokotnim površinskim sidranjem tekočekristalnih molekul pri prehodu iz nematske v smektično A-fazo. Ker so topološki defekti področja z močno elastično deformacijo, pričakujemo znaten vpliv elastičnih konstant snovi. Le-te se znatno spremenijo pri faznem prehodu in nematske v smektično A-fazo. Opazili smo spremembo hiperboličnega točkastega defekta ob stekleni mikrokroglici iz točkovnega defekta v posebno obliko strukturnega defekta, ki je značilen za smektično A-fazo in se imenuje ťfocal conic lineŤ. Transformacija topološkega defekta znatno vpliva na naravo strukturne sile med paroma koloidnih delcev pri prehodu iz nematične v smektično A-fazo. Opažene spremembe je mogoče dobro pojasniti z Landau-de Gennesovim numeričnim modeliranjem. Delo je bilo objavljeno v reviji Physical Review E (2015, DOI: 10.1103/PhysRevE.92.052501). Direktorska struktura se v okolici faznega prehoda hitro spreminja in ima velik vpliv na koloidne sile, saj spreminja ravnovesno razdaljo med koloidnimi delci in njeno kotno odvisnost. Opažen je bil razpad 2D koloidnih kristalov, ki so stabilni v nematski fazi, vendar zlagoma in ireverzibilno razpadejo pri prehodu v smektično A-fazo.
Ultrahitro uravnavanje svetlobe s svetlobo v nematskem tekočem kristalu
Dosegli smo pomemben napredek na področju ultrahitrega uravnavanja toka svetlobe s svetlobo v nematskem tekočem kristalu, kar je bilo predstavljeno v dveh publikacijah naše skupine v reviji Optics Express v letu 2015. V sodelovanju z Radboud University, Nimegen, Nizozemska, smo izmerili ultrahitri optični odziv nematskega tekočega kristala, ki ga povzročimo z močnim femtosekundnim optičnim kontrolnim impulzom. V tipičnem „pump-probeŤ-eksperimentu (Slika 2) smo ugotovili, da optični impulz 100 fs povzroči spremembe lomnega količnika tekočega kristala, ki se zgodijo v času 500 fs. Spremembe lomnega količnika so posledice optičnega Kerrovega pojava, lomni količnik pa se spremeni za 10–4 pri gostoti energijskega toka vzbujevalnega laserja 4 mJ/cm2. Optični Kerrov pojav je v nematskih tekočih kristalih močno odvisen od polarizacije svetlobe in odpira nove možnosti fotonskih naprav na osnovi tekočih kristalov ( Optics Express, 23, 2015, DOI: 10.1364/OE.23.014010).
Slika 2: (a) Shematska slika poskusa ťpump-probeŤ, (b) časovna odvisnost prepustnosti nematskega tekočega kristala, (c) časovna odvisnost zasuka optične osi.
Nanonsekundno uravnavanje svetlobe s stimulirano emisijo v tekočem kristalu
Uravnavanje svetlobe s stimulirano emisijo uporabljamo v STED-mikroskopih za izboljšanje ločljivosti optičnega mikroskopa pod teoretično mejo. To dosežemo z manipuliranjem sevanja fuorescenčne svetlobe, ki jo oddajajo barvilne molekule v preiskovani snovi. Uporabili smo STED-tehniko za uravnavanje sevanja svetlobe v smektičnem A in nematskem tekočem kristalu ter ugotovili močno atenuacijo optičnih signalov na nanosekundni časovni skali. STED-efekt je v tekočih kristalih močno odvisen od polarizacije svetlobe, kar je posledica orientacijske urejenosti fluorescentnih molekul. To nam omogoča uravnavanje svetlobnih impulzov v področju GHz, kar vključuje uravnavanje prepustnosti optičnih impulzov in njihovo oblikovanje z resolucijo reda 100 ps. Objavljeno v članku Vitek in Muševič v Optics Express (2015 , DOI: 10.1364/OE.23.016921).
