Negatieve druk regeert niet alleen het heelal of het kwantumvacuüm. Dit fenomeen, hoewel van een andere aard, komt ook voor in vloeibare kristallen opgesloten in nanoporiën. Aan het Instituut voor Kernfysica van de Poolse Academie van Wetenschappen in Krakau, er is een methode gepresenteerd die het voor het eerst mogelijk maakt om de hoeveelheid onderdruk in ruimtelijk beperkte vloeibare kristalsystemen te schatten.

Op het eerste gezicht, negatieve druk blijkt een exotisch fenomeen te zijn. In feite, het is gebruikelijk in de natuur, en wat meer is, komt op vele schalen voor. Op de schaal van het heelal, de kosmologische constante is verantwoordelijk voor het versnellen van de uitbreiding van de ruimtetijd. In de plantenwereld het aantrekken van intermoleculaire krachten garandeert de waterstroom naar de boomtoppen van alle bomen hoger dan tien meter. Op de kwantumschaal de druk van virtuele deeltjes van een vals vacuüm leidt tot het creëren van een aantrekkende kracht, verschijnen, bijvoorbeeld, tussen twee parallelle metalen platen (het beroemde Casimir-effect).

"Het feit dat er een negatieve druk optreedt in vloeibare kristallen opgesloten in nanoporiën was al bekend. het was niet bekend hoe deze druk te meten. Hoewel we dit ook niet direct kunnen doen, we hebben een methode voorgesteld waarmee deze druk betrouwbaar kan worden geschat, " zegt Dr. Tomasz Rozwadowski van het Instituut voor Kernfysica van de Poolse Academie van Wetenschappen (IFJ PAN) in Krakau, de eerste auteur van een publicatie in de Journal of Molecular Liquids .

De Poolse natuurkundigen onderzochten een vloeibaar kristal dat bekend staat als 4CFPB, opgebouwd uit 1,67 nm lange moleculen met een moleculaire diameter van 0,46 nm. Experimenten zonder nanoporiën, onder normale en verhoogde druk (tot ongeveer 3000 atmosfeer), werden uitgevoerd aan de Universiteit van Silezië in Katowice. Beurtelings, systemen in siliciummembranen met niet-kruisende nanoporiën met een diameter van 6 en 8 nanometer werden onderzocht aan de Universiteit van Leipzig (Duitsland). Door de geometrie van de nanoporiën was er slechts plaats voor een paar moleculen vloeibaar kristal naast elkaar, met de lange assen langs de wanden van het kanaal.

De experimenten keken naar veranderingen in verschillende parameters van het vloeibare kristal (inclusief diëlektrische dispersie en absorptie). De metingen maakten het mogelijk om te concluderen dat een toename van de druk gepaard ging met een vertraging van de moleculaire mobiliteit. Echter, hoe smaller de kanalen waarin de moleculen van vloeibaar kristal in de nanoporiën waren, hoe sneller ze bewogen. De gegevens toonden ook aan dat de dichtheid van de vloeibare kristalmoleculen toenam met toenemende druk, terwijl deze in de nanoporiën afnam. Er was ook een verandering in de temperaturen waarbij het vloeibare kristal overging van de vloeibare isotrope fase (met moleculen chaotisch gerangschikt in de ruimte) naar de eenvoudigste vloeibaar kristallijne fase (nematisch; de moleculen zijn nog steeds chaotisch gerangschikt, maar ze plaatsen hun lange assen in dezelfde richting), en vervolgens naar de glasachtige vaste fase. Naarmate de druk toenam, de temperaturen van de faseovergangen namen toe. In de nanoporiën - ze namen af.

"Met toenemende druk, alle parameters van het vloeibare kristal dat we onderzochten veranderden omgekeerd naar hoe ze veranderden in nanoporiën met afnemende diameters. Dit suggereert dat de omstandigheden in de nanoporiën overeenkomen met een verminderde druk. Omdat de vloeibare kristalmoleculen in de kanalen hun wanden proberen uit te rekken, alsof ze aan het uitbreiden waren, we kunnen praten over negatieve druk, ten opzichte van de atmosferische druk die de wanden vernauwt, " zegt Dr. Rozwadowski.

De waargenomen veranderingen in fysieke parameters maakten het voor het eerst mogelijk om de waarde van de negatieve druk te schatten die optreedt in het vloeibare kristal dat de nanoporiën vult. Het bleek dat (ervan uitgaande dat de veranderingen lineair zijn) de onderdruk in nanoporiën bijna -200 atmosfeer kan bereiken. Dit is een orde van grootte groter dan de onderdruk die verantwoordelijk is voor het watertransport in bomen.

"Ons onderzoek is fundamenteel van aard - het geeft informatie over de fysica van verschijnselen die optreden in vloeibare kristallen die zijn opgesloten in nanoporiën van verschillende diameters. vloeibare kristallen hebben vele toepassingen, bijvoorbeeld in displays, opto-elektronica, en medicijnen, dus elke nieuwe beschrijving van hoe deze stoffen zich op nanoschaal in dergelijke specifieke ruimtelijke omstandigheden gedragen, kan praktische informatie bevatten, " benadrukte Dr. Rozwadowski.