Ett team vid University of Colorado Boulder har designat nya typer av flytande kristaller som speglar de komplexa strukturerna hos vissa fasta kristaller – ett stort steg framåt i att bygga flytande material som kan matcha den färgstarka mångfalden av former som ses i mineraler och ädelstenar, från lazulit till topas.

Gruppens resultat, publiceras idag i tidskriften Natur , kan en dag leda till nya typer av smarta fönster och tv- eller datorskärmar som kan böja och styra ljus som aldrig förr.

Resultaten kommer ner till en egenskap hos solida kristaller som kommer att vara bekant för många kemister och gemologer:Symmetri.

Ivan Smalyukh, en professor vid institutionen för fysik vid CU Boulder, förklarade att forskare kategoriserar alla kända kristaller i sju huvudklasser, plus många fler underklasser – delvis baserade på "symmetrioperationerna" hos deras inre atomer. Med andra ord, hur många sätt kan du sticka en imaginär spegel inuti en kristall eller rotera den och fortfarande se samma struktur? Tänk på detta klassificeringssystem som Baskin-Robbins 32 smaker men för mineraler.

Hittills, dock, forskare har inte kunnat skapa flytande kristaller - flytande material som finns i de flesta moderna displaytekniker - som kommer i samma många smaker.

"Vi vet allt om alla möjliga symmetrier av solida kristaller som vi kan göra. Det finns 230 av dem, sade Smalyukh, seniorförfattare till den nya studien som också är stipendiat vid Renewable and Sustainable Energy Institute (RASEI) vid CU Boulder. "När det kommer till nematiska flytande kristaller, den typ som finns i de flesta skärmar, vi har bara ett fåtal som har visats hittills."

Det är, tills nu.

I sina senaste rön, Smalyukh och hans kollegor kom på ett sätt att designa de första flytande kristallerna som liknar monokliniska och ortorombiska kristaller - två av dessa sju huvudklasser av solida kristaller. Resultaten, han sa, skapa lite mer ordning i den kaotiska världen av vätskor.

"Det finns många möjliga typer av flytande kristaller, men, än så länge, mycket få har upptäckts, "Smalyukh sa. "Det är fantastiska nyheter för studenter eftersom det finns mycket mer att hitta."

Symmetri i aktion

För att förstå symmetri i kristaller, första bilden din kropp. Om du placerar en gigantisk spegel som rinner ner i mitten av ditt ansikte, du kommer att se en reflektion som ser ut (mer eller mindre) som samma person.

Fasta kristaller har liknande egenskaper. Kubiska kristaller, som inkluderar diamanter och pyrit, till exempel, består av atomer arrangerade i form av en perfekt kub. De har många symmetrioperationer.

"Om du roterar dessa kristaller 90 eller 180 grader runt många speciella axlar, till exempel, alla atomer stannar på rätt ställen, " sa Smalyukh.

Men det finns andra typer av kristaller, för. Atomerna inuti monokliniska kristaller, som inkluderar gips eller lazulit, är arrangerade i en form som ser ut som en lutande pelare. Vänd eller rotera dessa kristaller allt du vill, och de har fortfarande bara två distinkta symmetrier - ett spegelplan och en axel med 180 graders rotation, eller symmetrin som du kan se genom att snurra en kristall runt en axel och märka att den ser likadan ut var 180:e grader. Forskare kallar det ett "lågsymmetrisk" tillstånd.

Traditionella flytande kristaller, dock, visa inte den typen av komplexa strukturer. De vanligaste flytande kristallerna, till exempel, består av små stavformade molekyler. Under mikroskopet, de tenderar att stå i rad som torra pastanudlar som slängs i en gryta, sa Smalyukh.

"När saker kan flyta uppvisar de vanligtvis inte så låga symmetrier, " sa Smalyukh.

Beställ i vätskor

Han och hans kollegor ville se om de kunde ändra på det. Att börja, teamet blandade ihop två olika sorters flytande kristaller. Den första var den vanliga klassen som bestod av stavformade molekyler. Den andra bestod av partiklar formade som ultratunna skivor.

När forskarna förde dem samman, de märkte något konstigt:Under de rätta förhållandena i labbet, de två typerna av kristaller tryckte och klämde varandra, ändra sin inriktning och arrangemang. Slutresultatet blev en nematisk flytande kristallvätska med symmetri som ser mycket ut som en solid monoklinisk kristall. Molekylerna inuti visade viss symmetri, men bara ett spegelplan och en axel med 180 graders rotation.

Gruppen hade skapat, med andra ord, ett material med de matematiska egenskaperna hos en lazulit- eller gipskristall – men deras kan flyta som en vätska.

"Vi ställer en mycket grundläggande fråga:På vilka sätt kan du kombinera ordning och smidighet i ett enda material?" sa Smalyukh.

Och, lagets skapelser är dynamiska:om du värmer de flytande kristallerna eller kyler ner dem, till exempel, du kan förvandla dem till en regnbåge av olika strukturer, var och en med sina egna egenskaper, sa Haridas Mundoor, huvudförfattare till den nya tidningen. Det är ganska praktiskt för ingenjörer.

"Detta erbjuder olika vägar som kan modifiera skärmteknologier, vilket kan förbättra energieffektiviteten i prestanda för enheter som smarta telefoner, sa Mundoor, en postdoktorand forskningsassistent vid CU Boulder.

Han och hans kollegor är fortfarande inte i närheten av att tillverka flytande kristaller som kan replikera hela spektrumet av fasta kristaller. Men den nya tidningen för dem närmare än någonsin tidigare – goda nyheter för fans av glänsande saker överallt.