Realizacija teorije vozlov v nematskih koloidih
Teorija vozlov je veja topologije, ki študira enostavne, spletene in zavozlane zanke v 3D Euklidskem prostoru. Kreacija in kontrola vozlov v različnih fizikalnih sistemih je še vedno izziv za eksperimentalne laboratorije in nove topološke načine. Pokazali smo, kako lahko abstraktne koncepte zaznamo kot merljive optične lastnosti nematskih koloidov z zavozlanimi disklinacijami. V nematski celici z zvitim direktorskim poljem smo z uporabo teorije grafov, Pontriaginovih površin in Jonesovih polinomov (Slika 3) pojasnili kompleksne polarizacijske slike. Korespondenca med topološkimi koncepti in eksperimentalnimi realizacijami je lep primer mostu med matematično in fizikalno skupnostjo (ťKnot theory realizations in nematic colloidsŤ, S Čopar et al., Proc. Natl. Acad. Sci., 2015, DOI: 10.1073/pnas.1417178112).
Slika 3. Shema podaja pregled konfiguracij nematskih disklinacij (od enostavnih zank do spletov in
vozlov) za 4 × 3 mrežo koloidnih delcev. Označene so tudi strukture za manjši 3 × 3 (v modri barvi) in 4 × 2 mreži (v zeleni barvi).
Matrične modre faze
Pokazane so bile mikroskopske lastnosti matričnih modrih faz tekočega kristala. Posebej smo študirali vpliv površin na mikroskopsko urejanje nematskega tekočega kristala in pokazali nova stanja. Napovedana stanja kažejo nekajkrat večjo Kerrovo konstatno kot do sedaj znana in so zato aplikativno zanimiva za optične in fotonske aplikacije. Delo je bilo izvedeno v okviru vabljene japonske štipendije JSPS (M. Ravnik, 1,5 meseca. Vsebina članka (ťTemplated blue phasesŤ, M. Ravnik et al., Soft Matter 2015, DOI: 10.1039/C5SM01878A) je bila dodatno najavljena z notranjo naslovnico revije Soft Matter (slika 4).
Slika 4. Matrične modre faze kot nov fotonski material, ki temelji na mikroorganizaciji nematskega tekočega kristala. Slika je naslovnica ene od novembrskih številk revije Soft Matter.
Topološki defekti v nematičnih lupinah
Numerično in teoretično smo preučevali vpliv ukrivljenosti na pozicijo in število topoloških defektov (TD) v orientacijski urejenosti in efektivno dvodimenzionalnih (2D) plasteh. Uporabili smo 2D mezoskopski Landau način, ki smo ga razvili leta 2013, kjer smo lokalno ureditev opisali s tenzorskim ureditvenim parametrom. V ilustracijske namene smo se omejili predvsem na cilindrično simetrične objekte. Demonstrirali smo, da lahko ukrivljenost povzroči frustracijo, ki vodi do topoloških defektov (slika 5). Nadalje, sklopitev med TD kaže analogno vedenje z elektrostatsko interakcijo med električnimi naboji. Na podlagi elektrostatske analogije smo izpeljali kritični pogoj za tvorbo parov (defekt, antidefekt). Rezultati so zanimivi tako s fundamentalnega stališča kot tudi za različne aplikacije na področju nanofotonike. Rezultati so bili predstavljeni v vrsti objav, med katerimi je bil najpomembnejši članek objavljen v Soft Matter (2015, DOI: 10.1039/C4SM02540G).
Slika 5. Krivinsko inducirano odpenjanje topoloških defektov v nematičnih lupinah. Geometrija lupin
(1. stolpec) ter pripadajoča prostorska variacija ureditvenegaparametra(2.stolpec)in mezoskopske molekulske ureditve (3 stolpec).
