Natuurkundigen van de University of Colorado Boulder hebben zich tot het uiterste ingespannen om hun badges voor scoutingverdienste te verdienen voor het knopen van knopen.

In een studie die op 22 september in het tijdschrift zal verschijnen Wetenschap , een team van onderzoekers ontdekte een nieuwe manier om microscopisch kleine knopen te leggen in een oplossing van vloeibare kristallen. Dit type materiaal is te vinden in een breed scala aan elektronica, van high-definition tv's tot schermen van mobiele telefoons.

En hoewel de kleine knopen je niet zullen helpen om een ​​roeiboot vast te zetten of een tent op te zetten, ze zijn een prestatie van controle, zei Jung-Shen (Benny) Tai, hoofdauteur van het nieuwe onderzoek. Eenmaal vastgebonden, deze moleculaire pretzels zullen niet losraken, en ze kunnen samenkomen om grote, driedimensionale kristallen.

"Door de spanning te veranderen die we met onze knopen op het vloeibare kristal toepassen, we kunnen ze laten uitzetten of krimpen en zelfs het CU Boulder-logo vormen wanneer ze worden gemanipuleerd met lasers, " zei Tai, een afgestudeerde student in het departement Natuurkunde.

Co-auteur Ivan Smalyukh gelooft dat de vloeibaar-kristalknopen van het team andere toepassingen zullen hebben, te.

natuurkundigen, hij legde uit, zijn al lang geïnteresseerd in hoe knopen zich kunnen vormen in een breed scala van fysieke velden, zoals die voortkomen uit magneten. Het probleem is dat deze verschijnselen niet gemakkelijk te observeren of te manipuleren zijn met conventionele instrumenten.

"Wetenschappers hebben dergelijke knopen in de kosmologie voorgesteld, kernfysica, deeltjesfysica, overal, " zei Smalyukh, een hoogleraar natuurkunde. "Maar het mooie van vloeibare kristallen is dat je ze onder een microscoop kunt zien en bestuderen."

Hij voegde eraan toe dat de studie voortbouwt op de langlopende obsessie van de mensheid met knopen. Dergelijke vormen hebben een centrale rol gespeeld in de kunstwerken van Celtic, Noors, Tibetaanse en Chinese culturen, om er een paar te noemen.

"De mensheid is al millennia gefascineerd door knopen, ' zei Smalyukh.

Wetenschappers zijn geen uitzondering. In de 19de eeuw, bijvoorbeeld, beroemde natuurkundigen William Thomson en James Clerk Maxwell stelden voor dat atomen zelf zouden kunnen bestaan ​​​​uit kleine energieknopen. Dit model werd uiteindelijk ontkracht, maar het hielp een actueel onderzoeksgebied te inspireren dat de wiskundige knooptheorie wordt genoemd.

En het dwong veel wetenschappers om te zoeken naar knopen in andere fysieke verschijnselen. Voor hun deel, Smalyukh en Tai wendden zich tot vloeibare kristallen.

Dit soort materialen is nuttig omdat ze zich een beetje als vaste stoffen en een beetje als vloeistoffen gedragen.

In de nieuwe studie experimenteerden de onderzoekers met een soort vloeibaar-kristalmolecuul dat de vorm heeft van een helix, of een kleine schroef. Omdat die schroeven niet goed in elkaar passen, ze hebben de neiging om te draaien, zei Smalyukh. Als resultaat, als je ze onder de juiste omstandigheden mengt, er zullen kleine knikken in de oplossing verschijnen. Door een microscoop, die knikken lijken een beetje op zandkorrels die in een glas water drijven.

Maar het zijn geen granen. Het zijn knopen.

"We zien een enorm aantal moleculen die weten hoe ze knopen moeten leggen, ' zei Smalyukh.

In andere woorden, de moleculen in de kleine knikken wijzen in andere richtingen dan die om hen heen. En als je hun collectieve oriëntatie op verschillende locaties meet, ze volgen de lijn van een knoop.

Tai voegde eraan toe dat het team verschillende soorten knopen heeft zien verschijnen in hun vloeibare kristaloplossingen. De meest elementaire is de klaverknoop, die zichzelf drie keer kruist en een populair motief was in Keltische kunstwerken.

"We hadden ook meer gecompliceerde zoals wateraardbeiknopen, of knopen met vijf kruisingen, en zelfs die met zeven kruisingen, " hij zei.

Zoals de beste knopen, deze creaties zullen niet breken tenzij de onderzoekers het omringende medium verstoren - het equivalent van het gebruik van een schaar om ze af te knippen. Als resultaat, het team was in staat om lasers te gebruiken om de knopen te verplaatsen, door ze samen te duwen om veel grotere structuren te vormen.

"Met vloeibare kristallen, we kunnen deze knopen gemakkelijk in beeld brengen en analyseren en ze vergelijken met echte wiskundige knopen, "Zei Tai. "Dus dit biedt een heel mooi platform om de knooptheorie te testen."

Smalyukh was het daarmee eens en zei dat het ook gewoon spannend is om een ​​nieuwe manier te vinden om met knopen te spelen.

"We weten dat er een mooie geschiedenis is van mensen die gefascineerd zijn door de mogelijkheid van knopen in velden, "zei hij. "Maar het was nogal onverwacht om ze in deze belichaming recht voor onze ogen te zien."