Flytande kristaller är fascinerande material som uppvisar egenskaper hos både vätskor och kristaller. De består av långa, stavformade molekyler som kan anpassa sig på en mängd olika sätt, vilket ger upphov till olika optiska egenskaper. Flytande kristaller används i ett brett spektrum av applikationer, inklusive bildskärmar, lasrar och sensorer.

En av de viktigaste egenskaperna hos flytande kristaller är deras förmåga att bilda ordnade strukturer. Denna ordning är väsentlig för materialens optiska egenskaper och deras förmåga att fungera som displayer och andra enheter.

Hur exakt ordning först uppträder i flytande kristaller har varit ett ämne för debatt och forskning i decennier. Nu har ett team av forskare från University of Colorado Boulder och National Institute of Standards and Technology (NIST) använt en kraftfull röntgenteknik för att fånga de första direkta bilderna av beställningsprocessen, en upptäckt som kan leda till nya och förbättrade flytande kristall-baserade enheter.

Studien publicerades i tidskriften Nature Communications.

Forskarna använde en teknik som kallas röntgenfotonkorrelationsspektroskopi (XPCS) för att studera beställningsprocessen i flytande kristaller. XPCS är en teknik som gör det möjligt för forskare att mäta materialdynamiken på nanoskala.

I sina experiment värmde forskarna upp ett prov av flytande kristall till en temperatur strax under den punkt där den skulle övergå från en flytande till en kristallin fas. De använde sedan XPCS för att mäta fluktuationerna i densiteten hos de flytande kristallmolekylerna när de började ordna sig till en kristallin struktur.

Forskarnas XPCS-mätningar visade att beställningsprocessen i flytande kristaller sker i två steg. I det första steget bildar molekylerna små, ordnade kluster som är slumpmässigt fördelade i vätskan. I det andra steget växer dessa små kluster och smälter samman och bildar så småningom en enda, stor, ordnad kristall.

Forskarna tror att bildandet av kluster före bildandet av en enkristall beror på att flytande kristallmolekylerna har en stark tendens att anpassa sig till sina grannar. Denna tendens att inrikta sig leder till bildandet av små, ordnade kluster, som sedan fungerar som kärnbildningsställen för tillväxten av enkristallen.

Forskarnas resultat har viktiga konsekvenser för design och utveckling av flytande kristallbaserade enheter. Genom att förstå hur ordning först uppträder i flytande kristaller kan forskare bättre kontrollera de optiska egenskaperna hos dessa material och designa enheter som har förbättrad prestanda.

Referenser

Tidningen finns här:https://www.nature.com/articles/s41467-023-36317-0

En tillgänglig nyhetsartikel från University of Colorado, Boulder finns här:https://www.colorado.edu/today/2023/03/14/ordering-liquid-crystals-revealed