Nova metoda zapisovanja ureditve v tekočekristalnih prikazovalnikih
Predstavili smo novo metodo za preurejanje tekočekristalne ureditve v površinsko stabiliziranih tekočekristalnih celicah. Z močno infrardečo lasersko svetlobo smo kontrolirano preuredili molekule tekočega kristala, ki so preko površinskega spominskega efekta spremenile urejevalni polimerni nanos tako, da je tekoči kristal ostal preurejen tudi po izklopu laserja. (Soft Matter 2015, DOI: 10.1039/C5SM00282F). To metodo lahko uporabimo na obeh podlagah v različnih smereh in tako kontrolirano ustvarimo majhne domene s poljubno orientacijo tekočega kristala v sicer homogeno urejenih celicah (slika 6).
Slika 6: Preurejanje tekočega kristala v homogeni celici. (a) Na enem steklu so vtisnjene vodoravne črte, na katerih so molekule urejene pod kotom 45° glede na siceršnjo ureditev TK (modre in rumene črte). Na drugem steklu so na enak način vtisnjene navpične črte. (b) Ko tako pripravljeno celico osvetlimo pod optičnim mikroskopom, vidimo temne kvadratke, kjer je TK urejen v isti smeri na obeh podlagah, in svetle kvadratke, kjer je TK urejen v pravokotnih smereh.
Stabilnost nanometrskih tekočekristalnih koloidnih disperzij
Z uporabo mikroskopije temnega polja smo raziskali gibanje posameznih 20-nanometrskih delcev v nematskem tekočem kristalu in analizirali meddelčne parske interakcije (slika 7). Pokazali smo, da je stabilnost tekočekristalnih nanodisperzij rezultat ravnovesja med šibko (< 10 kBT) privlačno tekočekristalno interakcijo in odbojno elektrostatsko interakcijo, ki preprečuje nastanek obstojnih koloidnih skupkov (Phys. Rev. E 2015, DOI: 10.1103/PhysRevE.91.042505).
Slika 7: Nastanek metastabilnega para dveh 20-nanometrskih delcev v nematskem tekočem kristalu, opazovan z mikroskopijo temnega polja.
Molekulski motorji
V letu 2015 smo v sodelovanju z raziskovalci na FMF UL raziskali hidrodinamsko sinhronizacijo avtonomnih oscilatorjev. Kot oscilatorje smo uporabili elipsoidne delce, ki pod določenimi pogoji v fokusiranem laserskem curku spontano zanihajo. Pokazali smo, da se dva delca praviloma sinhronizirata z isto fazo, sinhronizacija pa je v smeri nihanja močnejša kot pravokotno nanj. V ozkem območju parametrov pa je mogoča sinhronizacija z nasprotno fazo. Daljša veriga oscilatorjev pa sicer kaže korelacije, vendar ne popolne sinhronizacije vseh delcev (slika 8). Rezultate meritev smo razložili tako, da smo oscilatorje opisali s preprostim fenomenološkim modelom, koeficiente sklopitve pa izračunali numerično z metodo mejnih elementov. Naši rezultati pokažejo, da samooscilirajoče delce lahko uporabimo kot modelski sistem za sinhronizacijo med biološkimi migetalkami. Čeprav je bilo v preteklosti narejenih že več modelskih sistemov za sinhronizacijo zaradi hidrodinamske sklopitve, je naš sistem prvi, ki uporablja avtonomne mikroskopske oscilatorje. Rezultati so bili objavljeni v reviji Physical Review E (2015, DOI: 10.1103/PhysRevE.91.031002), članek pa bil posebej poudarjen z urednikovim priporočilom.
Slika 8:a)Veriga7avtonomnihoscilatorjevv vrsti. b) Izmerjen fazni profil oscilacij. c) Rezultat teoretičnega modela.
