Un team dell'Università del Colorado Boulder ha progettato nuovi tipi di cristalli liquidi che rispecchiano le complesse strutture di alcuni cristalli solidi:un importante passo avanti nella costruzione di materiali fluidi che possano corrispondere alla colorata diversità di forme osservate nei minerali e nelle gemme, dalla lazulite al topazio.

I risultati del gruppo, pubblicato oggi sulla rivista Natura , potrebbe un giorno portare a nuovi tipi di finestre intelligenti e schermi televisivi o computer in grado di piegare e controllare la luce come mai prima d'ora.

I risultati si riducono a una proprietà dei cristalli solidi che sarà familiare a molti chimici e gemmologi:la simmetria.

Ivan Smalyukh, un professore nel Dipartimento di Fisica della CU Boulder, ha spiegato che gli scienziati classificano tutti i cristalli conosciuti in sette classi principali, più molte altre sottoclassi, in parte basate sulle "operazioni di simmetria" dei loro atomi interni. In altre parole, in quanti modi puoi attaccare uno specchio immaginario all'interno di un cristallo o ruotarlo e vedere ancora la stessa struttura? Pensa a questo sistema di classificazione come ai 32 sapori di Baskin-Robbins ma per i minerali.

Ad oggi, però, gli scienziati non sono stati in grado di creare cristalli liquidi, materiali fluidi che si trovano nella maggior parte delle moderne tecnologie di visualizzazione, che hanno gli stessi gusti.

"Sappiamo tutto di tutte le possibili simmetrie di cristalli solidi che possiamo creare. Ce ne sono 230, " disse Smalyukh, autore senior del nuovo studio che è anche membro del Renewable and Sustainable Energy Institute (RASEI) presso CU Boulder. "Quando si tratta di cristalli liquidi nematici, il tipo nella maggior parte dei display, ne abbiamo solo alcuni che sono stati dimostrati finora".

Questo è, fino ad ora.

Nelle loro ultime scoperte, Smalyukh e i suoi colleghi hanno trovato un modo per progettare i primi cristalli liquidi che assomigliano a cristalli monoclini e ortorombici, due di quelle sette classi principali di cristalli solidi. Le scoperte, Egli ha detto, portare un po' più di ordine nel caotico mondo dei fluidi.

"Esistono molti tipi possibili di cristalli liquidi, ma, finora, pochissimi sono stati scoperti, " Ha detto Smalyukh. "Questa è una grande notizia per gli studenti perché c'è molto altro da trovare".

Simmetria in azione

Per comprendere la simmetria nei cristalli, prima immagina il tuo corpo. Se metti uno specchio gigante in mezzo al tuo viso, vedrai un riflesso che assomiglia (più o meno) alla stessa persona.

I cristalli solidi hanno proprietà simili. Cristalli cubici, che includono diamanti e pirite, Per esempio, sono costituiti da atomi disposti a forma di cubo perfetto. Hanno molte operazioni di simmetria.

"Se ruoti quei cristalli di 90 o 180 gradi attorno a molti assi speciali, Per esempio, tutti gli atomi stanno nei posti giusti, " ha detto Smalyukh.

Ma ci sono altri tipi di cristalli, pure. Gli atomi all'interno di cristalli monoclini, che includono gesso o lazulite, sono disposti in una forma che sembra una colonna inclinata. Capovolgi o ruota questi cristalli quanto vuoi, e hanno ancora solo due simmetrie distinte:un piano speculare e un asse di rotazione di 180 gradi, o la simmetria che puoi vedere ruotando un cristallo attorno a un asse e notando che sembra lo stesso ogni 180 gradi. Gli scienziati lo chiamano uno stato di "bassa simmetria".

Cristalli liquidi tradizionali, però, non visualizzare questo tipo di strutture complesse. I cristalli liquidi più comuni, Per esempio, sono costituiti da minuscole molecole a forma di bastoncino. Al microscopio, tendono ad allinearsi come tagliatelle di pasta secca gettate in una pentola, ha detto Smalyukh.

"Quando le cose possono fluire, di solito non mostrano simmetrie così basse, " ha detto Smalyukh.

Ordina in liquidi

Lui e i suoi colleghi volevano vedere se potevano cambiarlo. Iniziare, il team ha mescolato insieme due diversi tipi di cristalli liquidi. La prima era la classe comune costituita da molecole a forma di bastoncino. Il secondo era costituito da particelle a forma di dischi ultrasottili.

Quando i ricercatori li hanno riuniti, hanno notato qualcosa di strano:nelle giuste condizioni in laboratorio, quei due tipi di cristalli si spingevano e si schiacciavano a vicenda, modificandone l'orientamento e la disposizione. Il risultato finale è stato un fluido di cristalli liquidi nematici con una simmetria molto simile a quella di un cristallo solido monoclino. Le molecole all'interno mostravano una certa simmetria, ma solo un piano speculare e un asse di rotazione di 180 gradi.

Il gruppo aveva creato, in altre parole, un materiale con le proprietà matematiche di un cristallo di lazulite o gesso, ma il loro potrebbe fluire come un fluido.

"Ci poniamo una domanda fondamentale:quali sono i modi in cui puoi combinare ordine e fluidità in un unico materiale?" ha detto Smalyukh.

E, le creazioni del team sono dinamiche:se riscaldi i cristalli liquidi o li raffreddi, Per esempio, puoi trasformarli in un arcobaleno di strutture diverse, ognuno con le proprie proprietà, disse Haridas Mundoor, autore principale del nuovo articolo. È abbastanza utile per gli ingegneri.

"Questo offre diverse strade che possono modificare le tecnologie di visualizzazione, che può migliorare l'efficienza energetica nelle prestazioni di dispositivi come smartphone, " disse Mundoor, un associato di ricerca post-dottorato presso CU Boulder.

Lui e i suoi colleghi non sono ancora vicini alla creazione di cristalli liquidi in grado di replicare l'intero spettro dei cristalli solidi. Ma il nuovo giornale li avvicina più che mai:buone notizie per i fan delle cose luccicanti ovunque.