科罗拉多大学博尔德分校的软材料研究中心(SMRC)的研究人员发现了一个难以捉摸的物质阶段,该阶段于100多年前首次提出,并一直受到人们的追捧。

科学家发现新液晶相 有望打开新材料宇宙之门

该小组在今天发表在《美国国家科学院院刊》上的一项研究中,描述了科学家所谓的液晶的“铁电向列”相的发现。物理学系教授马特·格拉瑟(Matt Glaser)表示,这一发现为材料的新领域打开了大门。


自1970年代以来,向列液晶一直是材料研究的热门话题。这些材料表现出类似流体和固体行为的奇特混合,从而允许它们控制光。工程师已广泛使用它们来制造许多笔记本电脑,电视和手机中的液晶显示器(LCD)。


将向列型液晶想像成将几根别针丢在桌子上。在这种情况下,销是呈“极性”的杆状分子,其头部(钝头)带有正电荷,而尾部(尖头)则带有负电荷。在传统的向列液晶中,引脚的一半指向左,另一半指向右,方向随机选择。


然而,铁电向列型液晶相要严格得多。在这样的液晶中,样品中形成斑块或“畴”,其中分子全部指向相同方向,即右或左。用物理学的话来说,这些材料具有极性排序。


物理学教授,SMRC主任诺埃尔·克拉克(Noel Clark)表示,他的团队发现一种这样的液晶可能会带来大量的技术创新-从新型显示屏到重新想象的计算机内存。


“有40,000篇关于向列的研究论文,如果向列是铁电的,几乎在任何一篇论文中,您都会发现有趣的新可能性,” Clark说。这个发现是多年的发展。


诺贝尔奖获得者彼得·德拜(Peter Debye)和马克斯·伯恩(Max Born)于1910年代首次提出,如果正确设计液晶,其分子会自发地陷入极性有序状态。此后不久,研究人员开始发现具有相似作用的固体晶体:它们的分子指向一致的方向。在施加电场的情况下,它们也可以反转,从右翻转到左,反之亦然。这些固态晶体由于与磁体相似而被称为“铁电体”。(Ferrum在拉丁语中是“铁”的意思)。


然而,在那之后的几十年中,科学家们一直在努力寻找行为相同的液晶相。就是说,直到克拉克和他的同事们开始研究RM734,一种由一群英国科学家几年前创造的有机分子。

科学家发现新液晶相 有望打开新材料宇宙之门

该同一个英国小组以及一个斯洛文尼亚科学家小组还报告说,RM734在较高温度下表现出常规的向列液晶相。在较低的温度下,出现了另一个异常相。


当克拉克的团队试图在显微镜下观察那个奇怪的阶段时,他们发现了一些新东西。在弱电场下,向装有液晶的液晶盒的边缘形成了一系列醒目的色彩。


克拉克说:“这就像将一个灯泡连接到电压上进行测试,但发现插座和连接线发光得更亮。”


惊人的结果


那么,发生了什么事?


研究人员进行了更多测试,发现RM734的这一阶段对电场的响应比通常的向列液晶大 100至1,000倍。这表明组成液晶的分子表现出强极性序。


克拉克说:“当分子全部指向左侧时,他们都看到一个说'向右'的区域,反应非常剧烈。”


研究小组还发现,当液晶从较高温度冷却时,它们似乎是在液晶中自发形成的。换句话说,样品中存在一些斑点,其中的分子似乎对齐了。


克拉克说:“这证实了这一阶段确实是铁电向列流体。”


这种一致性也比团队期望的更加统一。


CU Boulder的研究合著者兼物理学教授Joe MacLennan说:“熵在流体中占主导地位。” “一切都在摇摆,所以我们预计会有很多混乱。”


麦克伦南说,当研究人员检查了分子在单个结构域内排列的良好程度时,“结果令我们震惊。” 该分子几乎都是指向同一个方向。


团队的下一个目标是发现RM734如何实现这一难得的成就。格拉瑟(Glaser)和犹他大学(University of Utah)的SMRC研究人员德米特里·贝德罗夫(Dmitry Bedrov)目前正在使用计算机仿真来解决这个问题。


克拉克说:“这项工作表明还有其他铁电流体隐藏在视线范围内。” “令人兴奋的是,现在出现了诸如人工智能之类的技术,这些技术将能够对其进行有效的搜索。”


文章来源: 大学网

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