Ny metode inverterer selvsamling af flydende krystaller

I flydende krystaller, molekyler arrangerer sig automatisk på en ordnet måde. Forskere fra University of Luxembourg har opdaget en metode, der tillader en anti-ordnet tilstand, som muliggør nye materialegenskaber og potentielt nye tekniske applikationer, såsom kunstige muskler til blød robotik. De offentliggjorde deres resultater i det videnskabelige tidsskrift Videnskabens fremskridt .

Forskerholdet af prof. Jan Lagerwall ved University of Luxembourg studerer egenskaberne ved flydende krystaller, som findes på mange områder lige fra cellemembraner i kroppen til displays i mange elektroniske enheder. Materialet kombinerer væskelignende mobilitet og fleksibilitet og lang rækkefølge af dets molekyler; sidstnævnte er ellers et typisk træk ved faste krystaller. Dette giver anledning til bemærkelsesværdige egenskaber, der gør flydende krystaller så alsidige, at de er valgt til at udføre vitale funktioner både af naturen og af milliard-dollar-virksomheder.

Mange af et materiales egenskaber afhænger af den måde, dets molekyler er arrangeret på. Siden slutningen af ​​1930'erne har fysikere bruger en matematisk model til at beskrive den molekylære rækkefølge af flydende krystaller. Den såkaldte ordensparameter tildeler et tal, der angiver, hvor velordnet molekylerne er. Denne model bruger et positivt område til at beskrive de flydende krystaller, som vi er vant til. Det kan også tildele et negativt område, der beskriver en "anti-ordnet" tilstand, hvor molekylerne ville undgå en bestemt retning i stedet for at justere langs den.

Indtil nu, dette negative interval forblev strengt hypotetisk, da ingen flydende krystal udviklede en anti-ordnet tilstand i praksis. Standardteorierne for flydende krystaller antyder, at en sådan tilstand er mulig, men ville ikke være stabil. "Du kan sammenligne dette med en rutsjebane, der har et meget let bump i midten. Du kan sætte farten ned, når du når bumpen, i vores tilfælde den ustabile anti-ordnede tilstand, men ikke nok, så du stopper, og derfor vil du gå ned hele vejen til den stabile tilstand, det globale energiminimum, hvor du uundgåeligt ender med positiv orden. Hvis du kunne nå at stoppe turen ved bumpen, et negativt interval ville være muligt, ”forklarer Jan Lagerwall.

Det er præcis, hvad V.S.R. Jampani, avisens hovedforfatter, og kolleger opnåede for første gang i deres studie. "Tricket til at forhindre systemet i at nå det globale energiminimum er forsigtigt at polymerisere det til et løst forbundet netværk, mens det er opløst i et normalt flydende opløsningsmiddel, " siger Dr. Jampani. "Dette netværk strækkes derefter i alle retninger inden for et fly, eller komprimeret langs en enkelt retning vinkelret på planet, sådan at molekylerne, der danner netværket, flugter med planet, men uden nogen særlig retning i det plan." Når opløsningsmidlet fordampes, dannes den flydende krystalfase og, på grund af den særlige in-plane strækning af netværket, det er tvunget til at vedtage parameteren i den negative orden, hvor molekylerne undgår normalen i retning af planet. "Denne flydende krystal har ikke andet valg end at nøjes med det sekundære energiminimum, da det globale energiminimum er gjort utilgængeligt af netværket, "tilføjer Lagerwall.

Når netværket styrkes af en anden polymeriseringsrunde, adfærden som funktion af temperatur kan studeres. "Flydende krystal-netværk er fascinerende for både positive og negative ordensparametre, fordi bestillingen-eller antiordning-i kombination med polymernetværket tillader den spontant at ændre form som reaktion på temperaturændringer. Det flydende krystalnetværk er effektivt en gummi, der strækker sig eller slapper af af sig selv, uden at nogen udøver magt, " siger prof. Lagerwall.

Det viser sig, at adfærden for den negative ordens parameter flydende krystalgummi er nøjagtigt modsat den af ​​normale flydende krystalgummi. "Optisk, når en normal flydende krystalgummi viser en bestemt farve mellem krydsede polarisatorer, den negative rækkefølge-parameterversion viser komplementærfarven. Mekanisk, når et normalt flydende krystalgummi trækker sig sammen i én retning og udvider sig i planet vinkelret på det, den negative ordens parameter gummi udvider sig langs den første retning og krymper i det vinkelrette plan, " forklarer Lagerwall.

Forskerne skabte deres negative ordensparameter flydende krystalgummi i form af millimeterstore sfæriske skaller, som de så skærer i mindre stykker med forskellige former. Afhængigt af hvordan snittet blev lavet, en række formændrende adfærd kunne realiseres, viser, at systemet kan fungere som en blød "aktuator, "effektivt en kunstig muskel. Fordi den negative og positive orden flydende krystalgummi virker på modsatte måder, dette åbner for interessante måder at kombinere de to på, at lave en mere effektiv kompositaktuator, for eksempel til blød robotteknologi. Når positiv-ordens aktuatoren reagerer langsomt, den negative orden aktiveres hurtigt, og omvendt. Fra et grundlæggende fysik synspunkt, den fysiske eksistens af den tidligere eneste teoretisk forudsagte anti-ordnede flydende krystaltilstand åbner for mange interessante eksperimenter såvel som teoriudvikling for adfærden af ​​selvorganiserende blødt stof.