Een team van de University of Colorado Boulder heeft nieuwe soorten vloeibare kristallen ontworpen die de complexe structuren van sommige vaste kristallen weerspiegelen - een grote stap voorwaarts in het bouwen van vloeiende materialen die de kleurrijke diversiteit aan vormen kunnen evenaren die te zien zijn in mineralen en edelstenen, van lazuliet tot topaas.

De bevindingen van de groep, vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Natuur , kan op een dag leiden tot nieuwe soorten slimme ramen en televisie- of computerschermen die licht kunnen buigen en beheersen als nooit tevoren.

De resultaten komen neer op een eigenschap van vaste kristallen die veel scheikundigen en edelsteenkundigen bekend zal zijn:symmetrie.

Ivan Smalyukh, een professor in de afdeling Natuurkunde aan CU Boulder, legde uit dat wetenschappers alle bekende kristallen in zeven hoofdklassen indelen, plus nog veel meer subklassen - deels gebaseerd op de "symmetriebewerkingen" van hun interne atomen. Met andere woorden, op hoeveel manieren kun je een denkbeeldige spiegel in een kristal steken of draaien en toch dezelfde structuur zien? Zie dit classificatiesysteem als de 32 smaken van Baskin-Robbins, maar dan voor mineralen.

Daten, echter, wetenschappers zijn er niet in geslaagd om vloeibare kristallen te creëren - vloeiende materialen die worden aangetroffen in de meeste moderne weergavetechnologieën - die in dezelfde vele smaken verkrijgbaar zijn.

"We weten alles over alle mogelijke symmetrieën van vaste kristallen die we kunnen maken. Er zijn er 230, " zei Smalyukh, senior auteur van de nieuwe studie die ook fellow is van het Renewable and Sustainable Energy Institute (RASEI) aan CU Boulder. "Als het gaat om nematische vloeibare kristallen, het soort in de meeste displays, we hebben er maar een paar die tot nu toe zijn aangetoond."

Dat is, tot nu.

In hun laatste bevindingen, Smalyukh en zijn collega's bedachten een manier om de eerste vloeibare kristallen te ontwerpen die lijken op monokliene en orthorhombische kristallen - twee van die zeven hoofdklassen van vaste kristallen. De bevindingen, hij zei, breng wat meer orde in de chaotische wereld van vloeistoffen.

"Er zijn veel mogelijke soorten vloeibare kristallen, maar, tot dusver, er zijn er maar weinig ontdekt, "Zei Smalyukh. "Dat is geweldig nieuws voor studenten, want er is nog veel meer te vinden."

Symmetrie in actie

Om symmetrie in kristallen te begrijpen, maak eerst een foto van je lichaam. Als je een gigantische spiegel in het midden van je gezicht plaatst, je ziet een reflectie die (min of meer) op dezelfde persoon lijkt.

Vaste kristallen hebben vergelijkbare eigenschappen. Kubieke kristallen, waaronder diamanten en pyriet, bijvoorbeeld, bestaan ​​uit atomen die in de vorm van een perfecte kubus zijn gerangschikt. Ze hebben veel symmetrie-operaties.

"Als je die kristallen 90 of 180 graden rond vele speciale assen draait, bijvoorbeeld, alle atomen blijven op de juiste plaatsen, ' zei Smalyukh.

Maar er zijn andere soorten kristallen, te. De atomen in monokliene kristallen, waaronder gips of lazuliet, zijn gerangschikt in een vorm die lijkt op een schuine kolom. Draai of draai deze kristallen zoveel je wilt, en ze hebben nog steeds slechts twee verschillende symmetrieën - een spiegelvlak en een as van 180 graden rotatie, of de symmetrie die je kunt zien door een kristal om een ​​as te draaien en te zien dat het er elke 180 graden hetzelfde uitziet. Wetenschappers noemen dat een toestand van "lage symmetrie".

Traditionele vloeibare kristallen, echter, laat dat soort complexe structuren niet zien. De meest voorkomende vloeibare kristallen, bijvoorbeeld, bestaan ​​uit kleine staafvormige moleculen. Onder de microscoop, ze hebben de neiging om in de rij te staan ​​​​als droge pasta-noedels die in een pot worden gegooid, zei Smalyukh.

"Als dingen kunnen stromen, vertonen ze meestal niet zulke lage symmetrieën, ' zei Smalyukh.

Bestellen in vloeistoffen

Hij en zijn collega's wilden kijken of ze daar verandering in konden brengen. Beginnen, het team mengde twee verschillende soorten vloeibare kristallen. De eerste was de gewone klasse bestaande uit staafvormige moleculen. De tweede bestond uit deeltjes in de vorm van ultradunne schijven.

Toen de onderzoekers ze samenbrachten, ze merkten iets vreemds op:onder de juiste omstandigheden in het lab, die twee soorten kristallen duwden en knepen elkaar, hun oriëntatie en rangschikking veranderen. Het eindresultaat was een nematische vloeibaar-kristalvloeistof met symmetrie die veel lijkt op die van een vast monokliene kristal. De moleculen binnenin vertoonden enige symmetrie, maar slechts één spiegelvlak en één as van 180 graden rotatie.

De groep had gemaakt, met andere woorden, een materiaal met de wiskundige eigenschappen van een lazuliet- of gipskristal, maar dat van hen zou kunnen stromen als een vloeistof.

"We stellen een zeer fundamentele vraag:op welke manieren kun je orde en vloeibaarheid in één materiaal combineren?" zei Smalyukh.

En, de creaties van het team zijn dynamisch:als je de vloeibare kristallen opwarmt of afkoelt, bijvoorbeeld, je kunt ze veranderen in een regenboog van verschillende structuren, elk met hun eigen eigenschappen, zei Haridas Mundoor, hoofdauteur van het nieuwe artikel. Dat is best handig voor ingenieurs.

"Dit biedt verschillende mogelijkheden om weergavetechnologieën aan te passen, die de energie-efficiëntie van apparaten zoals smartphones kunnen verbeteren, " zei Mundoor, een postdoctoraal onderzoeksmedewerker bij CU Boulder.

Hij en zijn collega's zijn nog lang niet in de buurt van het maken van vloeibare kristallen die het volledige spectrum van vaste kristallen kunnen repliceren. Maar de nieuwe krant brengt ze dichterbij dan ooit tevoren - goed nieuws voor fans van glimmende dingen overal.