Forskning afslører, hvordan orden først opstår i flydende krystaller

Flydende krystaller gennemgår en ejendommelig type faseændring. Ved en bestemt temperatur, deres cigarformede molekyler går fra et uordnet virvar til et mere velordnet arrangement, hvor de alle peger mere eller mindre i samme retning. LCD-fjernsyn udnytter denne faseændring til at projicere forskellige farver i levende billeder.

Årevis, imidlertid, eksperimenter har antydet en anden flydende krystaltilstand - en mellemtilstand mellem de uordnede og ordnede tilstande, hvor orden begynder at dukke op i diskrete pletter, når et system nærmer sig sin overgangstemperatur. Nu, kemikere ved Brown University har demonstreret en teoretisk ramme til at detektere den mellemtilstand og for bedre at forstå, hvordan den virker.

"Folk forstår den ordnede og uordnede adfærd meget godt, men den tilstand, hvor denne overgang lige er ved at ske, er ikke godt forstået, " sagde Richard Stratt, en professor i kemi ved Brown og medforfatter til et papir, der beskriver forskningen. "Det, vi er kommet frem til, er en slags målestok til at måle, om et system er i denne tilstand. Det giver os en idé om, hvad vi skal kigge efter i molekylære termer for at se, om staten er til stede."

Forskningen, offentliggjort i Journal of Chemical Physics , kunne kaste nyt lys ikke kun på flydende krystaller, men også molekylær bevægelse andre steder i naturen - fænomener som proteinfiltrene involveret i Alzheimers sygdom, for eksempel. Arbejdet blev ledet af Yan Zhao, en ph.d. studerende i Stratts laboratorium, der forventer at blive færdig med Brown til foråret.

Til studiet, forskerne brugte computersimuleringer af faseændringer i et forenklet flydende krystalsystem, der omfattede et par hundrede molekyler. De brugte tilfældig matrix teori, en statistisk ramme, der ofte bruges til at beskrive komplekse eller kaotiske systemer, at studere deres simuleringsresultater. De viste, at teorien gør et godt stykke arbejde med at beskrive systemet i både ordnede og uordnede tilstande, men formår ikke at beskrive overgangstilstanden. Denne afvigelse fra teorien kan bruges som en sonde til at identificere de områder af materialet, hvor orden begynder at opstå.

"Når du først indser, at du har denne tilstand, hvor teorien ikke virker, du kan grave ind og spørge, hvad der gik galt, " sagde Stratt. "Det giver os en bedre idé om, hvad disse molekyler gør."

Tilfældig matrixteori forudsiger, at summen af ​​ukorrelerede variabler - i dette tilfælde, retningerne, som molekylerne peger i - bør danne en klokkekurvefordeling, når de er plottet på en graf. Stratt og Zhao viste, at det er sandt for molekylerne i flydende krystaller, når de er i uordnede og ordnede tilstande. I uordnet tilstand, klokkekurvefordelingen genereres af molekylernes helt tilfældige orienteringer. I den bestilte tilstand, molekylerne er justeret langs en fælles akse, men de afviger hver især lidt fra den — nogle peger lidt til venstre for aksen og nogle lidt til højre. Disse tilfældige afvigelser, ligesom de tilfældige molekylepositioner i uordnet tilstand, kunne passe til en klokkekurve.

Men den klokkekurvefordeling faldt fra hinanden lige før faseændringen fandt sted, da systemets temperatur var ved at falde ned til dets overgangstemperatur. Det tyder på, at molekyler i adskilte pletter i systemet var ved at blive korreleret med hinanden.

"Du har nu flere sæt molekyler, der begynder at samarbejde med hinanden, og det forårsager afvigelser fra klokkekurven, " sagde Stratt. "Det er som om disse molekyler forudser, at denne fuldt ordnede tilstand vil finde sted, men de har ikke alle besluttet sig for, hvilken retning de vil gå i endnu. Det er lidt ligesom politik, hvor alle er enige om, at noget skal ændres, men de har ikke fundet ud af præcis, hvad de skal gøre."

Stratt siger, at arbejdet kunne være nyttigt til at give indsigt i, hvad der styrer effektiviteten af ​​molekylær bevægelse. I både ordnede og uordnede flydende krystaller, molekyler er frie til at bevæge sig relativt frit. Men i mellemtilstand, at bevægelsen hæmmes. Denne tilstand repræsenterer så en situation, hvor det molekylære fremskridt begynder at aftage.

"Der er mange problemer i naturvidenskaben, hvor bevægelse af molekyler er langsom, " sagde Stratt. "Molekylerne i smeltet glas, for eksempel, sænk gradvist farten, efterhånden som væsken afkøles. Proteinfiltrene involveret i Alzheimers sygdom er et andet eksempel, hvor det molekylære arrangement får bevægelsen til at være langsom. Men hvilke regler styrer disse molekyler, når de bremser? Vi forstår det ikke helt."

Stratt håber, at en bedre forståelse af langsom molekylær bevægelse i flydende krystaller kunne give en plan for at forstå langsom bevægelse andre steder i naturen.