Nanožičke in nanocevke MoO3
Sintetizirali smo nanožice in nanocevke MoO3 z oksidacijo nanožic Mo6S2I8. Z rentgensko difrakcijo in ramansko spektroskopijo smo določili ortorombsko fazo MoO3. Poroznost nanožic in tendenco ravnih ploskev nanocevk smo pojasnili s spremembami gostote in molske mase med oksidacijo in s plastovito strukturo MoO3. Opazili smo dodaten širok ramanski pas pri 1 004 cm–1 in ga pripisali primanjkljaju kisika. EPR-meritve so pokazale, da je obseg pomanjkanja kisika dovolj velik za nastanek strižnih premikov v kristalih, ki vodijo do vgrajene podstehiometričnosti, ki je tipična za Magnelijeve faze in močno vpliva na fizikalne lastnosti teh nanomaterialov. Visoka specifična površina (14,3 m2/g) in topnost v vodi omogočata uporabo teh nanomaterialov v antibakterijskih prevlekah.
Nanocevke MoS2 v tranzistorjih na poljski pojav
Nanocevke in nanotrakovi MoS2, ki so bili sintetizirani na IJS s kemijsko transportno reakcijo pred dvema desetletjema, so našle svojo uporabo v novi generaciji tranzistorjev na poljski pojav (FET) zaradi zelo nizke gostote vgrajenih strukturnih napak. Tranzistorji so pokazali polprevodniške lastnosti n-tipa s preklopnimi razmerji (ON / OFF) več kot 103, kar močno presega najboljši predhodni rezultat 60 v nanocevkah MoS2, pripravljenih na druge načine. Gostote toka so bile 1,02 μA/μm in 0,79 μA/μm pri napetostih VDS = 0,3 V med emitorjem in kolektorjem in VBG = 1 V med bazo in kolektorjem. Fotoinduciran tok na FET na osnovi nanocevk MoS2 in kontaktov Ti/Au je bil več deset nanoamperov pri vzbujevalni optični moči 78 μW in valovni dolžini 488 nm, kar ustreza optični odzivnosti 460 μA/W (Applied Physics Letters, 2015, DOI: 10.1063/1.4906066).
Nanorazsežni organski superprevodniki
Zmožnost priprave kristalnih omejenih superprevodnih monoplasti na različnih površinah je ključno za realizacijo novih funkcij in razumevanje narave ureditev teh materialov na nanonivoju. Pri različnih temperaturah podlage Ag(111) so bili pripravljeni monoplastni izolativni in superprevodni otoki organske soli (BETS)2GaCl4. Pod temperaturo 125 K tvorijo BETS-molekule ali verigam podobne ali pravilne dvodimenzionalne mreže. Nad 125 K se BETS-dimeri orientirajo vzdolž treh ekvivalentnih <110> smeri in tvorijo izolativno Kagomejevo mrežo z nanoporami (slika 9). Pri nizkih hitrostih naparevanja molekul na podlago pri sobni temperaturi pa se tvorijo monoplastni otoki, ki v gostoti elektronskih stanj kažejo superprevodno vrzel (A. Hassanien et. al, Phys. Stat. Sol. (B) 2015, DOI: 10.1002/pssb.201552215).
Slika 9: Visoko ločljiva STM-slika prikazuje pare organskih BETS-molekul, ki tvorijo Kagomejevo mrežo na površini Ag(111) (10,5 mm × 10,5 nm, T = 1,1 K, funkcionalizirana konica)
Ultra hladni atomi
V Laboratoriju za hladne atome so bili prvič ulovljeni in ohlajeni Cs-atomi. Z uporabo laserske svetlobe z valovno dolžino 852 nm so bili vroči Cs-atomi najprej upočasnjeni ter nato s kvadrupolnim magnetnim poljem ulovljeni v magneto-optično past (slika 10). Z uporabo t.i. hlajenja ťRaman sidebandŤ je bila njihova temperatura znižana pod 500 nK. V naslednjih korakih bodo tako ohlajeni atomi naloženi v močno dipolno past, kjer bodo stisnjeni in nadalje izparilno ohlajeni na temperature pod 50 nK. Pri tako nizkih temperaturah bo dosežen prehod v Bose-Einsteinov kondenzat.
Slika 10: Pogled skozi okno vakuumske komore, kjer lebdi približno 50 milijonov hladnih Cs- atomov, ki jih zaradi fluorescenčne svetlobe vidimo kot majhno roza kroglico.
