Forskere skaber flydende krystaller, der ligner deres solide modstykker meget

Et team ved University of Colorado Boulder har designet nye slags flydende krystaller, der afspejler de komplekse strukturer af nogle faste krystaller - et stort skridt fremad i at bygge flydende materialer, der kan matche den farverige mangfoldighed af former, der ses i mineraler og ædelstene, fra lazulit til topas.

Gruppens resultater, offentliggjort i dag i tidsskriftet Natur , kan en dag føre til nye typer smarte vinduer og fjernsyn eller computerskærme, der kan bøje og styre lyset som aldrig før.

Resultaterne kommer ned til en egenskab ved faste krystaller, som mange kemikere og gemologer kender:Symmetri.

Ivan Smalyukh, en professor ved Institut for Fysik ved CU Boulder, forklarede, at forskere kategoriserer alle kendte krystaller i syv hovedklasser, plus mange flere underklasser-delvist baseret på "symmetrioperationer" af deres interne atomer. Med andre ord, hvor mange måder kan du stikke et imaginært spejl inde i en krystal eller rotere den og stadig se den samme struktur? Tænk på dette klassifikationssystem som Baskin-Robbins' 32 smagsvarianter, men for mineraler.

Til dato, imidlertid, forskere har ikke været i stand til at skabe flydende krystaller - flydende materialer, der findes i de fleste moderne skærmteknologier - der kommer i de samme mange varianter.

"Vi ved alt om alle mulige symmetrier af faste krystaller, som vi kan lave. Der er 230 af dem, "sagde Smalyukh, seniorforfatter af den nye undersøgelse, som også er fellow ved Renewable and Sustainable Energy Institute (RASEI) på CU Boulder. "Når det kommer til nematiske flydende krystaller, den slags i de fleste skærme, vi har kun nogle få, der er blevet demonstreret indtil videre."

Det er, indtil nu.

I deres seneste resultater, Smalyukh og hans kolleger fandt på en måde at designe de første flydende krystaller, der ligner monokliniske og ortorhombiske krystaller - to af de syv hovedklasser af faste krystaller. Fundene, han sagde, bringe lidt mere orden i den kaotiske verden af ​​væsker.

"Der er mange mulige typer flydende krystaller, men, indtil nu, meget få er blevet opdaget, " sagde Smalyukh. "Det er gode nyheder for studerende, fordi der er meget mere at finde."

Symmetri i aktion

For at forstå symmetri i krystaller, første billede din krop. Hvis du placerer et kæmpe spejl, der løber ned i midten af ​​dit ansigt, du vil se en refleksion, der ligner (mere eller mindre) den samme person.

Faste krystaller har lignende egenskaber. Kubiske krystaller, som inkluderer diamanter og pyrit, for eksempel, består af atomer arrangeret i form af en perfekt terning. De har mange symmetrioperationer.

"Hvis du roterer disse krystaller med 90 eller 180 grader omkring mange specialakser, for eksempel, alle atomerne bliver på de rigtige steder, " sagde Smalyukh.

Men der er andre typer krystaller, også. Atomerne inde i monokliniske krystaller, som omfatter gips eller lazulit, er arrangeret i en form, der ligner en skrå søjle. Vend eller drej disse krystaller, alt hvad du vil, og de har stadig kun to distinkte symmetrier - et spejlplan og en akse med 180 graders rotation, eller den symmetri, du kan se ved at snurre en krystal rundt om en akse og lægge mærke til, at den ser ens ud hver 180 grader. Forskere kalder det en "lav-symmetri" tilstand.

Traditionelle flydende krystaller, imidlertid, viser ikke den slags komplekse strukturer. De mest almindelige flydende krystaller, for eksempel, består af bittesmå stavformede molekyler. Under mikroskopet, de har en tendens til at stille op som tørre pastanudler smidt i en gryde, sagde Smalyukh.

"Når tingene kan flyde, udviser de normalt ikke så lave symmetrier, " sagde Smalyukh.

Bestil i væsker

Han og hans kolleger ville se, om de kunne ændre på det. At begynde, holdet blandede to forskellige slags flydende krystaller. Den første var den almindelige klasse bestående af stavformede molekyler. Den anden bestod af partikler formet som ultratynde skiver.

Da forskerne førte dem sammen, de bemærkede noget mærkeligt:​​Under de rigtige forhold i laboratoriet, de to typer krystaller skubbede og klemte hinanden, ændre deres orientering og arrangement. Slutresultatet var en nematisk flydende krystalvæske med symmetri, der ligner meget en massiv monoklinisk krystal. Molekylerne indeni viste en vis symmetri, men kun et spejlplan og en akse med 180 graders rotation.

Gruppen havde oprettet, med andre ord, et materiale med de matematiske egenskaber som en lazulit- eller gipskrystal - men deres kunne flyde som en væske.

"Vi stiller et meget grundlæggende spørgsmål:Hvad er de måder, du kan kombinere orden og flydende i et enkelt materiale?" sagde Smalyukh.

Og, holdets kreationer er dynamiske:Hvis du varmer de flydende krystaller op eller køler dem ned, for eksempel, du kan forvandle dem til en regnbue af forskellige strukturer, hver med deres egenskaber, sagde Haridas Mundoor, hovedforfatter af det nye papir. Det er ret praktisk for ingeniører.

"Dette tilbyder forskellige veje, der kan ændre displayteknologier, hvilket kan øge energieffektiviteten i ydelse af enheder som smarttelefoner, "sagde Mundoor, en postdoc-forsker ved CU Boulder.

Han og hans kolleger er stadig ikke i nærheden af ​​at lave flydende krystaller, der kan replikere hele spektret af faste krystaller. Men det nye blad bringer dem tættere på end nogensinde før - gode nyheder for fans af skinnende ting overalt.