(SMRC) Eine ursprünglich in den 1910er Jahren vorgeschlagene Flüssigphase wurde endlich verwirklicht. Mithilfe einer Flüssigkristallverbindung haben Wissenschaftler eine neue „ferroelektrische nematische“ Phase entdeckt, die eine völlig neue Materialklasse und technologische Fortschritte eröffnen könnte.
Es gibt viele Phasen von Flüssigkristallen, aber eine der häufigsten ist die nematische Phase. Dies ist die Phase, die die Flüssigkristallanzeigetechnologie ermöglicht. Sie können also wahrscheinlich verstehen, warum Wissenschaftler daran interessiert sind.
Solche Phasen werden durch das Verhalten der Moleküle im Material definiert. Die Flüssigkristallverbindung besteht aus stäbchenförmigen organischen Molekülen mit positiv und negativ geladenen Enden, ähnlich wie wirklich winzige Stabmagnete.
In einer nematischen Phase sind diese Moleküle geteilt, wobei die eine Hälfte in die eine und die andere Hälfte in die andere zeigt und mehr oder weniger zufällig angeordnet ist.
Aber in den 1910er Jahren entdeckten zwei Physiker - Peter Debye Und Max Born - schlug ein anderes Szenario für die molekulare Anordnung vor.
Ihren beiden Veröffentlichungen – veröffentlicht 1912 bzw. 1916 – zufolge sollte es möglich sein, einen Flüssigkristall so zu entwerfen, dass die Moleküle in einen Zustand polarer Ordnung fallen: Das bedeutet, dass es klare Stellen geben sollte, an denen die Pole der Moleküle liegen Alle Moleküle sind in die gleiche Richtung ausgerichtet, und diese Richtung kann durch Anlegen externer elektrischer Felder umgekehrt werden.
Eine solche Eigenschaft ist bei festen Kristallen gut dokumentiert; es ist bekannt als Ferroelektrizität - so genannt wegen seiner Ähnlichkeit mit Ferromagnetismus . Doch obwohl das gleiche ferroelektrische Verhalten auch bei nematischen Flüssigkristallen vermutet wurde, ist es bislang unklar.
Dann, im Jahr 2017, gab ein Team von Physikern bekannt, dass sie ein neues stäbchenförmiges organisches Molekül entwickelt hatten, das für Flüssigkristalle nützlich sein könnte – die Verbindung RM734 . In anschließende Studien , RM734 einige angezeigt ungewöhnliche Verhaltensweisen .
Während sich RM734 insbesondere bei höheren Temperaturen wie eine herkömmliche nematische Flüssigkristallphase verhielt, war sein Verhalten bei niedrigeren Temperaturen ungewöhnlicher – es wurde beobachtet, dass sich die Molekülorientierung in einer „ spreizen ' Anordnung.
Hier kommt die neue Forschung ins Spiel: Physiker der University of Colorado in Boulder waren von diesem seltsamen Verhalten fasziniert und untersuchten es genauer.
Sie experimentierten mit RM734 unter einem Polarisationslichtmikroskop und legten ein schwaches elektrisches Feld an, um die nematische Spreizphase zu induzieren.
Diese Spreizanordnung ist nicht entstanden, dafür aber etwas anderes: helle Farbflecken an den Rändern der Zelle, die den RM734-Flüssigkristall enthält.
„Es war, als würde man eine Glühbirne an Spannung anschließen, um sie zu testen, aber stattdessen leuchten die Fassung und die Anschlussdrähte viel heller.“ sagte der Physiker Noel Clark von der UC Boulder .
(Chen et al., PNAS, 2020)
Weitere Tests ergaben, dass diese Phase von RM734 zwischen 100 und 1.000 Mal stärker auf externe elektrische Felder reagierte als andere nematische Flüssigkristalle, was darauf hindeutet, dass die Moleküle eine polare Ordnung aufweisen.
Und beim Abkühlen von höheren Temperaturen erschienen spontan geordnete Flecken in der Probe, wobei fast alle Moleküle in jedem Fleck in die gleiche Richtung zeigten.
„Das bestätigte, dass es sich bei dieser Phase tatsächlich um eine ferroelektrische nematische Flüssigkeit handelte.“ sagte Clark .
Sie sind sich immer noch nicht sicher, wie oder warum RM734 diese ferroelektrische nematische Phase aufweist, aber ihre Existenz deutet darauf hin, dass weitere ferroelektrische Flüssigkeiten möglich sein könnten – solche, die wir noch entdecken müssen. Dies wiederum könnte Türen zu neuer nematischer Physik und neuen Technologien öffnen, einschließlich Display-Technologie und, so die Forscher, Computerspeicher.
Das Team untersucht nun, wie RM734 Ferroelektrizität nachweisen kann, und hofft, weitere Details zu dieser Entdeckung zu enthüllen. Wer weiß, wohin das führen wird?
„Es gibt 40.000 Forschungsarbeiten zu Nematiken, und in fast jeder davon sieht man interessante neue Möglichkeiten, wenn die Nematik ferroelektrisch gewesen wäre.“ sagte Clark .
Die Forschung wurde veröffentlicht in PNAS .