Efter et århundredes søgen, forskere finder ny flydende fase

Forskere ved University of Colorado Boulders Soft Materials Research Center (SMRC) har opdaget en uhåndgribelig fase af stof, først foreslået for mere end 100 år siden og eftertragtet lige siden.

Holdet beskriver opdagelsen af, hvad forskere kalder en "ferroelektrisk nematisk" fase af flydende krystal i en undersøgelse offentliggjort i dag i Proceedings of the National Academy of Sciences . Opdagelsen åbner en dør til et nyt univers af materialer, sagde medforfatter Matt Glaser, en professor ved Institut for Fysik.

Nematiske flydende krystaller har været et varmt emne i materialeforskning siden 1970'erne. Disse materialer udviser en mærkelig blanding af væske- og faststoflignende adfærd, som giver dem mulighed for at styre lyset. Ingeniører har brugt dem flittigt til at lave flydende krystalskærme (LCD'er) i mange bærbare computere, TV og mobiltelefoner.

Tænk på nematiske flydende krystaller som at tabe en håndfuld stifter på et bord. Stifterne i dette tilfælde er stavformede molekyler, der er "polære" - med hoveder (de stumpe ender), der bærer en positiv ladning og haler (de spidse ender), der er negativt ladede. I en traditionel nematisk flydende krystal, halvdelen af ​​stifterne peger til venstre og den anden halvdel peger mod højre, med den retning, der er valgt tilfældigt.

En ferroelektrisk nematisk flydende krystalfase, imidlertid, er meget mere disciplineret. I sådan en flydende krystal, pletter eller "domæner" dannes i prøven, hvori molekylerne alle peger i samme retning, enten højre eller venstre. I fysiksprog, disse materialer har polær rækkefølge.

Noel Clark, en professor i fysik og direktør for SMRC, sagde, at hans teams opdagelse af en sådan flydende krystal kunne åbne op for et væld af teknologiske innovationer - fra nye typer skærme til genskabt computerhukommelse.

"Der er 40, 000 forskningsartikler om nematik, og i næsten enhver af dem ser du interessante nye muligheder, hvis nematikken havde været ferroelektrisk, " sagde Clark.

Under mikroskopet

Opdagelsen er år undervejs.

Nobelprismodtagerne Peter Debye og Max Born foreslog først i 1910'erne, at hvis du har designet en flydende krystal korrekt, dets molekyler kunne spontant falde ind i en polær ordnet tilstand. Ikke længe efter, forskere begyndte at opdage faste krystaller, der gjorde noget lignende:Deres molekyler pegede i ensartede retninger. De kan også vendes om, vending fra højre til venstre eller omvendt under et påført elektrisk felt. Disse faste krystaller blev kaldt "ferroelektrik" på grund af deres ligheder med magneter. (Ferrum er latin for "jern").

I årtierne siden, imidlertid, videnskabsmænd kæmpede for at finde en flydende krystalfase, der opførte sig på samme måde. Det er, indtil Clark og hans kolleger begyndte at undersøge RM734, et organisk molekyle skabt af en gruppe britiske videnskabsmænd for flere år siden.

Den samme britiske gruppe, plus et andet hold slovenske videnskabsmænd, rapporterede, at RM734 udviste en konventionel nematisk flydende krystalfase ved højere temperaturer. Ved lavere temperaturer, endnu en usædvanlig fase dukkede op.

Da Clarks team forsøgte at observere den mærkelige fase under mikroskopet, lagde de mærke til noget nyt. Under et svagt elektrisk felt, en palet af slående farver udviklet sig mod kanterne af cellen, der indeholder den flydende krystal.

"Det var som at tilslutte en pære til spænding for at teste den, men at se, at fatningen og tilslutningsledningerne glødede meget mere klart i stedet, " sagde Clark.

Fantastiske resultater

Så, hvad skete der?

Forskerne kørte flere test og opdagede, at denne fase af RM734 var 100 til 1, 000 gange mere lydhør over for elektriske felter end de sædvanlige nematiske flydende krystaller. Dette antydede, at molekylerne, der udgør den flydende krystal, viste en stærk polær orden.

"Når molekylerne alle peger mod venstre, og de ser alle et felt, der siger:'gå til højre, "Reaktionen er dramatisk, " sagde Clark.

Holdet opdagede også, at forskellige domæner syntes at dannes spontant i den flydende krystal, når den afkøles fra højere temperatur. Der var, med andre ord, pletter i deres prøve, hvor molekylerne så ud til at være justeret.

"Det bekræftede, at denne fase var, Ja, en ferroelektrisk nematisk væske, " sagde Clark.

Den opstilling var også mere ensartet, end holdet havde forventet.

"Entropi hersker i en væske, " sagde Joe MacLennan, en studiemedforfatter og en professor i fysik ved CU Boulder. "Alt vrikker rundt, så vi forventede en masse uorden."

Da forskerne undersøgte, hvor godt justeret molekylerne var inden for et enkelt domæne, "Vi var chokerede over resultatet, " sagde MacLennan. Molekylerne pegede næsten alle i samme retning.

Holdets næste mål er at opdage, hvordan RM734 opnår denne sjældne bedrift. Glaser og SMRC-forsker Dmitry Bedrov fra University of Utah, bruger i øjeblikket computersimulering til at løse dette spørgsmål.

"Dette arbejde tyder på, at der er andre ferroelektriske væsker, der gemmer sig i almindeligt syn, " sagde Clark. "Det er spændende, at der lige nu dukker teknikker som kunstig intelligens op, som vil muliggøre en effektiv søgning efter dem."