Forskare vid University of Colorado Boulders Soft Materials Research Center (SMRC) har upptäckt en svårfångad fas av materia, föreslog först för mer än 100 år sedan och eftertraktad sedan dess.

Teamet beskriver upptäckten av vad forskare kallar en "ferroelektrisk nematisk" fas av flytande kristaller i en studie som publicerades idag i Förfaranden från National Academy of Sciences . Upptäckten öppnar en dörr till ett nytt universum av material, sa medförfattaren Matt Glaser, professor vid institutionen för fysik.

Nematiska flytande kristaller har varit ett hett ämne inom materialforskning sedan 1970-talet. Dessa material uppvisar en märklig blandning av vätske- och fasta beteenden, som gör att de kan styra ljuset. Ingenjörer har använt dem flitigt för att göra LCD-skärmar med flytande kristaller i många bärbara datorer, TV-apparater och mobiltelefoner.

Tänk på nematiska flytande kristaller som att tappa en handfull nålar på ett bord. Stiften i det här fallet är stavformade molekyler som är "polära" - med huvuden (de trubbiga ändarna) som bär en positiv laddning och svansar (de spetsiga ändarna) som är negativt laddade. I en traditionell nematisk flytande kristall, hälften av stiften pekar åt vänster och den andra hälften pekar åt höger, med slumpmässigt vald riktning.

En ferroelektrisk nematisk flytande kristallfas, dock, är mycket mer disciplinerad. I en sådan flytande kristall, fläckar eller "domäner" bildas i provet där molekylerna alla pekar i samma riktning, antingen höger eller vänster. På fysikspråk, dessa material har polär ordning.

Noel Clark, en professor i fysik och chef för SMRC, sa att hans teams upptäckt av en sådan flytande kristall kan öppna upp en mängd tekniska innovationer - från nya typer av bildskärmar till omarbetat datorminne.

"Det finns 40, 000 forskningsartiklar om nematik, och i nästan vilken som helst av dem ser du intressanta nya möjligheter om den nematiska hade varit ferroelektrisk, " sa Clark.

Under mikroskopet

Upptäckten är år på väg.

Nobelpristagarna Peter Debye och Max Born föreslog först på 1910-talet att, om du designade en flytande kristall korrekt, dess molekyler kan spontant falla in i ett polärt ordnat tillstånd. Inte långt efter det, forskare började upptäcka fasta kristaller som gjorde något liknande:Deras molekyler pekade i enhetliga riktningar. De kan också vändas, vända från höger till vänster eller vice versa under ett pålagt elektriskt fält. Dessa solida kristaller kallades "ferroelektriska" på grund av deras likheter med magneter. (Ferrum är latin för "järn").

Under decennierna sedan, dock, forskare kämpade för att hitta en flytande kristallfas som betedde sig på samma sätt. Det är, tills Clark och hans kollegor började undersöka RM734, en organisk molekyl skapad av en grupp brittiska forskare för flera år sedan.

Samma brittiska grupp, plus ett andra team av slovenska forskare, rapporterade att RM734 uppvisade en konventionell nematisk flytande kristallfas vid högre temperaturer. Vid lägre temperaturer, en annan ovanlig fas dök upp.

När Clarks team försökte observera den där konstiga fasen under mikroskopet märkte de något nytt. Under ett svagt elektriskt fält, en palett av slående färger utvecklades mot kanterna av cellen som innehåller den flytande kristallen.

"Det var som att ansluta en glödlampa till spänning för att testa den, men att hitta uttaget och anslutningskablarna som lyser mycket starkare istället, " sa Clark.

Fantastiska resultat

Så, vad hände?

Forskarna körde fler tester och upptäckte att denna fas av RM734 var 100 till 1, 000 gånger mer mottagliga för elektriska fält än de vanliga nematiska flytande kristallerna. Detta antydde att molekylerna som utgör den flytande kristallen visade stark polär ordning.

"När molekylerna alla pekar åt vänster, och de ser alla ett fält som säger:'gå rätt, "responsen är dramatisk, " sa Clark.

Teamet upptäckte också att distinkta domäner verkade bildas spontant i den flytande kristallen när den svalnade från högre temperatur. Det var, med andra ord, fläckar i provet där molekylerna verkade vara inriktade.

"Det bekräftade att denna fas var, verkligen, en ferroelektrisk nematisk vätska, " sa Clark.

Den uppställningen var också mer enhetlig än vad laget förväntade sig.

"Entropi råder i en vätska, sa Joe MacLennan, en studiemedförfattare och en professor i fysik vid CU Boulder. "Allt snurrar runt, så vi förväntade oss mycket oordning."

När forskarna undersökte hur väl inriktade molekylerna var inom en enda domän, "Vi blev förvånade över resultatet, ", sa MacLennan. Molekylerna pekade nästan alla åt samma håll.

Teamets nästa mål är att upptäcka hur RM734 uppnår denna sällsynta bedrift. Glaser och SMRC -forskaren Dmitry Bedrov från University of Utah, använder för närvarande datorsimulering för att ta itu med denna fråga.

"Detta arbete tyder på att det finns andra ferroelektriska vätskor som gömmer sig i fri sikt, "Sa Clark. "Det är spännande att just nu tekniker som artificiell intelligens dyker upp som kommer att möjliggöra en effektiv sökning efter dem."