Chaos typowy dla cząsteczek cieczy, ale i uporządkowanie charakterystyczne dla kryształów? Istnieją stany materii łączące tak przeciwstawne cechy: to ciekłe kryształy. Materiały te już są wykorzystywane w wielu dziedzinach techniki. Aby móc jeszcze lepiej wykorzystywać ich właściwości - np. jako półprzewodniki organiczne, trzeba lepiej poznać ich właściwości - m.in. ich strukturę i dynamikę.

W tym celu w krakowskim Instytucie Fizyki Jądrowej PAN (IFJ PAN) przeprowadzono nowe doświadczenia nad ciekłymi kryształami w tzw. fazie smektycznej E (SmE). Smektyki tego typu są zbudowane z dobrze uporządkowanych i odseparowanych od siebie warstw cząsteczek. Dotychczas uważano, że odległość między poszczególnymi warstwami cząsteczek jest tu bardzo mała. Badania przeprowadzone przez krakowskich fizyków pozwoliły zweryfikować poprawność obecnych modeli i precyzyjniej określić strukturę fazy kryształopodobnej. O wynikach poinformowali przedstawiciele IFJ w przesłanym PAP komunikacie.

„Sięgnęliśmy po ciekawą technikę pomiarową, rzadko stosowaną w przypadku ciekłych kryształów. Metoda wykorzystuje specyficzne właściwości pozytonów, czyli antymaterialnych odpowiedników zwykłych elektronów” - wyjaśnia dr hab. Ewa Dryzek z IFJ PAN.

Pozyton jako antycząstka elektronu ma ładunek dodatni. Gdy pozyton napotyka elektron, może dojść do anihilacji, czyli przekształcenia masy obu cząstek w promieniowanie elektromagnetyczne o charakterystycznej energii.

„W świecie zwykłej materii antymateria jest wytwarzana w procesach fizycznych jedynie w śladowych ilościach. My w trakcie naszych pomiarów korzystaliśmy z pozytonów powstających w wyniku rozpadów promieniotwórczych izotopu sodu 22” - mówi dr Ewa Juszyńska-Gałązka (IFJ PAN).

Pozytony ze źródła radioaktywnego wnikały do badanego materiału, w którym napotykały elektrony. Przed anihilacją para pozyton i elektron może utworzyć egzotyczny atom czy też układ zwany pozytem. W materii miękkiej, czyli np. w ciekłych kryształach lub polimerach, pozyt może się tworzyć w nanoporach, czyli niewielkich, pustych przestrzeniach między cząsteczkami. Pomiar jego czasu życia, czyli czasu między emisją pozytonu ze źródła radioaktywnego a anihilacją, pozwala wyznaczyć wielkość tych nanoporów. Im mniejsze nanopory, tym anihilacja zachodzi szybciej.

W trakcie badań w IFJ PAN, zrealizowanych m.in. dzięki wcześniejszej współpracy z grupą dr hab. Bożeny Jasińskiej z Instytutu Fizyki Uniwersytetu Marii Curie-Skłodowskiej w Lublinie, naświetlano pozytonami związek 4TCB, znany m.in. z tego, że krystalizuje nie ze spadkiem, a ze wzrostem temperatury. Otrzymane wyniki wskazywały, że w badanym materiale tworzy się pozyt. Jednak biorąc pod uwagę obowiązujący model uporządkowania cząsteczek w fazie smektycznej E trudno było wskazać miejsce, w którym mógłby się on zmieścić.

„Z naszych pomiarów wynikało, że pozyt znajduje się w nanoporach o rozmiarach ok. sześciu angstremów, czyli sześciu dziesięciomiliardowych części metra. Wyniki te okazały się spójne z jednym z wariantów nowego modelu budowy smektyków E, który dopiero niedawno został zaproponowany przez grupę prof. Kazuyi Saito z Japonii” - mówi dr Dryzek.

Pomiary potwierdziły, że łańcuchy alkilowe – „ogony” cząsteczek – są w stanie ciekłym, czyli mają taką swobodę ruchów jak w cieczy izotropowej. Warto w tym miejscu wspomnieć, że w cieczach, wskutek oddziaływania z otaczającymi cząsteczkami, pozyt „rozpychając się” sam wytwarza wokół siebie niewielką pustą przestrzeń. Taki układ można sobie wyobrazić jako bąbelek z pozytem w środku.

Japoński model smektyka E, zaproponowany na podstawie badań kalorymetrycznych i dyfrakcyjnych, zakładał, że cząsteczki ciekłego kryształu są ułożone w dwóch warstwach: pierwsza zawiera sztywne pierścienie fenylowe, druga łańcuchy alkilowe.

„W tym momencie wszystkie informacje zaczęły do siebie pasować! Pozyt może sobie wytworzyć bąbelek w warstwie zawierającej alkilowe ogony, ponieważ są one w stanie ciekłym. Rozmiar tak powstałego bąbelka zgadza się z szerokością warstwy” - mówi dr Dryzek.

Pomiary zależności czasu życia pozytu od temperatury potwierdziły, że w niskich temperaturach (ciekłego azotu) szybko schłodzony 4TCB tworzy szkło, w którym pozyt nie powstaje. Ruchy alkilowych ogonów są zamrożone i pozyt nie może wytworzyć bąbelka. Wraz ze wzrostem temperatury następuje mięknięcie szkła, które można opisać jako powstawanie w materiale domen cieczopodobnych. To właśnie w tych fragmentach zaczyna się tworzyć pozyt.

Spektroskopia anihilacji pozytonów jest stosowana w badaniach materiałowych metali, półprzewodników i polimerów. Wyniki z IFJ PAN udowadniają, że umiejętnie używana, metoda ta może być źródłem bardzo interesujących i szczegółowych informacji także o strukturze ciekłych kryształów.

PAP - Nauka w Polsce

lt/ mrt/