Дослідники з Університету Люксембургу винайшли новий спосіб отримання рідких кристалів із порядком орієнтації, який є оберненим до того, що досі спостерігався у таких матеріалах. Завдяки цьому були отримані рідкі кристали із новими властивостями, які, наприклад, можуть бути застосовані при створенні штучних м’язів.
Рідкі кристали – досить цікавий клас матеріалів, який відомий людям вже понад століття, однак своїм існуванням для багатьох людей вони руйнують віру у те, що класифікація речовин на тверді, рідкі і газоподібні є вичерпною. Рідкі кристали – це фазовий стан у який переходять деякі речовини при певній температурі та інших умовах. При цьому в’язка рідина, якою видаються такі кристали демонструє різні оптичні, електричні та інші властивості у різних напрямках. Ця властивість, притаманна звичайним та рідким кристалам, називається анізотропією.
Серед рідких кристалів найбільше розповсюдження отримали так звані нематичні рідкі кристали. Їхні молекули мають веретеноподібну форму та орієнтовані у одному напрямку, який визначається електромагнітним полем, яке діє на матеріал. Ця властивість і призвела до того, що найбільш відомим широкій громадськості застосуванням рідких кристалів є різні дисплеї та індикатори.
Як досягти анти-порядку?
При цьому характер орієнтації молекул визначається так званим скалярним параметром порядку. Коли цей параметр дорівнює одиниці, то усі молекули у матеріалі орієнтовані в один бік. Коли ж він дорівнює нулю, то вони розташовані хаотично. Однак теорія нематичних рідких кристалів передбачає, що можливий стабільний стан цих матеріалів при від’ємному значенні скалярного параметру порядку.
При значенні цього параметру -1/2 усі молекули у матеріалі являють собою вже не нитки чи голки, а пластинки, площина яких перпендикулярна до певної вісі. Такий матеріал нещодавно і був описаний у статті дослідників із Університету Люксимбурга. Для досягнення своєї мети вони дещо модернізували стандартний метод отримання нематичних рідких кресталів. Якщо просто полімеризувати рідкі кристали при умовах, які створюють від’ємний скалярний параметр порядку, то система починає прямувати до мінімуму енергії, щоби знову повернутися до звичайного впорядкованого стану.
Нові рідкі кристали з від’ємним параметром порядку здатні змінювати форму поверхні до гладкої сфери та назад. University of Luxembourg
Щоб запобігти цьому, дослідники вдалися до часткової полімеризації кристалів у вигляді вільно зв’язаної мережі. Ця мережа потім стискалася або розтягувалася, щоб стабілізувати кристали у певному положенні, яке було достатньо близьким до того, яке вони мали зайняти у рідкому кристалі з від’ємним скалярним фактором порядку. Поступово розчинник випаровувався і мережа розпадалася. Однак кристалам не лишалося нічого, крім як зорієнтуватися у відповідності з скалярним фактором порядку, що дорівнює -1/2, тобто у вигляді пластинок, що орієнтовані точно перпендикулярно певному напрямку. Досліднкам лишалося тільки повторно полімеризувати їх, щоб створити рідкий кристал.
Нові екстраординарні властивості
Виявилося, що поведінка нових рідких кристалів у певних умовах прямо протилежна поведінці звичайних нематичних рідких кристалів. Там де останні при оптичних випробуваннях дають один колір, кристали із від’ємним значенням параметру порядку демонструють компліментарний йому (наприклад, зелений та червоний, синій та помаранчевий).
Також протилежними є механічні властивості цих кристалів. Ті умови, які викликають у звичайних рідких кристалів стискання до менш витягнутої форми, у нових кристалах викликають зворотній ефект. Вони навпаки перестають бути пласкими, витягуючись вздовж тієї вісі, яку раніше уникали. Ця властивість може у майбутньому виявитися досить цінною при розробці штучних м’язів. М’язам треба стискатися і розслаблятися. І тут два види кристалів можуть непогано доповнити один одного, роблячи обидві дії однаково ефективними.
Насправді, вказаний спосіб використання може виявитися лише одним із можливих шляхів використання нових кристалів. Оптичні та електричні властивості рідких кристалів лишаються дуже незвичними для нас. Тож ми не можемо собі поки що уявити всі галузі їх застосування. Цілком можливо, що у майбутньому саме на основі рідких кристалів із додатнім та від’ємним параметрами порядку з’явиться щось принципово відмінне, як і від звичної електроніки, так і від молодої та перспективної фотоніки.
Science Advances (2019), doi: 10.1126/sciadv.aaw2476.