I cristalli liquidi subiscono un particolare tipo di cambiamento di fase. A una certa temperatura, le loro molecole a forma di sigaro passano da un guazzabuglio disordinato a una disposizione più ordinata in cui puntano tutte più o meno nella stessa direzione. I televisori LCD sfruttano questo cambiamento di fase per proiettare colori diversi nelle immagini in movimento.

Per anni, però, gli esperimenti hanno suggerito un altro stato a cristalli liquidi, uno stato intermedio tra gli stati disordinato e ordinato in cui l'ordine inizia a emergere in zone discrete quando un sistema si avvicina alla sua temperatura di transizione. Ora, i chimici della Brown University hanno dimostrato un quadro teorico per rilevare quello stato intermedio e per capire meglio come funziona.

"Le persone comprendono molto bene i comportamenti ordinati e disordinati, ma lo stato in cui questa transizione sta per avvenire non è ben compreso, " ha detto Richard Stratt, un professore di chimica alla Brown e coautore di un articolo che descrive la ricerca. "Quello che abbiamo trovato è una sorta di metro per misurare se un sistema è in questo stato. Ci dà un'idea di cosa cercare in termini molecolari per vedere se lo stato è presente".

La ricerca, pubblicato in Giornale di Fisica Chimica , potrebbe gettare nuova luce non solo sui cristalli liquidi, ma anche il movimento molecolare altrove in natura:fenomeni come i grovigli proteici coinvolti nel morbo di Alzheimer, Per esempio. Il lavoro è stato condotto da Yan Zhao, un dottorato di ricerca studente nel laboratorio di Stratt che prevede di laurearsi alla Brown questa primavera.

Per lo studio, i ricercatori hanno utilizzato simulazioni al computer dei cambiamenti di fase in un sistema a cristalli liquidi semplificato che includeva poche centinaia di molecole. Hanno usato la teoria delle matrici casuali, un quadro statistico spesso utilizzato per descrivere sistemi complessi o caotici, per studiare i risultati della loro simulazione. Hanno dimostrato che la teoria fa un buon lavoro nel descrivere il sistema sia negli stati ordinati che disordinati, ma non riesce a descrivere lo stato di transizione. Questa deviazione dalla teoria può essere usata come una sonda per identificare le regioni del materiale in cui l'ordine sta cominciando a emergere.

"Una volta che ti rendi conto di avere questo stato in cui la teoria non funziona, puoi scavare e chiedere cosa è andato storto, " Stratt ha detto. "Questo ci dà un'idea migliore di ciò che stanno facendo queste molecole".

La teoria delle matrici casuali prevede che le somme di variabili non correlate, in questo caso, le direzioni in cui puntano le molecole dovrebbero formare una distribuzione della curva a campana quando tracciate su un grafico. Stratt e Zhao hanno dimostrato che questo è vero per le molecole nei cristalli liquidi quando sono in stati disordinati e ordinati. Nello stato disordinato, la distribuzione della curva a campana è generata dagli orientamenti completamente casuali delle molecole. Nello stato ordinato, le molecole sono allineate lungo un asse comune, ma ciascuno di essi si discosta un po' da esso, alcuni puntando un po' a sinistra dell'asse e altri un po' a destra. Quelle deviazioni casuali, come le posizioni casuali della molecola nello stato disordinato, potrebbe adattarsi a una curva a campana.

Ma quella distribuzione della curva a campana è crollata poco prima che avvenisse il cambiamento di fase, poiché la temperatura del sistema stava scendendo alla sua temperatura di transizione. Ciò suggerisce che le molecole in zone discrete nel sistema stavano diventando correlate tra loro.

"Ora hai diversi gruppi di molecole che iniziano a cooperare tra loro, e che provoca le deviazioni dalla curva a campana, " ha detto Stratt. "È come se queste molecole stessero anticipando che questo stato completamente ordinato avrà luogo, ma non hanno ancora deciso in quale direzione andranno incontro. È un po' come la politica, dove tutti sono d'accordo che qualcosa deve cambiare, ma non hanno capito esattamente cosa fare."

Stratt afferma che il lavoro potrebbe essere utile per fornire informazioni su ciò che governa l'efficacia del movimento molecolare. Sia nei cristalli liquidi ordinati che disordinati, le molecole sono libere di muoversi relativamente liberamente. Ma nello stato intermedio, quel movimento è inibito. Questo stato rappresenta quindi una situazione in cui il progresso molecolare inizia a rallentare.

"Ci sono molti problemi nelle scienze naturali in cui il movimento delle molecole è lento, " disse Stratt. "Le molecole nel vetro fuso, Per esempio, rallentare progressivamente man mano che il liquido si raffredda. I grovigli proteici coinvolti nella malattia di Alzheimer sono un altro esempio in cui la disposizione molecolare fa sì che il movimento sia lento. Ma quali regole governano quelle molecole mentre rallentano? Non lo capiamo appieno".

Stratt spera che una migliore comprensione del movimento molecolare lento nei cristalli liquidi possa fornire un modello per comprendere il movimento lento altrove in natura.