Ett team av forskare från Kirensky Institute of Physics från Siberian Branch of Russian Academy of Science och Siberian Federal University (SFU) studerade tillsammans med ryska och utländska kollegor droppar av en kolesterisk flytande kristall som innehöll en vriden defektslinga. Resultaten av studien publicerades i Vetenskapliga rapporter .

Flytande kristaller (LC) är kemiska ämnen som går in i mesofas (tillståndet mellan fast material och flytande) inom ett visst temperaturintervall. Flytande kristaller kombinerar två motsatta egenskaper. De har flytbarhet som är typisk för vätskor, och anisotropi av fysikaliska egenskaper som är karakteristiska för fasta kristaller (dvs. en skillnad i egenskaper beroende på riktning). Dessa egenheter förklaras av orienteringsordningen för långa molekylära axlar. Som ett resultat, molekylerna i en LC förblir relativt rörliga, men är orienterade på ett visst sätt som bestämmer egenskapernas anisotropi. Molekyler kan ha olika orienteringar, och kan förändras under påverkan av ett elektriskt fält. Det är därför LC:er används i stor utsträckning i elektriska optiska enheter, såsom bildskärmar.

Teamet arbetade med flytande kristaller som kallas kolesteriska eller kirala nematika. Varje molekyl i en flytande kristall har flera rotationsaxlar. I orienteringsstrukturer, en övervägande riktning av långa molekylära axlar kallas en direktör. Vid kolesteri, regissören bildar en vriden spiralformad struktur. Det betyder att riktningarna för långa molekylära axlar (och därför deras dipolmoment) vrids mot varandra i en viss vinkel, och deras ändar spårar ut en spirallinje (en spiral) runt spiralens axel.

Den speciella orienteringen av LC-molekyler leder till rumslig modulering av ett kolesteriskt brytningsindex, dvs det förändras harmoniskt. Ljuset som rör sig genom en sådan struktur diffrakterar. Egenskapen för ljusutbredning genom en kolesterisk LC bestäms av parametrarna för den spiralformade orienteringsstrukturen som beror på egenskaperna hos den flytande kristallen och arten av dess interaktion med omgivningen.

Forskarna studerade strukturen hos en kolesterisk LC i droppar som var tiotals mikrometer stora och hade vinkelräta riktningar vid gränsen till polymer. Det visade sig att den spiralformade strukturen i olika delar av dropparna hade olika spiraldelning, dvs de avstånd på vilka regissören gjorde en hel vändning.

"Vi har studerat strukturen som bildas i dropparna av en kolesterisk LC i detalj, och visade hur dropparna ser på olika aspektriktningar och droppstorlekar med hjälp av ett optiskt mikroskop. Vi har också studerat inverkan av ett elektriskt fält på periodicitetsstrukturen och formen av linjära defekter, sa Mikhail Krakhalev, en medförfattare till verket, en kandidat för fysikaliska och matematiska vetenskaper, senior vetenskaplig assistent vid Kirensky Institute of Physics, och dekanus för ordföranden för allmän fysik vid Institutet för teknisk fysik och radioelektronik, SFU.

Forskarna bevisade att en defekt formad som en vriden dubbelhelix bildas i kolesteriska droppar. Författarna studerade också de optiska strukturerna hos sådana strukturer som kunde observeras i ett optiskt mikroskop. Med tanke på att strukturerna som bildas i kolesteriska droppar är ganska komplexa, respektive optiska texturer bestäms av ett större antal faktorer.

"Vi har studerat och beskrivit sambandet mellan dropparnas optiska struktur och deras storlek och aspektriktningarna. De beskrivna strukturerna kan hjälpa till att identifiera liknande konfigurationer i andra system, och det tillvägagångssätt som vi föreslår kan användas för att analysera komplexa orienteringsstrukturer, " avslutade Mikhail Krakhalev.