A vékony kemény rudak, vagyis a tűk viselkedésének szimulációja a 2D grandkanonikus rendszerekben rendkívül fontos, mivel lehetővé teszi a folyadékfázisok közötti átmenetek és a rendezettség dinamikájának megértését. A szimulációkban a kihelyezési és párolgási sebességek arányát, jelöljük ezt κ-val, változtatva az egyensúlyi sűrűség alakulását figyelhetjük meg. Az ilyen típusú rendszerekben κ a rendszer fugacitásával van összefüggésben, és döntő hatással van a rendezett és rendezetlen fázisok közötti átmenetre. Az ilyen rendszerekben a κ értékének növelésével nematikus fázisba való átmenet figyelhető meg, amely során az orientációs korrelációk (statikus és dinamikus) hatványos törvény szerint csökkennek, miközben az exponenst κ befolyásolja.

A szimulációk során az L × L méretű szubsztrátot használták, ahol L a tű hosszának egysége. Az L értékei 15 és 25 voltak, és minden egyes κ értékhez több futtatást végeztek, amelyek során a rendszert akár 107 Monte Carlo lépésnyi (MCS) időtartamon keresztül kiegyenlítették. A különböző futtatások eredményeit 10 független futtatás és 1000 konfiguráció átlagolásával dolgozták fel, miután elértek egy egyensúlyi állapotot. A szimulációk azt mutatták, hogy az egyenletes κ értékű rendszerek egy izotróp fázisból (κ < kritikus érték) egy olyan fázisba mennek át, amelyben az orientációs korrelációk algebraikusan csökkennek, amint κ meghaladja a kritikus határértéket. A κ növelésével az entropiával vezérelt átmenet a nematikus fázisba következik be, amelyben az orientációs korrelációk folyamatosan változó hatványos exponenst mutatnak.

A kritikus kitevők értékei és az orientációs kumulánssal kapcsolatos viselkedés összhangban állnak a Kosterlitz-Thouless (KT) elmélettel, amely a rendszerek topológiai rendezettségi átmenetét írja le. Emellett a rendszerben, ahol a térben véletlenszerű κ értékeket alkalmaztak (azaz "quench" zűrzavarral rendelkező rendszerek), olyan indikációk figyelhetők meg, amelyek üvegszerű jellemzőkkel rendelkező orientáltan befagyott állapotok kialakulására utalnak. A Cuetos és Dijkstra által kifejlesztett klaszterkritérium lehetővé tette a nematikus klaszterek és az izotróp fázis megkülönböztetését, amely különösen hasznosnak bizonyult az MC szimulációkban, amikor a kolloid szferocilindrikus rudak dinamikáját vizsgálták.

A rendszer viselkedésének pontosabb megértéséhez elengedhetetlen a különböző szimmetriák és rendek dinamikájának megértése is. A nematikus fázisokban a kölcsönhatások nem csupán rövidtávúak, hanem hosszútávú interakciók is jelen vannak, amelyek szintén befolyásolják a fázisátmenet természetét. Az ilyen típusú szimulációk lehetővé tették a nematikus fázisok szerkezeti tényezőinek és a topológiai hibák - mint például a diszklínációk és típus-1 vonalak - viselkedésének vizsgálatát.

Ezen kívül a nematikus folyadékok rendeződési folyamatának jobb megértése érdekében az utóbbi években különféle időfüggő Ginzburg-Landau (TDGL) modelleket alkalmaztak, amelyek a szűk pórusokba zárt nematikus rendszerek dinamikáját modellezték. A nematikus rendeződés és a rendszer viselkedésének részletes tanulmányozása segít jobban megérteni, hogyan befolyásolják a különböző határfeltételek és a pórusok geometriája az orientációs rendeződést.

A különböző modellek és szimulációk eredményei egyaránt megerősítik, hogy a nematikus fázisok kialakulása erőteljesen függ a kezdeti feltételektől, mint a szimmetria, a kölcsönhatás típusai és az alkalmazott határfeltételek. Ezen paraméterek pontos kontrollálása lehetővé teszi a fázisátmenetek és a topológiai hibák előrejelzését, és segíthet a jövőbeli kutatásokban, különösen az új anyagok, mint például a folyadékkristályos eszközök és alkalmazások fejlesztésében.

Hogyan működnek az LC-alapú bioszenzorok különböző alkalmazásokban?

