Negativt tryck styr inte bara universum eller kvantevakuumet. Detta fenomen, även om det är av en annan art, visas också i flytande kristaller begränsade i nanoporer. Vid institutet för kärnfysik vid den polska vetenskapsakademin i Krakow, en metod har presenterats som för första gången gör det möjligt att uppskatta mängden undertryck i rymdbegränsade flytande kristallsystem.

Vid första ögonkastet, undertryck verkar vara ett exotiskt fenomen. Faktiskt, det är vanligt i naturen, och vad mer, förekommer på många skalor. På universums skala, den kosmologiska konstanten är ansvarig för att accelerera expansionen av rymdtiden. I växternas värld, attrahera intermolekylära krafter garanterar vattenflödet till trädtopparna på alla träd som är högre än tio meter. På kvantskalan, trycket från virtuella partiklar i ett falskt vakuum leder till skapandet av en attraktiv kraft, visas, till exempel, mellan två parallella metallplattor (den berömda Casimir -effekten).

"Det faktum att ett undertryck uppträder i flytande kristaller begränsade i nanoporer var redan känt. Men det var inte känt hur man mäter detta tryck. Även om vi inte heller kan göra detta direkt, vi har föreslagit en metod som gör det möjligt att uppskatta detta tryck på ett tillförlitligt sätt, "säger Dr Tomasz Rozwadowski från Institute of Nuclear Physics of the Polish Academy of Sciences (IFJ PAN) i Krakow, den första författaren till en publikation i Journal of Molecular Liquids .

De polska fysikerna undersökte en flytande kristall som kallas 4CFPB, består av 1,67 nm långa molekyler med en molekylär diameter på 0,46 nm. Experiment utan nanoporer, under normala och förhöjda tryckförhållanden (upp till cirka 3000 atmosfärer), genomfördes vid University of Silesia i Katowice. I tur och ordning, system i kiselmembran med icke-skärande nanoporer med en diameter på 6 och 8 nanometer undersöktes vid universitetet i Leipzig (Tyskland). Nanoporernas geometri innebar att det fanns plats för bara några molekyler flytande kristall bredvid varandra, med de långa axlarna placerade längs kanalens väggar.

Experimenten tittade på förändringar i olika parametrar för flytande kristall (inklusive dielektrisk dispersion och absorption). Mätningarna gjorde det möjligt att dra slutsatsen att en ökning av trycket åtföljdes av en minskning av molekylär rörlighet. Dock, ju smalare kanalerna i vilka molekylerna av flytande kristall i nanoporerna var, desto snabbare rörde de sig. Data visade också att densiteten hos flytande kristallmolekylerna ökade med ökande tryck medan den i nanoporerna minskade. Det skedde också en förändring i temperaturerna vid vilka den flytande kristallen gick från den flytande isotropiska fasen (med molekyler ordnade kaotiskt i rymden) till den enklaste flytande kristallina fasen (nematisk; molekylerna är fortfarande kaotiskt ordnade, men de placerar sina långa axlar i samma riktning), och sedan till den glasartade fasta fasen. När trycket ökade, temperaturerna för fasövergångarna ökade. I nanoporerna minskade de.

"Med ökande tryck, alla parametrar för den flytande kristallen vi undersökte förändrades omvänt till hur de förändrades i nanoporer med minskande diametrar. Detta tyder på att förhållandena i nanoporerna motsvarar ett reducerat tryck. Eftersom flytande kristallmolekylerna i kanalerna försöker sträcka ut sina väggar, som om de expanderar, vi kan prata om negativt tryck, i förhållande till atmosfärstrycket som stänger väggarna, "säger Dr Rozwadowski.

De observerade förändringarna i fysiska parametrar gjorde det möjligt för första gången att uppskatta värdet av det negativa trycket som förekommer i flytande kristall som fyller nanoporerna. Det visade sig att (förutsatt att förändringarna är linjära) kan det negativa trycket i nanoporer uppnå nästan -200 atmosfärer. Detta är en storleksordning större än det undertryck som är ansvarigt för vattentransport i träd.

"Vår forskning är grundläggande till sin natur - den ger information om fysiken hos fenomen som förekommer i flytande kristaller begränsade i nanoporer med olika diametrar. Men flytande kristaller har många tillämpningar, till exempel i displayer, optoelektronik, och medicin, så varje ny beskrivning av hur dessa ämnen beter sig på nanoskala i sådana specifika rumsliga förhållanden kan innehålla praktisk information, " betonade Dr. Rozwadowski.