I ricercatori del Soft Materials Research Center (SMRC) dell'Università del Colorado Boulder hanno scoperto una fase sfuggente della materia, proposto per la prima volta più di 100 anni fa e da allora ricercato.

Il team descrive la scoperta di quella che gli scienziati chiamano una fase "nematica ferroelettrica" ​​dei cristalli liquidi in uno studio pubblicato oggi nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze . La scoperta apre le porte a un nuovo universo di materiali, ha detto il coautore Matt Glaser, professore presso il Dipartimento di Fisica.

I cristalli liquidi nematici sono stati un tema caldo nella ricerca sui materiali sin dagli anni '70. Questi materiali mostrano un curioso mix di comportamenti fluidi e solidi, che consentono loro di controllare la luce. Gli ingegneri li hanno ampiamente utilizzati per realizzare i display a cristalli liquidi (LCD) in molti laptop, TV e cellulari.

Pensa ai cristalli liquidi nematici come far cadere una manciata di spilli su un tavolo. I perni in questo caso sono molecole a forma di bastoncino che sono "polari", con teste (le estremità smussate) che portano una carica positiva e code (le estremità appuntite) che sono caricate negativamente. In un tradizionale cristallo liquido nematico, metà dei perni punta a sinistra e l'altra metà a destra, con la direzione scelta a caso.

Una fase di cristallo liquido nematico ferroelettrico, però, è molto più disciplinato. In un tale cristallo liquido, si formano patch o "domini" nel campione in cui le molecole puntano tutte nella stessa direzione, sia a destra che a sinistra. Nel gergo della fisica, questi materiali hanno un ordinamento polare.

Noel Clark, un professore di fisica e direttore dell'SMRC, ha affermato che la scoperta da parte del suo team di uno di questi cristalli liquidi potrebbe aprire una serie di innovazioni tecnologiche, da nuovi tipi di schermi alla memoria del computer reinventata.

"Sono 40, 000 articoli di ricerca sulla nematica, e in quasi tutte si vedono interessanti nuove possibilità se il nematico fosse stato ferroelettrico, " ha detto Clark.

Al microscopio

La scoperta richiede anni.

I premi Nobel Peter Debye e Max Born suggerirono per la prima volta negli anni '10 che, se hai progettato correttamente un cristallo liquido, le sue molecole potrebbero cadere spontaneamente in uno stato ordinato polare. Non molto tempo dopo, i ricercatori hanno iniziato a scoprire cristalli solidi che facevano qualcosa di simile:le loro molecole puntavano in direzioni uniformi. Potrebbero anche essere invertiti, capovolgendo da destra a sinistra o viceversa sotto un campo elettrico applicato. Questi cristalli solidi sono stati chiamati "ferroelettrici" a causa delle loro somiglianze con i magneti. (Ferrum è latino per "ferro").

Nei decenni successivi, però, gli scienziati hanno faticato a trovare una fase a cristalli liquidi che si comportasse allo stesso modo. Questo è, fino a quando Clark e i suoi colleghi hanno iniziato a esaminare RM734, una molecola organica creata da un gruppo di scienziati britannici diversi anni fa.

Quello stesso gruppo britannico, più un secondo team di scienziati sloveni, ha riferito che RM734 ha mostrato una fase di cristallo liquido nematico convenzionale a temperature più elevate. A temperature più basse, apparve un'altra fase insolita.

Quando la squadra di Clark ha cercato di osservare quella strana fase al microscopio, ha notato qualcosa di nuovo. Sotto un debole campo elettrico, una tavolozza di colori sorprendenti sviluppata verso i bordi della cella contenente il cristallo liquido.

"Era come collegare una lampadina alla tensione per testarla, ma trovare invece la presa e i cavi di collegamento che brillavano molto più intensamente, " ha detto Clark.

Risultati sorprendenti

Così, cosa stava succedendo?

I ricercatori hanno eseguito più test e hanno scoperto che questa fase di RM734 era 100 a 1, 000 volte più sensibile ai campi elettrici rispetto ai soliti cristalli liquidi nematici. Ciò ha suggerito che le molecole che compongono il cristallo liquido hanno dimostrato un forte ordine polare.

"Quando le molecole puntano tutte a sinistra, e tutti vedono un campo che dice, 'vai a destra, ' la risposta è drammatica, " ha detto Clark.

Il team ha anche scoperto che i domini distinti sembravano formarsi spontaneamente nel cristallo liquido quando si raffreddava da una temperatura più elevata. C'erano, in altre parole, patch all'interno del loro campione in cui le molecole sembravano essere allineate.

"Ciò ha confermato che questa fase era, infatti, un fluido nematico ferroelettrico, " ha detto Clark.

Quell'allineamento era anche più uniforme di quanto la squadra si aspettasse.

"L'entropia regna in un fluido, " ha detto Joe MacLennan, un coautore dello studio e un professore di fisica alla CU Boulder. "Tutto si sta dimenando, quindi ci aspettavamo molto disordine".

Quando i ricercatori hanno esaminato quanto fossero ben allineate le molecole all'interno di un singolo dominio, "siamo rimasti sbalorditi dal risultato, " disse MacLennan. Le molecole puntavano quasi tutte nella stessa direzione.

Il prossimo obiettivo del team è scoprire come RM734 raggiunge questa rara impresa. Glaser e il ricercatore SMRC Dmitry Bedrov dell'Università dello Utah, stanno attualmente utilizzando la simulazione al computer per affrontare questa domanda.

"Questo lavoro suggerisce che ci sono altri fluidi ferroelettrici nascosti in bella vista, "Ha detto Clark. "È eccitante che proprio ora stiano emergendo tecniche come l'intelligenza artificiale che consentiranno una ricerca efficiente per loro".