I flytande kristaller, molekyler ordnar sig automatiskt på ett ordnat sätt. Forskare från universitetet i Luxemburg har upptäckt en metod som tillåter en anti-ordnad stat, vilket möjliggör nya materialegenskaper och potentiellt nya tekniska tillämpningar, såsom konstgjorda muskler för mjuk robotik. De publicerade sina fynd i den vetenskapliga tidskriften Vetenskapliga framsteg .

Forskargruppen för professor Jan Lagerwall vid University of Luxembourg studerar egenskaperna hos flytande kristaller, som finns på många områden, allt från cellmembran i kroppen till displayer i många elektroniska enheter. Materialet kombinerar vätskeliknande rörlighet och flexibilitet och långdistansordning av dess molekyler; den senare är annars en typisk egenskap hos fasta kristaller. Detta ger upphov till anmärkningsvärda egenskaper som gör flytande kristaller så mångsidiga att de väljs för att utföra viktiga funktioner av naturen och av miljarder företag.

Många av materialets egenskaper beror på hur dess molekyler är arrangerade. Sedan slutet av 1930 -talet har fysiker använder en matematisk modell för att beskriva den molekylära ordningen för flytande kristaller. Den så kallade orderparametern tilldelar ett tal som anger hur välordnade molekylerna är. Denna modell använder ett positivt intervall för att beskriva de flytande kristallerna som vi är vana vid. Det kan också tilldela ett negativt intervall som beskriver ett "anti-ordnat" tillstånd, där molekylerna skulle undvika en viss riktning snarare än att anpassa sig längs den.

Än så länge, detta negativa intervall förblev strikt hypotetiskt, eftersom ingen flytande kristall utvecklade ett anti-ordnat tillstånd i praktiken. Standardteorierna för flytande kristaller tyder på att ett sådant tillstånd är möjligt, men skulle inte vara stabil. "Du kan jämföra detta med en bild som har en mycket lätt bump i mitten. Du kan sakta ner när du når bumpen, i vårt fall den instabila anti-ordnade staten, men inte tillräckligt så du slutar, och därför kommer du att gå ner hela vägen till stabilt tillstånd, det globala energiminimum, där du oundvikligen hamnar med positiv ordning. Om du kunde sluta åka vid bulten, ett negativt intervall skulle vara möjligt, "förklarar Jan Lagerwall.

Detta är precis vad V.S.R. Jampani, huvudförfattaren till tidningen, och medarbetare uppnådde för första gången i sin studie. "Tricket för att förhindra att systemet når det globala energiminimum är att försiktigt polymerisera det till ett löst anslutet nätverk medan det är upplöst i ett normalt flytande lösningsmedel, "säger Dr Jampani." Detta nätverk sträcks sedan åt alla håll inom ett plan, eller komprimerad längs en enda riktning vinkelrätt mot planet, så att molekylerna som bildar nätverket riktas in i planet, men utan någon speciell riktning i det planet. "När lösningsmedlet avdunstas bildas flytande kristallfas och, på grund av nätets speciella sträckning i planet, det tvingas anta parametertillståndet för negativ ordning där molekylerna undviker det normala riktningen till planet. "Denna flytande kristall har inget annat val än att nöja sig med det minsta sekundära energin, eftersom det globala energiminimum görs otillgängligt av nätet, "tillägger Lagerwall.

När nätverket förstärks av en andra polymerisationsomgång, beteendet som funktion av temperaturen kan studeras. "Flytande kristallnätverk är fascinerande för både positiva och negativa ordningsparametrar, eftersom beställningen-eller antiordningen-i kombination med polymernätverket gör att den spontant kan ändra form som svar på temperaturförändringar. Flytkristallnätverket är effektivt ett gummi som sträcker sig eller slappnar av på egen hand, utan att någon utövar våld, "säger professor Lagerwall.

Det visar sig att beteendet hos den negativa ordningsparametern flytande kristallgummi är exakt motsatt det hos vanliga flytande kristallgummi. "Optiskt, när ett normalt flytande kristallgummi visar en viss färg mellan korsade polarisatorer, den negativa ordningens parameterversion visar komplementfärgen. Mekaniskt, när ett normalt flytande kristallgummi drar ihop sig längs en riktning och expanderar i planet vinkelrätt mot det, den negativa ordningsparametern gummi expanderar längs den första riktningen och krymper i det vinkelräta planet, "Förklarar Lagerwall.

Forskarna skapade sin negativa ordningsparameter flytande kristallgummi i form av millimeterstora sfäriska skal, som de sedan skär i mindre bitar med olika former. Beroende på hur snittet gjordes, en mängd olika formförändrande beteenden kan realiseras, visar att systemet kan fungera som ett mjukt "manöverdon, "effektivt en konstgjord muskel. Eftersom den negativa och positiva ordningen flytande kristallgummi verkar på motsatta sätt, detta öppnar för intressanta sätt att kombinera de två, för att göra ett mer effektivt kompositaktuator, till exempel för mjuk robotik. När ställdonet i positiv ordning svarar långsamt, den negativa ordningen man aktiverar snabbt, och vice versa. Ur en grundläggande fysik synvinkel, den fysiska existensen av det tidigare bara teoretiskt förutsagda anti-ordnade flytande kristalltillståndet öppnar för många intressanta experiment samt teoriutveckling för beteendet hos självorganiserande mjuk materia.