Vloeibare kristallen ondergaan een eigenaardig type faseverandering. Bij een bepaalde temperatuur hun sigaarvormige moleculen gaan van een ongeordende mengelmoes naar een meer geordende opstelling waarin ze allemaal min of meer in dezelfde richting wijzen. LCD-televisies maken gebruik van die faseverandering om verschillende kleuren in bewegende beelden te projecteren.

Voor jaren, echter, experimenten hebben gesuggereerd op een andere vloeibaar-kristaltoestand - een tussentoestand tussen de wanordelijke en geordende toestanden waarin orde begint te ontstaan ​​in discrete patches als een systeem zijn overgangstemperatuur nadert. Nutsvoorzieningen, scheikundigen van de Brown University hebben een theoretisch raamwerk aangetoond om die tussentoestand te detecteren en om beter te begrijpen hoe het werkt.

"Mensen begrijpen het geordende en ongeordende gedrag heel goed, maar de toestand waarin deze overgang op het punt staat te gebeuren wordt niet goed begrepen, " zei Richard Stratt, een professor in de chemie aan Brown en co-auteur van een paper waarin het onderzoek wordt beschreven. "Wat we hebben bedacht, is een soort maatstaf om te meten of een systeem zich in deze staat bevindt. Het geeft ons een idee van waar we in moleculaire termen naar moeten zoeken om te zien of de staat aanwezig is."

Het onderzoek, gepubliceerd in de Tijdschrift voor Chemische Fysica , zou nieuw licht kunnen werpen, niet alleen op vloeibare kristallen, maar ook moleculaire beweging elders in de natuur - fenomenen zoals de eiwitklitten die betrokken zijn bij de ziekte van Alzheimer, bijvoorbeeld. Het werk werd geleid door Yan Zhao, een doctoraat student in Stratt's lab die dit voorjaar verwacht af te studeren bij Brown.

Voor de studie, de onderzoekers gebruikten computersimulaties van faseveranderingen in een vereenvoudigd vloeibaar-kristalsysteem dat een paar honderd moleculen bevatte. Ze gebruikten de willekeurige matrixtheorie, een statistisch raamwerk dat vaak wordt gebruikt om complexe of chaotische systemen te beschrijven, om hun simulatieresultaten te bestuderen. Ze toonden aan dat de theorie het systeem goed beschrijft in zowel de geordende als de ongeordende toestand, maar slaagt er niet in de overgangstoestand te beschrijven. Die afwijking van de theorie kan worden gebruikt als een sonde om de gebieden van het materiaal te identificeren waar orde begint te ontstaan.

"Zodra je je realiseert dat je een toestand hebt waarin de theorie niet werkt, je kunt erin graven en vragen wat er is misgegaan, "Zei Stratt. "Dat geeft ons een beter idee van wat deze moleculen aan het doen zijn."

Willekeurige matrixtheorie voorspelt dat de sommen van niet-gecorreleerde variabelen - in dit geval de richtingen waarin moleculen wijzen - zouden een belcurve-verdeling moeten vormen wanneer ze in een grafiek worden uitgezet. Stratt en Zhao toonden aan dat dat geldt voor de moleculen in vloeibare kristallen wanneer ze zich in een ongeordende en geordende toestand bevinden. In de wanorde staat, de verdeling van de belcurve wordt gegenereerd door de volledig willekeurige oriëntaties van de moleculen. In de geordende staat, de moleculen zijn uitgelijnd langs een gemeenschappelijke as, maar ze wijken er elk een beetje van af - sommige wijzen een beetje naar links van de as en sommige een beetje naar rechts. Die willekeurige afwijkingen, zoals de willekeurige molecuulposities in de ongeordende toestand, zou kunnen passen bij een belcurve.

Maar die verdeling van de klokkromme viel uit elkaar net voordat de faseverandering plaatsvond, terwijl de temperatuur van het systeem daalde tot de overgangstemperatuur. Dat suggereert dat moleculen in afzonderlijke plekken in het systeem met elkaar correleerden.

"Je hebt nu verschillende sets moleculen die met elkaar beginnen samen te werken, en dat veroorzaakt de afwijkingen van de klokkromme, "Zei Stratt. "Het is alsof deze moleculen anticiperen dat deze volledig geordende toestand zal plaatsvinden, maar ze hebben nog niet allemaal besloten welke kant ze op gaan. Het is een beetje zoals politiek, waar iedereen het erover eens is dat er iets moet veranderen, maar ze weten nog niet precies wat ze moeten doen."

Stratt zegt dat het werk nuttig kan zijn om inzicht te geven in wat de effectiviteit van moleculaire beweging bepaalt. In zowel geordende als ongeordende vloeibare kristallen, moleculen zijn vrij om relatief vrij te bewegen. Maar in de tussentoestand, die beweging wordt geremd. Deze toestand vertegenwoordigt dan een situatie waarin de moleculaire vooruitgang begint te vertragen.

"Er zijn veel problemen in de natuurwetenschap waar de beweging van moleculen traag is, ' zei Stratt. 'De moleculen in gesmolten glas, bijvoorbeeld, geleidelijk vertragen naarmate de vloeistof afkoelt. De eiwitklitten die betrokken zijn bij de ziekte van Alzheimer zijn een ander voorbeeld waarbij de moleculaire rangschikking ervoor zorgt dat de beweging traag is. Maar welke regels zijn van toepassing op die moleculen als ze langzamer gaan werken? We begrijpen het niet helemaal."

Stratt hoopt dat een beter begrip van langzame moleculaire beweging in vloeibare kristallen een blauwdruk kan bieden voor het begrijpen van langzame beweging elders in de natuur.