Los investigadores del Centro de Investigación de Materiales Blandos SMRC de la Universidad de Colorado Boulder han descubierto una fase evasiva de la materia, propuesta por primera vez hace más de 100 años y buscada desde entonces.
El equipo describe el descubrimiento de lo que los científicos llaman una fase de cristal líquido "nemático ferroeléctrico" en un estudio publicado hoy en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias . El descubrimiento abre una puerta a un nuevo universo de materiales, dijo el coautor Matt Glaser, profesor del Departamento de Física.
Los cristales líquidos nemáticos han sido un tema candente en la investigación de materiales desde la década de 1970. Estos materiales exhiben una curiosa mezcla de comportamientos similares a fluidos y sólidos, que les permiten controlar la luz. Los ingenieros los han usado ampliamente para hacer las pantallas de cristal líquidoLCD en muchas computadoras portátiles, televisores y teléfonos celulares.
Piense en los cristales líquidos nemáticos como dejar caer un puñado de alfileres sobre una mesa. Los alfileres en este caso son moléculas en forma de barra que son "polares" - con cabezas los extremos romos que llevan una carga positiva y colas elextremos puntiagudos que están cargados negativamente. En un cristal líquido nemático tradicional, la mitad de los pines apuntan a la izquierda y la otra mitad a la derecha, con la dirección elegida al azar.
Sin embargo, una fase de cristal líquido nemático ferroeléctrico es mucho más disciplinada. En dicho cristal líquido, se forman parches o "dominios" en la muestra en la que todas las moléculas apuntan en la misma dirección, ya sea derecha o izquierda., estos materiales tienen un orden polar.
Noel Clark, profesor de física y director del SMRC, dijo que el descubrimiento de su equipo de uno de esos cristales líquidos podría abrir una gran cantidad de innovaciones tecnológicas, desde nuevos tipos de pantallas hasta la reinvención de la memoria de la computadora.
"Hay 40,000 trabajos de investigación sobre nemática, y en casi cualquiera de ellos se ven nuevas posibilidades interesantes si la nemática hubiera sido ferroeléctrica", dijo Clark.
bajo el microscopio
El descubrimiento lleva años en desarrollo.
Los premios Nobel Peter Debye y Max Born sugirieron por primera vez en la década de 1910 que, si diseñaba un cristal líquido correctamente, sus moléculas podrían caer espontáneamente en un estado polar ordenado. No mucho después, los investigadores comenzaron a descubrir cristales sólidos que hicieron algo similar: Sus moléculas apuntaban en direcciones uniformes. También podían invertirse, volteándose de derecha a izquierda o viceversa bajo un campo eléctrico aplicado. Estos cristales sólidos se llamaban "ferroeléctricos" debido a sus similitudes con los imanes Ferrum es latín para "hierro"".
En las décadas posteriores, sin embargo, los científicos lucharon por encontrar una fase de cristal líquido que se comportara de la misma manera. Es decir, hasta que Clark y sus colegas comenzaron a examinar RM734, una molécula orgánica creada por un grupo de científicos británicos hace varios años.
Ese mismo grupo británico, más un segundo equipo de científicos eslovenos, informó que RM734 exhibió una fase convencional de cristal líquido nemático a temperaturas más altas. A temperaturas más bajas, apareció otra fase inusual.
Cuando el equipo de Clark trató de observar esa extraña fase bajo el microscopio, notaron algo nuevo. Bajo un campo eléctrico débil, se desarrolló una paleta de colores llamativos hacia los bordes de la celda que contenía el cristal líquido.
"Fue como conectar una bombilla de luz al voltaje para probarlo, pero descubriendo que el enchufe y los cables de conexión brillan mucho más intensamente", dijo Clark.
Resultados impresionantes
Entonces, ¿qué estaba pasando?
Los investigadores realizaron más pruebas y descubrieron que esta fase de RM734 era 100 a 1,000 veces más sensible a los campos eléctricos que los cristales líquidos nemáticos habituales. Esto sugirió que las moléculas que componen el cristal líquido demostraron un fuerte orden polar.
"Cuando todas las moléculas apuntan hacia la izquierda y todas ven un campo que dice 've a la derecha', la respuesta es dramática", dijo Clark.
El equipo también descubrió que los dominios distintos parecían formarse espontáneamente en el cristal líquido cuando se enfriaba a una temperatura más alta. En otras palabras, había parches dentro de su muestra en los que las moléculas parecían estar alineadas.
"Eso confirmó que esta fase fue, de hecho, un fluido nemático ferroeléctrico", dijo Clark.
Esa alineación también fue más uniforme de lo que el equipo esperaba.
"La entropía reina en un fluido", dijo Joe MacLennan, coautor del estudio y profesor de física en CU Boulder. "Todo se mueve, así que esperábamos mucho desorden".
Cuando los investigadores examinaron qué tan bien alineadas estaban las moléculas dentro de un solo dominio, "nos sorprendió el resultado", dijo MacLennan. Las moléculas casi todas apuntaban en la misma dirección.
El próximo objetivo del equipo es descubrir cómo RM734 logra esta hazaña rara. Glaser y el investigador de SMRC Dmitry Bedrov de la Universidad de Utah, actualmente están utilizando la simulación por computadora para abordar esta cuestión.
"Este trabajo sugiere que hay otros fluidos ferroeléctricos ocultos a simple vista", dijo Clark. "Es emocionante que en este momento estén surgiendo técnicas como la inteligencia artificial que permitirán una búsqueda eficiente de ellos".
Los coautores del nuevo artículo incluyen a los investigadores de CU Boulder, Leo Radzihovsky, profesor de física; David Walba, profesor de química; y Xi Chen, Eva Korblova y Renfan Shao. Dengpan Dong y Xiaoyu Wei de la Universidad de Utah también fueron coautores.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Colorado en Boulder . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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