La pressione negativa governa non solo l'Universo o il vuoto quantistico. Questo fenomeno, anche se di natura diversa, compare anche nei cristalli liquidi confinati in nanopori. Presso l'Istituto di fisica nucleare dell'Accademia polacca delle scienze di Cracovia, è stato presentato un metodo che per la prima volta consente di stimare la quantità di pressione negativa in sistemi a cristalli liquidi spazialmente limitati.

A prima vista, la pressione negativa sembra essere un fenomeno esotico. Infatti, è comune in natura, e per di più, avviene su molte scale. Sulla scala dell'universo, la costante cosmologica è responsabile dell'accelerazione dell'espansione dello spaziotempo. Nel mondo delle piante, l'attrazione di forze intermolecolari garantisce il deflusso dell'acqua alle cime degli alberi di altezza superiore ai dieci metri. Sulla scala quantistica, la pressione di particelle virtuali di un falso vuoto porta alla creazione di una forza attrattiva, che appare, Per esempio, tra due piastre metalliche parallele (il famoso effetto Casimir).

"Il fatto che nei cristalli liquidi confinati nei nanopori si manifestasse una pressione negativa era già noto. Tuttavia, non si sapeva come misurare questa pressione. Anche se non possiamo farlo direttamente, abbiamo proposto un metodo che consente di stimare in modo affidabile questa pressione, " afferma il dott. Tomasz Rozwadowski dell'Istituto di fisica nucleare dell'Accademia polacca delle scienze (IFJ PAN) di Cracovia, il primo autore di una pubblicazione in Journal of Molecular Liquids .

I fisici polacchi hanno studiato un cristallo liquido noto come 4CFPB, costituito da molecole lunghe 1,67 nm con un diametro molecolare di 0,46 nm. Esperimenti senza nanopori, in condizioni di pressione normale ed elevata (fino a circa 3000 atmosfere), sono stati effettuati presso l'Università della Slesia a Katowice. A sua volta, presso l'Università di Lipsia (Germania) sono stati esaminati sistemi in membrane di silicio con nanopori non intersecanti con un diametro di 6 e 8 nanometri. La geometria dei nanopori significava che c'era spazio solo per poche molecole di cristalli liquidi una accanto all'altra, con gli assi lunghi posizionati lungo le pareti del canale.

Gli esperimenti hanno esaminato i cambiamenti in vari parametri del cristallo liquido (inclusi dispersione dielettrica e assorbimento). Le misurazioni hanno permesso di concludere che un aumento della pressione era accompagnato da un rallentamento della mobilità molecolare. Però, più stretti sono i canali in cui erano le molecole di cristalli liquidi nei nanopori, più velocemente si muovevano. I dati hanno anche mostrato che la densità delle molecole di cristalli liquidi aumenta con l'aumentare della pressione mentre nei nanopori diminuisce. C'è stato anche un cambiamento nelle temperature alle quali il cristallo liquido è passato dalla fase isotropa liquida (con molecole disposte caoticamente nello spazio) alla fase cristallina liquida più semplice (nematica; le molecole sono ancora disposte caoticamente, ma posizionano i loro assi lunghi nella stessa direzione), e poi alla fase solida vetrosa. All'aumentare della pressione, le temperature delle transizioni di fase sono aumentate. Nei nanopori sono diminuiti.

"Con l'aumento della pressione, tutti i parametri del cristallo liquido che abbiamo esaminato sono cambiati al contrario di come sono cambiati nei nanopori con diametri decrescenti. Ciò suggerisce che le condizioni nei nanopori corrispondono a una pressione ridotta. Poiché le molecole di cristalli liquidi nei canali cercano di allungare le loro pareti, come se si espandessero, possiamo parlare di pressione negativa, rispetto alla pressione atmosferica che comprime le pareti, " dice il dottor Rozwadowski.

I cambiamenti osservati nei parametri fisici hanno permesso per la prima volta di stimare il valore della pressione negativa che appare nel cristallo liquido che riempie i nanopori. Si è scoperto che (assumendo che i cambiamenti siano lineari) la pressione negativa nei nanopori può raggiungere quasi -200 atmosfere. Questo è un ordine di grandezza maggiore della pressione negativa responsabile del trasporto dell'acqua negli alberi.

"La nostra ricerca è fondamentale in natura:fornisce informazioni sulla fisica dei fenomeni che si verificano nei cristalli liquidi vincolati in nanopori di vari diametri. Tuttavia, i cristalli liquidi hanno molte applicazioni, ad esempio nei display, optoelettronica, e medicina, quindi ogni nuova descrizione di come queste sostanze si comportano su scala nanometrica in condizioni spaziali così specifiche può portare informazioni pratiche, " ha sottolineato il dottor Rozwadowski.