Flytande kristaller genomgår en speciell typ av fasförändring. Vid en viss temperatur, deras cigarrformade molekyler går från ett oordnat virrvarr till ett mer ordnat arrangemang där de alla pekar mer eller mindre åt samma håll. LCD-tv-apparater drar fördel av denna fasförändring för att projicera olika färger i rörliga bilder.

I åratal, dock, experiment har antytt ett annat tillstånd av flytande kristaller – ett mellantillstånd mellan de oordnade och ordnade tillstånden där ordning börjar dyka upp i diskreta fläckar när ett system närmar sig sin övergångstemperatur. Nu, kemister vid Brown University har visat ett teoretiskt ramverk för att upptäcka det mellantillståndet och för att bättre förstå hur det fungerar.

"Människor förstår de ordnade och oordnade beteendena mycket väl, men tillståndet där den här övergången är på väg att ske är inte väl förstådd, sa Richard Stratt, en professor i kemi vid Brown och medförfattare till en artikel som beskriver forskningen. "Det vi har kommit fram till är en sorts måttstock för att mäta om ett system är i det här tillståndet. Det ger oss en uppfattning om vad vi ska leta efter i molekylära termer för att se om staten är närvarande."

Forskningen, publiceras i Journal of Chemical Physics , kunde kasta nytt ljus inte bara på flytande kristaller, men också molekylär rörelse på andra håll i naturen – fenomen som proteintrassel som är involverade i Alzheimers sjukdom, till exempel. Arbetet leddes av Yan Zhao, en Ph.D. student i Stratts labb som räknar med att ta examen från Brown till våren.

För studien, forskarna använde datorsimuleringar av fasförändringar i ett förenklat flytande kristallsystem som inkluderade några hundra molekyler. De använde slumpmässig matristeori, ett statistiskt ramverk som ofta används för att beskriva komplexa eller kaotiska system, att studera deras simuleringsresultat. De visade att teorin gör ett bra jobb med att beskriva systemet i både ordnade och oordnade tillstånd, men misslyckas med att beskriva övergångstillståndet. Denna avvikelse från teorin kan användas som en sond för att identifiera de områden av materialet där ordning börjar uppstå.

"När du inser att du har det här tillståndet där teorin inte fungerar, du kan gräva i och fråga vad som gick fel, ", sa Stratt. "Det ger oss en bättre uppfattning om vad dessa molekyler gör."

Slumpmatristeori förutsäger att summorna av okorrelerade variabler - i detta fall, riktningarna i vilka molekylerna pekar – bör bilda en klockkurvfördelning när de ritas ut på en graf. Stratt och Zhao visade att det är sant för molekylerna i flytande kristaller när de är i oordnade och ordnade tillstånd. I oordnat tillstånd, klockkurvfördelningen genereras av molekylernas helt slumpmässiga orienteringar. I beställt tillstånd, molekylerna är inriktade längs en gemensam axel, men de avviker var och en en bit därifrån — några pekar lite till vänster om axeln och några lite åt höger. Dessa slumpmässiga avvikelser, som de slumpmässiga molekylpositionerna i oordnat tillstånd, skulle kunna passa en klockkurva.

Men den där klockkurvans fördelning föll isär precis innan fasändringen ägde rum, eftersom systemets temperatur sjönk till dess övergångstemperatur. Det tyder på att molekyler i diskreta fläckar i systemet blev korrelerade med varandra.

"Du har nu flera uppsättningar av molekyler som börjar samarbeta med varandra, och det orsakar avvikelser från klockkurvan, ", sa Stratt. "Det är som om dessa molekyler förutser att detta fullt ordnade tillstånd kommer att äga rum, men de har inte alla bestämt sig för vilken riktning de ska möta än. Det är lite som politik, där alla är överens om att något måste förändras, men de har inte kommit på exakt vad de ska göra."

Stratt säger att arbetet kan vara till hjälp för att ge insikt i vad som styr effektiviteten av molekylär rörelse. I både ordnade och oordnade flytande kristaller, molekyler är fria att röra sig relativt fritt. Men i mellantillståndet, att rörelsen hämmas. Detta tillstånd representerar då en situation där den molekylära utvecklingen börjar sakta ner.

"Det finns många problem inom naturvetenskapen där molekylernas rörelser är långsamma, " Sa Stratt. "Molekylerna i smält glas, till exempel, sakta gradvis ner när vätskan svalnar. Proteintravorna som är involverade i Alzheimers sjukdom är ett annat exempel där det molekylära arrangemanget gör att rörelsen blir långsam. Men vilka regler styr dessa molekyler när de saktar ner? Vi förstår det inte helt."

Stratt hoppas att en bättre förståelse av långsamma molekylära rörelser i flytande kristaller kan ge en plan för att förstå långsamma rörelser på andra ställen i naturen.