Az amónia (NH3) a legveszélyesebb környezeti szennyeződések közé tartozik, és rendkívül mérgező az emberi szervezetre. Az amónia és más káros gázok detektálása elengedhetetlen a negatív hatások megelőzése érdekében. Az LC-alapú érzékelők különösen figyelemre méltóak ezen a területen, mivel képesek érzékelni és monitorozni az amóniát anélkül, hogy bonyolult eszközökre lenne szükség. Niu és társai (2016) által javasolt optikai LC-alapú érzékelő alapelve a következőn alapul: a chitosan-Cu2+ bevonattal rendelkező üveglapra helyezett folyadékkristályok (LC-k) és az amónia közötti kompetitív kötődés. Az amónia rendkívül alacsony affinitással kötődik a 5CB LC molekulához, miközben a chitosan-Cu2+ sokkal erősebben vonzza azt. Az érzékelés során az amónia behatol a folyadékkristály rétegébe, és a mintát két polárosító közé helyezve valós idejű dinamikus változásokat figyelhetünk meg. A kezdeti LC-textúra sötét (homotróp beállítás), amely fehérré válik, amint az amónia kapcsolatba lép a chitosan-Cu2+ réteggel, jelezve az LC molekulák véletlenszerű elrendeződését. Ez a szenzor gyors, olcsó és egyszerű megoldást kínál az amónia detektálására.

Az LC-alapú bioszenzorok az utóbbi években nagy figyelmet kaptak, különösen azért, mert gyors működést, alacsony energiafogyasztást és optikai jelek detektálását teszik lehetővé. Azonban az LC-alapú bioszenzorok érzékenysége gyakran nem elegendő ahhoz, hogy kimutassák a mikroszkopikus biológiai objektumokat, például vírusokat, baktériumokat, fehérjéket és rákos sejteket. Emiatt elengedhetetlen a szenzorok érzékenységének javítása nanomateriálokon alapuló jelemelő technikák alkalmazásával. A nanoméretű arany nanorészecskék (AuNP-k vagy GNP-k) kiemelkedő jellemzői közé tartozik a nagy specifikus felület, a magas felületi szabad energia és a jó biokompatibilitás. Ezenkívül az AuNP-k rendkívül stabilak, szoros kötést képesek kialakítani a szulfhidril- vagy aminosavcsoportokat tartalmazó biomolekulákkal, és egyszerű szintézisük van. Zhao és társai (2016) egy új LC-alapú érzékelő módszert dolgoztak ki a trombin detektálására, amely az arany nanorészecskék jelemelő tulajdonságait használja. A szenzor alapja a trombin és annak specifikus aptamerei közötti kölcsönhatás, amely a mérés során az LC-orientáció zavarát okozza, ezáltal megnövelve az optikai jelet keresztpolarizált fényben.

Az LC-alapú bioszenzorok alkalmazásai nemcsak gázok és fehérjék, hanem vírusok és baktériumok detektálására is kiterjedtek. Sivakumar és társai (2017) új, sokoldalú módszert dolgoztak ki, amely monodiszpergált LC-emulziócseppeket alkalmaz különböző baktériumok (Gram-pozitív és Gram-negatív) és vírusok (burkos és nem burkos) megkülönböztetésére. A különböző baktériumok és vírusok fizikai kontaktusba kerülve az LC-cseppekben jelentős rendezettségi változásokat idéztek elő, mivel a baktériumok lipidjei átkerültek az LC-cseppekre, így a cseppek térbeli elrendeződése megváltozott. Ez a jelenség különösen figyelemre méltó volt Gram-negatív baktériumok esetén, amelyek mindegyike rendelkezik a megfelelő struktúrával ahhoz, hogy az LC-rétegek reagáljanak rájuk.

A fehérjék és a DNS detektálása szintén kulcsfontosságú terület az LC-alapú bioszenzorok számára. Hartono és társai (2016) olyan LC-alapú érzékelő rendszert dolgoztak ki, amely képes detektálni a foszfolipázokat, amelyeket a molekuláris interakciók vezérelnek az LC-k és a foszfolipázok között. A szenzor képes azonosítani a foszfolipázok jelenlétét és aktivitását, és akár enzimgátlókat is képes érzékelni. Ezenkívül a DNS-t is lehet detektálni LC-szenzorokkal, például a koleszterin-DNS próbákat alkalmazva a LC-és víz interfészén, ahol a hibridizációs reakciók optikai változásokat idéznek elő az LC molekulákban. Ezt a módszert különböző típusú DNS-ek, például egy szálú és két szálú DNS, valamint genomikus DNS detektálására is alkalmazták.

Az LC-alapú bioszenzorok rákos sejtek detektálásában is figyelemre méltó szerepet játszanak. A rákos sejtek diagnosztizálása, különösen a korai stádiumokban, alapvető fontosságú a hatékony kezelési stratégiák kidolgozásához. A tumor markerek, mint például a fehérjék, DNS, RNS és sejtmembrán receptorok, elengedhetetlenek a rák előrejelzésében és értékelésében. Yoon és társai (2018) az LC-mikrocsepp-emulziók konfigurációs változása alapján diagnosztizálták a KB rákos sejteket. A folsavval konjugált polisztirol és nátrium-dodecil-szulfát segítségével magas érzékenységet és szelektivitást értek el, mivel a rákos sejtek túlzottan kifejezik a folát receptorokat, amelyek képesek kötődni a folsavat tartalmazó molekulákhoz.

