Flydende krystaller i nanoporer producerer et overraskende stort undertryk

Negativt tryk styrer ikke kun universet eller kvantevakuumet. Dette fænomen, skønt af en anden art, vises også i flydende krystaller begrænset i nanoporer. På Institute of Nuclear Physics fra det polske videnskabsakademi i Krakow, der er blevet præsenteret en metode, der for første gang gør det muligt at estimere mængden af ​​undertryk i rumligt begrænsede flydende krystal -systemer.

Ved første øjekast, undertryk ser ud til at være et eksotisk fænomen. Faktisk, det er almindeligt i naturen, og hvad mere er, forekommer på mange skalaer. På universets skala, den kosmologiske konstant er ansvarlig for at accelerere udvidelsen af ​​rumtiden. I planternes verden, tiltrækning af intermolekylære kræfter garanterer vandstrømmen til trætoppene på alle træer højere end ti meter. På kvanteskalaen, trykket af virtuelle partikler i et falsk vakuum fører til skabelsen af ​​en attraktiv kraft, optræder, for eksempel, mellem to parallelle metalplader (den berømte Casimir -effekt).

"Det faktum, at der forekommer et undertryk i flydende krystaller, der er begrænset i nanoporer, var allerede kendt. Men det vides ikke, hvordan man måler dette tryk. Selvom vi heller ikke kan gøre dette direkte, vi har foreslået en metode, der gør det muligt at estimere dette tryk pålideligt, "siger Dr. Tomasz Rozwadowski fra Institute of Nuclear Physics of the Polish Academy of Sciences (IFJ PAN) i Cracow, den første forfatter til en publikation i Journal of Molecular Liquids .

De polske fysikere undersøgte en flydende krystal kendt som 4CFPB, består af 1,67 nm lange molekyler med en molekylær diameter på 0,46 nm. Eksperimenter uden nanoporer, under normale og forhøjede trykforhold (op til omkring 3000 atmosfærer), blev udført på University of Schlesien i Katowice. På tur, systemer i siliciummembraner med ikke-skærende nanoporer med en diameter på 6 og 8 nanometer blev undersøgt på universitetet i Leipzig (Tyskland). Nanoporernes geometri betød, at der kun var plads til et par molekyler flydende krystal ved siden af ​​hinanden, med de lange akser placeret langs kanalens vægge.

Eksperimenterne så på ændringer i forskellige parametre for den flydende krystal (herunder dielektrisk dispersion og absorption). Målingerne gjorde det muligt at konkludere, at en stigning i trykket blev ledsaget af en opbremsning af molekylær mobilitet. Imidlertid, jo smallere de kanaler, hvori molekylerne af flydende krystal i nanoporerne var, jo hurtigere bevægede de sig. Dataene viste også, at tætheden af ​​flydende krystalmolekyler steg med stigende tryk, mens det i nanoporerne faldt. Der var også en ændring i de temperaturer, hvormed den flydende krystal passerede fra den flydende isotropiske fase (med molekyler arrangeret kaotisk i rummet) til den enkleste flydende krystallinske fase (nematisk; molekylerne er stadig kaotisk arrangeret, men de placerer deres lange akser i samme retning), og derefter til den glasagtige faste fase. Da trykket steg, temperaturerne i faseovergangene steg. I nanoporerne faldt de.

"Med stigende pres, alle parametrene for den flydende krystal, vi undersøgte, ændrede omvendt til, hvordan de ændrede sig i nanoporer med faldende diametre. Dette tyder på, at forholdene i nanoporerne svarer til et reduceret tryk. Da flydende krystalmolekylerne i kanalerne forsøger at strække deres vægge, som om de udvider sig, vi kan tale om negativt pres, i forhold til atmosfærisk tryk, der begrænser væggene, "siger Dr. Rozwadowski.

De observerede ændringer i fysiske parametre gjorde det for første gang muligt at estimere værdien af ​​det negative tryk, der forekommer i flydende krystal, der fylder nanoporerne. Det viste sig, at (forudsat at ændringerne er lineære), kan det negative tryk i nanoporer nå næsten -200 atmosfærer. Dette er en størrelsesorden større end det negative tryk, der er ansvarlig for vandtransport i træer.

"Vores forskning er grundlæggende i naturen - den giver information om fysikken i fænomener, der forekommer i flydende krystaller, der er begrænset i nanoporer med forskellige diametre. Imidlertid, flydende krystaller har mange anvendelser, for eksempel i displays, optoelektronik, og medicin, så hver ny beskrivelse af, hvordan disse stoffer opfører sig på nanoskalaen under sådanne specifikke rumlige forhold, kan indeholde praktisk information, "understregede Dr. Rozwadowski.