Wyniki badań nad nową fazą nematyczną ciekłych kryształów - odkrytą przez naukowców z Wojskowej Akademii Technicznej (WAT) i Uniwersytetu Warszawskiego (UW) - zostały opublikowane w "Science".

Naukowcy odkryli, że w ciekłych kryształach cząstki mogą układać się w spiralę (helisę) nawet wtedy, gdy zbudowane są tak, że nakładają się na swoje lustrzane odbicie. Ferroelektryczne uporządkowanie nadaje tej śrubowej strukturze makroskopową polarność i pozwala w łatwy sposób kontrolować - słabym polem elektrycznym - parametry struktury, a więc i właściwości optyczne, w tym barwę.

TE MOLEKUŁY TEŻ TWORZĄ HELISY

Zespół naukowców z WAT i UW dokonał odkrycia nowego, helikalnego sposobu uporządkowania dipoli elektrycznych w ferroelektrycznej cieczy. Nowo opracowany materiał to helikonikalny, ferroelektryczny nematyczny stan materii. Niechiralne, stosunkowo proste cząsteczki organiczne, spontanicznie organizują się tu w złożone śrubopodobne struktury o rozmiarach mikrometra. Nowa faza nematyczna charakteryzuje się zatem spontanicznym łamaniem symetrii chiralnej.

Jak wyjaśniono w komunikacie UW, helisy występują w naturze, a najbardziej znanym przykładem jest podwójna helisa DNA. Większość takich struktur tworzona jest przez molekuły o niskiej symetrii, tj. molekuły chiralne, które nie nakładają się ze swoim lustrzanym odbiciem.

Dipole elektryczne to układy rozdzielonych przestrzennie ładunków dodatnich i ujemnych. Mimo że większość cząsteczek chemicznych ma moment dipolowy, to jedynie wyjątkowo tworzą one sieci krystaliczne, w których dipole są uporządkowane w jednym kierunku, tworząc fazę ferroelektryczną. Do niedawna powszechnie uważano, że w cieczach oddziaływania dipoli są zbyt słabe w porównaniu do energii ruchów termicznych, by utrzymać takie uporządkowanie.

Odkrycie, że niechiralne molekuły (nakładalne na własne odbicie lustrzane) w takiej cieczy spontanicznie układają się w helisy, jest zupełnie niezwykłe. Skok takich helis jest porównywalny z długością fali światła widzialnego, co sprawia, że wybrana barwa światła jest odbijana przez helikalną strukturę.

FOTONIKA, CIEKŁE KRYSZTAŁY, A MOŻE WYJAŚNIENIE POCZĄTKÓW ŻYCIA?

Zespół badawczy połączył w fazie ciekłej dwie zaskakujące właściwości – spontaniczne tworzenie helis z niechiralnych cząsteczek i ferroelektryczne uporządkowanie dipoli.

„Wyniki otwierają nowe możliwości badawcze w dziedzinie materiałów ciekłokrystalicznych i mogą prowadzić do kolejnych innowacyjnych odkryć. To przykład tego, jak interdyscyplinarna współpraca i determinacja mogą prowadzić do efektów, które mają szansę zmienić nasze rozumienie świata i wpłynąć na przyszłość przełomowych technologii” – mówi płk dr hab. inż. Przemysław Kula z WAT.

Dr hab. Damian Pociecha z UW tłumaczy, że ciekłe kryształy, określane jako czwarty stan materii, łączą cechy cieczy i kryształów. Choć znalazły już one swoje stałe miejsce w urządzeniach, z których korzystamy na co dzień, nadal są źródłem zaskakujących odkryć na poziomie czystej nauki. „Odkryty i opisany przez nas nowy typ fazy ciekłokrystalicznej łączy dwa fascynujące zjawiska: spontaniczne złamanie symetrii lustrzanej, czyli pojawienie się chiralności, oraz ferroelektryczne uporządkowanie dipoli elektrycznych – a wszystko to w fazie ciekłej” – mówi badacz z UW i dodaje, że odkrycie to jest nie tylko przełomowe z punktu widzenia nauki o miękkiej materii, ale również otwiera możliwości nowych zastosowań, np. w technologiach elektrooptycznych.

„Trudno przecenić znaczenie tego odkrycia. Może ono mieć wpływ na rozwój nowych technologii i materiałów, które znajdą zastosowanie w nowoczesnych urządzeniach elektronicznych i fotonicznych, a także w elektronice organicznej oraz biologii molekularnej, gdzie zrozumienie łamania symetrii chiralnej ma kluczowe znaczenie dla wyjaśnienia molekularnych początków powstania życia” – mówi Jakub Karcz z Wydziału Nowych Technologii i Chemii WAT, główny autor artykułu. Jak uzupełnia Natan Rychłowicz z tego samego wydziału, odkrycie będzie oddziaływało na obszary fizyki płynów, organicznej elektroniki, fotoniki i biologii molekularnej.

MIKROŚRUBY JAK KWIAT HELIKONII

Jak podano w komunikacie WAT, materia znana dotychczas w fazie nematycznej wykazywała spontaniczne uporządkowanie, w którym dipole elektryczne znosiły się w skali mikroskopowej – na skutek tendencji do ułożenia antyrównoległego. Taki stan rzeczy naukowcy znali od ponad stulecia. W 2017 r. odkryta została nowa faza polarna, w której dzięki unikalnym oddziaływaniom międzycząsteczkowym, molekuły zyskały tendencje do uporządkowania polarnego, gdzie dipole zwrócone są w jednym kierunku na dużych obszarach. Dalsze badania pokazały, że oprócz polarnego uporządkowania molekuł możliwe jest spontaniczne skręcenie polarnej struktury w geometrię przypominającą kwiat helikonii, którego nazwa wywodzi się od matematycznej płaszczyzny, helikonu – rozciągniętej helikoidy.

„Ten rodzaj uporządkowania niechiralnych prętopodobnych molekuł, a takie właśnie są cząsteczki nowo odkrytej klasy związków, jest normalnie wzbroniony i zarezerwowany dla molekuł chiralnych. Nasze odkrycie jest przełomowe, gdyż w jednym niechiralnym materiale udało się dokonać sprzężenia cech polarnych w chiralną nadstrukturę rozmiarów długości światła widzialnego” – wyjaśnia dr hab. inż. Jakub Herman, prof. WAT.

Współpraca zespołów z WAT i UW pozwoliła na komplementarne potwierdzenie struktury oraz zbadanie właściwości nowej fazy. Artykuł „Spontaneous chiral symmetry breaking in polar fluid – heliconical ferroelectric nematic phase” oceniono jako jeden z najbardziej perspektywicznych w tym wydaniu „Science” (rekomendację można przeczytać tutaj). W skład zespołu naukowego WAT weszli: Jakub Karcz, Natan Rychłowicz, dr hab. inż. Jakub Herman oraz płk dr hab. inż. Przemysław Kula z Wydziału Nowych Technologii i Chemii WAT. W zespole prof. dr hab. Ewy Góreckiej z Wydziału Chemii UW znaleźli się: dr Jadwiga Szydłowska, dr hab. Paweł W. Majewski oraz dr hab. Damian Pociecha.

Naukowcy potwierdzili również teoretyczną hipotezę Maxa Borna z 1916 roku, która przewidywała możliwość istnienia złożonych struktur polarnych wynikających ze specyficznych oddziaływań dipoli elektrycznych. Przez dziesięciolecia pozostawała ona w obszarze matematyczno-fizycznych spekulacji, coraz bardziej skazanych na zapomnienie, ze względu na brak eksperymentalnego potwierdzenia.

Nauka w Polsce

kol/ bar/