Az LC-alapú bioszenzorok fejlődése és sokféle alkalmazása biztosítja a jövőt, ahol a gyors, érzékeny és nem invazív diagnosztikai módszerek alapvető fontosságúak lesznek a tudományos kutatásban és a klinikai gyakorlatban.

A Twist Grain Boundary (TGB) Fázisok Defektstruktúrái és Optikai Textúrái: Mikroszkópos Elemzések

A Twist Grain Boundary (TGB) fázisok különleges, folyadékkristályos állapotokat képviselnek, amelyek a N* és a smektikus fázisok közötti átmeneti területen jelennek meg. A TGB fázisok alapvetően az N*/Sm A/Sm C* hármas pont környékén alakulnak ki, és jelentős szerepet játszanak a folyadékkristályos anyagok nem hagyományos viselkedésében. A kutatások szerint a TGB fázisok nem csupán a rendkívül szoros molekuláris elrendeződéseket, hanem komplex hibastruktúrákat is mutatnak, amelyek mikroszkópos szinten is kimutathatók, és meghatározzák az anyagok optikai és dielektromos tulajdonságait. Az ilyen típusú folyadékkristályos anyagokban az alapvető jelenség a "frusztrált" rend kialakulása, amely számos mikroszkópos hibát von maga után.

A TGB A* fázisban a blokkok a hagyományos Sm A* fázishoz képest elforgatottak, hogy makroszkópos hélixet alkossanak, amely párhuzamosan helyezkedik el a rétegek síkjával. Az egyes blokkok közötti csavaros diszlokációk segítik elő a rétegek elforgatását egymáshoz képest. A diszlokációs sorok a hélix tengelye mentén helyezkednek el, és ezek biztosítják a rétegek közötti relatív elforgatást. A mikroszkópos megjelenés során ezek a diszlokációs sorok, bár mikroszkóposan szinte láthatatlanok, a TGB A* fázisban jellemző Grandjean-textúrát és hasonlóan a N* fázishoz hasonló textúrát eredményeznek. A filamentos textúrák kialakulása is figyelhető, amikor a TGB A* fázis a homeotrop Sm A* fázisból keletkezik.

A TGB C* fázisban, amely a TGB A* és a Sm C* fázis közötti átmenetet képviseli, szintén figyelemre méltó optikai textúrák figyelhetők meg. A polarizált fény mikroszkópos vizsgálata során a TGB C* fázisban többféle defekttextúra is megjelenhet, például a schlierren textúra, amely a fokális kónikus mintázatokkal váltakozhat, ahogy a hőmérséklet csökken. A TGB C* fázisnak a Grandjean-síkban megjelenő textúrája különösen érdekes, mivel az optikai tengely 90°-os elmozdulása figyelhető meg, ami a hélix-tengely síkját jelzi a rétegekhez képest.

A hőmérsékletcsökkentés és az alkalmazott molekuláris kötődés típusának változtatása során a TGB fázisok és azok textúrái különböző mikroszkópos megjelenési formákat öltenek. Például a TGB C fázis az alacsonyabb hőmérsékleten a törésvonalakkal rendelkező diffúz vonalakat mutathat. Emellett a TGB fázisok egyes összetevői között is felfedezhetők a hélix struktúrák különböző elrendeződései, amelyek meghatározzák a végső optikai megjelenést.

Az újabb kutatásokban olyan vegyületek, mint a lactic acid származékok, szintén vizsgálat alá kerültek, és a TGB fázisok megfigyelése a szobahőmérsékleten is lehetséges. Ezek az anyagok egyedülálló mikroszkópos struktúrákat, például a grid-textúrát, valamint a sztrípes mintázatokat mutatták, amelyek az AFM-mérések alapján 0,5 μm-es periodikus felületi elmozdulást és 3-5 nm-es profilmélységet eredményeztek.

A TGB fázisok vizsgálata különösen fontos a folyadékkristályos rendszerek alapvető tulajdonságainak megértésében, mivel ezek az anyagok képesek új típusú optikai és mechanikai tulajdonságokat előállítani, amelyek az elektronikai és optikai eszközök számára új alkalmazási lehetőségeket kínálnak. A TGB fázisok különleges viselkedése és a kapcsolódó mikroszkópos hibák lehetőséget adnak a kutatóknak a folyadékkristályos anyagok viselkedésének új szintű megértésére, és ezek az ismeretek alapot adnak az új típusú folyadékkristályos eszközök fejlesztéséhez is.

Milyen hatással van a közösségi médián keresztüli kommunikáció a társadalomra?
Hogyan alakítják a ninja karakterek az erő és bölcsesség útját Ninjago világában?
Mit kell tennünk, ha idegen test kerül a gyermek fülébe vagy orrába?
A családorvosi szakterület alapvető értékei az Ázsiai és Csendes-óceáni régióban