После столетий поисков ученые нашли новую жидкую фазу материи

Ученые из Исследовательского центра мягких материалов Университета Колорадо в Боулдере (SMRC) обнаружили жидкую фазу материи, впервые предложенную более 100 лет назад, но до сих пор не изученную достаточно хорошо. Об этом сообщает Science Alert со ссылкой на PNAS.

Жидкая фаза материи, первоначально предложенная в 1910-х годах, наконец была реализована. Используя жидкокристаллическое соединение, ученые открыли новую «сегнетоэлектрическую нематическую» фазу, которая может помочь создать целый новый класс материалов и технологических достижений.

Одна из наиболее распространенных фаз жидкого кристалла — нематическая. В нематических жидких кристаллах отсутствует дальний порядок в расположении центров тяжести молекул, у них нет слоистой структуры, а их молекулы скользят непрерывно в направлении своих длинных осей, вращаясь вокруг них, но при этом сохраняют ориентационный порядок: длинные оси направлены вдоль одного преимущественного направления. Они ведут себя подобно обычным жидкостям.

Нематическая фаза играет важную роль во многих технологиях, в том числе при производстве жидкокристаллических экранов.

Грубо говоря, жидкокристаллическое соединение состоит из стержнеобразных органических молекул с положительно и отрицательно заряженными концами. В нематической фазе эти молекулы делятся так, что разные части, расположенные более или менее случайным образом, смотрят в разные стороны.

Но в 1910-х годах два физика — Петер Дебай и Макс Борн — предложили другой сценарий для расположения молекул. Согласно их статьям, опубликованным в 1912 и 1916 годах, должна быть возможность сконструировать жидкий кристалл таким образом, чтобы на полюсах были участки, где все молекулы ориентированы в одном направлении, и это направление можно было «перевернуть», применяя внешние электрические поля.

Такое свойство хорошо известно в твердых кристаллах — оно носит название сегнетоэлектричество. Но, хотя предполагалось, что оно может быть и в нематическом жидком кристалле, это не удавалось установить на практике.

Затем, в 2017 году, команда физиков сообщила, что они разработали новую органическую молекулу в форме стержня, которая может быть полезна для жидких кристаллов — соединение RM734. В дальнейшем оно показало несколько необычное поведение. В частности, в то время как при более высоких температурах RM734 вел себя как в обычной нематической жидкокристаллической фазе, при более низких температурах наблюдалась деформация молекулярной ориентации в «сплайсинге».

Физики из Университета Колорадо заинтересовались этим странным поведением и стали изучать его более тщательно. Они смотрели на RM734 под микроскопом с поляризованным светом и применяли слабое электрическое поле, чтобы попытаться вызвать сплит-нематическую фазу. Этого не произошло, но зато появились пятна ярких цветов по краям ячейки, содержащей жидкий кристалл.

Дальнейшие испытания показали, что эта фаза RM734 была в 100−1000 раз более чувствительной к внешним электрическим полям, чем другие нематические жидкие кристаллы. И при переходе от высоких температур к более низким в образце спонтанно появлялись упорядоченные участки, причем почти все молекулы на каждом участке были ориентированы в одном направлении.

Ученые все еще не понимают, как и почему RM734 отображает эту сегнетоэлектрическую нематическую фазу, но ее существование говорит о том, что может существовать множество сегнетоэлектрических жидкостей, которые мы еще пока не обнаружили. Это может способствовать появлению новых технологий, включая технологию отображения и, по словам исследователей, компьютерную память.