KAIST-onderzoekers observeerden voor het eerst de faseovergang van topologische defecten gevormd door vloeibaar kristal (LC) materialen.

De faseovergang van topologische defecten, wat ook het thema was van de Nobelprijs voor de Natuurkunde in 2016, kan moeilijk te begrijpen zijn voor een leek, maar het moet worden bestudeerd om de mysteries van het universum of de onderliggende fysica van skyrmionen te begrijpen, die intrinsieke topologische defecten hebben.

Als de melkweg als voorbeeld wordt genomen in het heelal, het is moeilijk om de topologische defecten waar te nemen omdat het systeem te groot is om enkele veranderingen over een beperkte tijdsperiode waar te nemen. In het geval van defectstructuren gevormd door LC-moleculen, ze zijn niet alleen geschikt om met een optische microscoop te observeren, maar ook de tijdsperiode waarin de faseovergang van een optredend defect direct kan worden waargenomen over een paar seconden, die kan worden verlengd tot enkele minuten. De defectstructuren gevormd door LC-materiaal hebben radiale, circulaire, of spiraalvormen gecentreerd op een singulariteit (defecte kern), zoals de singulariteit die al werd geïntroduceerd in de beroemde film "Interstellar, " wat het middelpunt van een zwart gat is.

In het algemeen, LC-materialen worden voornamelijk gebruikt in liquid crystal displays (LCD's) en optische sensoren omdat het gemakkelijk is om hun specifieke oriëntatie te regelen en ze snelle responskenmerken en enorme anisotrope optische eigenschappen hebben. Het is voordelig in termen van de prestaties van LCD's dat de defecten van de LC-materialen worden geminimaliseerd. Het onderzoeksteam onder leiding van professor Dong Ki Yoon in de Graduate School of Nanoscience and Technology minimaliseerde dergelijke defecten niet alleen, maar probeerde actief de LC-defecten te gebruiken als bouwstenen om micro- en nanostructuren te maken voor de patroontoepassingen. Tijdens deze inspanningen ze vonden de manier om de faseovergang van topologische defecten onder in-situ-omstandigheden direct te bestuderen.

Gezien het LC-materiaal vanuit het oogpunt van een apparaat zoals een LCD, robuustheid is belangrijk. Daarom, het LC-materiaal wordt geïnjecteerd door het capillaire fenomeen tussen een stijve plaat van twee glas en de oriëntatie van de LC's kan worden gevolgd door de oppervlakteverankeringstoestand van het glassubstraat. Echter, in dit conventionele geval, het is moeilijk om de faseovergang van het LC-defect waar te nemen vanwege deze sterke oppervlakteverankeringskracht die wordt geïnduceerd door het vaste substraat.

Om dit probleem op te lossen, het onderzoeksteam ontwierp een platform, waarin de beweging van de LC-moleculen niet werd beperkt, door een dunne film van LC-materiaal op water te vormen, dat is als olie die op het water drijft. Voor deze, een druppel LC-materiaal werd op water gedruppeld en uitgespreid om een ​​dunne film te vormen. De onder deze omstandigheden gevormde topologische defecten zouden de thermische faseovergang kunnen aantonen wanneer de temperatuur werd veranderd. In aanvulling, deze benadering kan de morfologie van de oorspronkelijke defectstructuur herleiden uit de opeenvolgende veranderingen tijdens de temperatuurveranderingen, die hints kunnen geven voor de studie van de vorming van topologische defecten in de kosmos of skyrmionen.

Prof. Yoon zei, "De studie van LC-kristaldefecten zelf is al ongeveer 100 jaar uitgebreid bestudeerd door natuurkundigen en wiskundigen. dit is de eerste keer dat we de faseovergang van LC-defecten direct hebben waargenomen." Hij voegde er ook aan toe:"Korea is toonaangevend in de LCD-industrie, maar ons basisonderzoek naar LC's is niet op het onderzoeksniveau van de wereld."