Onderzoekers van het Soft Materials Research Center (SMRC) van de University of Colorado Boulder hebben een ongrijpbare fase van materie ontdekt, meer dan 100 jaar geleden voor het eerst voorgesteld en sindsdien gewild.

Het team beschrijft de ontdekking van wat wetenschappers een "ferro-elektrische nematische" fase van vloeibaar kristal noemen in een studie die vandaag is gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences . De ontdekking opent een deur naar een nieuw universum van materialen, zei co-auteur Matt Glaser, een professor in het departement Natuurkunde.

Nematische vloeibare kristallen zijn sinds de jaren zeventig een hot topic in materiaalonderzoek. Deze materialen vertonen een merkwaardige mix van vloeistof- en vastestofachtig gedrag, waardoor ze het licht kunnen beheersen. Ingenieurs hebben ze op grote schaal gebruikt om de liquid crystal displays (LCD's) in veel laptops te maken, Tv's en mobiele telefoons.

Denk aan nematische vloeibare kristallen zoals het laten vallen van een handvol spelden op een tafel. De pinnen zijn in dit geval staafvormige moleculen die "polair" zijn - met koppen (de stompe uiteinden) die een positieve lading dragen en staarten (de puntige uiteinden) die negatief geladen zijn. In een traditioneel nematisch vloeibaar kristal, de helft van de pinnen wijst naar links en de andere helft naar rechts, met de willekeurig gekozen richting.

Een ferro-elektrische nematische vloeibaar-kristalfase, echter, is veel gedisciplineerder. In zo'n vloeibaar kristal, pleisters of "domeinen" vormen zich in het monster waarin de moleculen allemaal in dezelfde richting wijzen, ofwel rechts of links. In natuurkundig spraakgebruik, deze materialen hebben polaire ordening.

Noël Clark, hoogleraar natuurkunde en directeur van het SMRC, zei dat de ontdekking van zo'n vloeibaar kristal door zijn team zou kunnen leiden tot een schat aan technologische innovaties - van nieuwe soorten beeldschermen tot opnieuw ontworpen computergeheugen.

"Er zijn 40 000 onderzoekspapers over nematica, en in bijna elk ervan zie je interessante nieuwe mogelijkheden als de nematic ferro-elektrisch was geweest, ' zei Clark.

Onder de microscoop

De ontdekking is jaren in de maak.

Nobelprijswinnaars Peter Debye en Max Born suggereerden voor het eerst in de jaren 1910 dat, als je een vloeibaar kristal correct hebt ontworpen, zijn moleculen zouden spontaan in een polaire geordende toestand kunnen vallen. Niet lang daarna, onderzoekers begonnen vaste kristallen te ontdekken die iets soortgelijks deden:hun moleculen wezen in uniforme richtingen. Ze kunnen ook worden teruggedraaid, flippen van rechts naar links of vice versa onder een aangelegd elektrisch veld. Deze vaste kristallen werden "ferro-elektriciteit" genoemd vanwege hun overeenkomsten met magneten. (Ferrum is Latijn voor "ijzer").

In de decennia daarna, echter, wetenschappers worstelden om een ​​vloeibaar-kristalfase te vinden die zich op dezelfde manier gedroeg. Dat is, totdat Clark en zijn collega's RM734 begonnen te onderzoeken, een organisch molecuul dat enkele jaren geleden door een groep Britse wetenschappers is gemaakt.

Diezelfde Britse groep, plus een tweede team van Sloveense wetenschappers, rapporteerde dat RM734 een conventionele nematische vloeibaar-kristalfase vertoonde bij hogere temperaturen. Bij lagere temperaturen, een andere ongebruikelijke fase verscheen.

Toen het team van Clark die vreemde fase onder de microscoop probeerde te observeren, merkten ze iets nieuws op. Onder een zwak elektrisch veld, een palet van opvallende kleuren ontwikkelde zich naar de randen van de cel met het vloeibare kristal.

"Het was alsof je een gloeilamp op spanning aansluit om het te testen, maar in plaats daarvan vond ik het stopcontact en de aansluitdraden veel helderder gloeien, ' zei Clark.

Verbluffende resultaten

Dus, wat gebeurde er?

De onderzoekers voerden meer tests uit en ontdekten dat deze fase van RM734 100 tegen 1 was. 000 keer beter reageren op elektrische velden dan de gebruikelijke nematische vloeibare kristallen. Dit suggereerde dat de moleculen waaruit het vloeibare kristal bestaat, een sterke polaire orde vertoonden.

"Als de moleculen allemaal naar links wijzen, en ze zien allemaal een veld dat zegt:'ga rechts, ' de reactie is dramatisch, ' zei Clark.

Het team ontdekte ook dat verschillende domeinen zich spontaan leken te vormen in het vloeibare kristal wanneer het afkoelde van een hogere temperatuur. Er waren, met andere woorden, patches in hun monster waarin de moleculen leken te zijn uitgelijnd.

"Dat bevestigde dat deze fase was, inderdaad, een ferro-elektrische nematische vloeistof, ' zei Clark.

Die afstemming was ook meer uniform dan het team had verwacht.

"Entropie heerst in een vloeistof, " zei Joe MacLennan, een studie co-auteur en een professor in de natuurkunde aan de CU Boulder. "Alles wiebelt, dus we verwachtten veel wanorde."

Toen de onderzoekers onderzochten hoe goed de moleculen in een enkel domein waren uitgelijnd, "we waren verbluft door het resultaat, ' zei MacLennan. De moleculen wezen bijna allemaal in dezelfde richting.

Het volgende doel van het team is om te ontdekken hoe RM734 deze zeldzame prestatie bereikt. Glaser en SMRC-onderzoeker Dmitry Bedrov van de Universiteit van Utah, gebruiken momenteel computersimulatie om deze vraag aan te pakken.

"Dit werk suggereert dat er andere ferro-elektrische vloeistoffen in het zicht verborgen zijn, " zei Clark. "Het is opwindend dat er op dit moment technieken zoals kunstmatige intelligentie in opkomst zijn die een efficiënte zoektocht naar hen mogelijk zullen maken."