Bij vloeibare kristallen, moleculen ordenen zichzelf automatisch op een geordende manier. Onderzoekers van de Universiteit van Luxemburg hebben een methode ontdekt die een anti-geordende staat mogelijk maakt, die nieuwe materiaaleigenschappen en mogelijk nieuwe technische toepassingen mogelijk maken, zoals kunstmatige spieren voor zachte robotica. Ze publiceerden hun bevindingen in het wetenschappelijke tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang .

Het onderzoeksteam van Prof. Jan Lagerwall aan de Universiteit van Luxemburg bestudeert de kenmerken van vloeibare kristallen, die in veel gebieden kan worden gevonden, variërend van celmembranen in het lichaam tot displays in veel elektronische apparaten. Het materiaal combineert vloeistofachtige mobiliteit en flexibiliteit en een lange-afstandsvolgorde van zijn moleculen; dit laatste is overigens een typisch kenmerk van vaste kristallen. Dit leidt tot opmerkelijke eigenschappen die vloeibare kristallen zo veelzijdig maken dat ze zowel door de natuur als door miljardenbedrijven worden gekozen voor het uitvoeren van vitale functies.

Veel eigenschappen van een materiaal zijn afhankelijk van de manier waarop de moleculen zijn gerangschikt. Sinds het einde van de jaren dertig, natuurkundigen gebruiken een wiskundig model om de moleculaire volgorde van vloeibare kristallen te beschrijven. De zogenaamde orderparameter kent een getal toe dat aangeeft hoe goed de moleculen zijn geordend. Dit model gebruikt een positief bereik om de vloeibare kristallen te beschrijven die we gewend zijn. Het kan ook een negatief bereik toewijzen dat een "anti-geordende" staat beschrijft, waar de moleculen een bepaalde richting zouden vermijden in plaats van er langs uit te lijnen.

Tot dusver, dit negatieve bereik bleef strikt hypothetisch, aangezien geen enkel vloeibaar kristal in de praktijk een anti-geordende toestand ontwikkelde. De standaardtheorieën voor vloeibare kristallen suggereren dat een dergelijke toestand mogelijk is, maar zou niet stabiel zijn. "Je kunt dit vergelijken met een glijbaan met een heel lichte hobbel in het midden. Je kunt langzamer gaan als je de hobbel bereikt, in ons geval de onstabiele anti-geordende staat, maar niet genoeg dus je stopt, en daarom zul je helemaal afdalen naar de stabiele staat, het wereldwijde energieminimum, waar je onvermijdelijk eindigt met een positieve orde. Als het je lukt om de rit bij de hobbel te stoppen, een negatief bereik mogelijk zou zijn, ", legt Jan Lagerwall uit.

Dit is precies wat V.S.R. Jampan, de hoofdauteur van het artikel, en collega's voor het eerst behaald in hun studie. "De truc om te voorkomen dat het systeem het wereldwijde energieminimum bereikt, is door het voorzichtig te polymeriseren tot een losjes verbonden netwerk terwijl het wordt opgelost in een normaal vloeibaar oplosmiddel, " zegt Dr. Jampani. "Dit netwerk wordt dan in alle richtingen gespannen binnen een vlak, of samengedrukt in een enkele richting loodrecht op het vlak, zodat de moleculen die het netwerk vormen in het vlak uitlijnen, maar zonder een bepaalde richting in dat vlak." Terwijl het oplosmiddel wordt verdampt, vormt zich de vloeibare kristalfase en, vanwege de eigenaardige rek in het vlak van het netwerk, het wordt gedwongen om de parametertoestand van de negatieve orde aan te nemen waarbij de moleculen de richting van de normaal op het vlak vermijden. "Dit vloeibare kristal heeft geen andere keuze dan zich te vestigen met het secundaire energieminimum, aangezien het wereldwijde energieminimum ontoegankelijk wordt gemaakt door het netwerk, ", voegt Lagerwall toe.

Wanneer het netwerk wordt versterkt door een tweede polymerisatieronde, het gedrag als functie van de temperatuur kan worden bestudeerd. "Vloeistofkristalnetwerken zijn fascinerend voor zowel positieve als negatieve ordeparameters, omdat de ordening - of anti-ordening - in combinatie met het polymeernetwerk het mogelijk maakt om spontaan van vorm te veranderen als reactie op temperatuurveranderingen. Het vloeibaar-kristalnetwerk is in feite een rubber dat vanzelf uitrekt of ontspant, zonder dat iemand kracht uitoefent, " zegt prof. Lagerwall.

Het blijkt dat het gedrag van de negatieve-ordeparameter vloeibaar kristalrubber precies tegengesteld is aan dat van normale vloeibare kristalrubbers. "Optisch, wanneer een normaal vloeibaar kristalrubber een bepaalde kleur vertoont tussen gekruiste polarisatoren, de versie van de negatieve-ordeparameter toont de complementaire kleur. Mechanisch, wanneer een normaal vloeibaar kristalrubber samentrekt in één richting en uitzet in het vlak dat er loodrecht op staat, de parameter rubber van de negatieve orde zet uit langs de eerste richting en krimpt in het loodrechte vlak, ’, legt Lagerwall uit.

De onderzoekers creëerden hun negatieve-ordeparameter vloeibare kristalrubbers in de vorm van bolvormige schelpen van millimeters, die ze vervolgens in kleinere stukken met verschillende vormen snijden. Afhankelijk van hoe de snede is gemaakt, een verscheidenheid aan vormveranderend gedrag kan worden gerealiseerd, waaruit blijkt dat het systeem kan functioneren als een zachte "actuator, " effectief een kunstmatige spier. Omdat de vloeibare kristalrubbers van de negatieve en positieve orde op tegengestelde manieren werken, dit opent voor interessante manieren om de twee te combineren, om een ​​effectievere samengestelde actuator te maken, bijvoorbeeld voor zachte robotica. Wanneer de actuator van de positieve orde langzaam reageert, de negatieve-orde activeert snel, en vice versa. Vanuit een fundamenteel natuurkundig oogpunt, het fysieke bestaan ​​van de voorheen alleen theoretisch voorspelde anti-geordende vloeibaar-kristaltoestand opent voor vele interessante experimenten evenals theorieontwikkeling voor het gedrag van zelforganiserende zachte materie.