WAT i UW: nowy rozdział w badaniach nad materią miękką
Naukowcy WAT i UW 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. To odkrycie może znaleźć zastosowane w fizyce płynów, optoelektronice, fotonice i biologii molekularnej.
Wyniki badań nad nowym uporządkowaniem materii, która łączy cechy cieczy i kryształu (chiralnej cieczy ferroelektrycznej), zostały opublikowane w „Science” (https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn6812) i - zdaniem badaczy - zmieniają dotychczasowe rozumienie materii organicznej.
Zespół naukowców z Wojskowej Akademii Technicznej (WAT) i Uniwersytetu Warszawskiego (UW) dokonał odkrycia nowego, mającego kształt helisy, sposobu uporządkowania polarnych cząsteczek w ferroelektrycznej cieczy (można ją opisać jako ciekły kryształ; ferroelektryk to ciało charakteryzujące się dużą przenikalnością elektryczną). Cząsteczki organiczne spontanicznie organizują się tu w złożone spiralne struktury o rozmiarach mikrometra. Co istotne, chodzi tu o cząsteczki niechiralne, czyli takie, które można nałożyć na ich własne lustrzane odbicie. Nowy materiał charakteryzuje się zatem spontanicznym łamaniem symetrii chiralnej (chiralność to cecha materii, w której molekuły nie nakładają się ze swoim lustrzanym odbiciem).
Jak wyjaśniono w komunikacie Uniwersytetu Warszawskiego https://www.uw.edu.pl/zakrecony-ferronematyk/, helisy występują w naturze, a najbardziej znanym przykładem jest podwójna helisa DNA. Większość takich struktur tworzona jest przez molekuły chiralne.
Badacze podkreślają, że niezwykłe jest odkrycie, iż niechiralne molekuły (czyli te, które można nałożyć na ich odbicie lustrzane) w takiej cieczy spontanicznie układają się w spiralne struktury (helisy). Taka helisa odbija barwę światła, której długość fali jest proporcjonalna do skoku spirali. Ferroelektryczne uporządkowanie pozwala w łatwy sposób kontrolować - przy pomocy słabego pola elektrycznego - parametrami tej struktury, a więc i właściwościami optycznymi, w tym barwą.
Zespół badawczy połączył w fazie ciekłej dwie zaskakujące właściwości – spontaniczne tworzenie helis z niechiralnych cząsteczek i ferroelektryczne uporządkowanie dipoli. Dipole elektryczne to układy rozdzielonych przestrzennie ładunków dodatnich i ujemnych. Cząsteczki chemiczne bardzo rzadko tworzą 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.
Nowe badania pokazały, że oprócz polarnego uporządkowania molekuł możliwe jest spontaniczne skręcenie polarnej struktury w geometrię przypominającą kwiat helikonii, którego nazwa wywodzi się od matematycznego helikonu (gr. "helix" to zwój, splot).
„Wyniki otwierają nowe możliwości badawcze w dziedzinie materiałów ciekłokrystalicznych i mogą prowadzić do kolejnych innowacyjnych odkryć” – mówi płk dr hab. inż. Przemysław Kula z WAT. Dr hab. Damian Pociecha z UW tłumaczy, że choć ciekłe kryształy stosowane są w urządzeniach, z których korzystamy na co dzień, to 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.
W skład zespołu naukowego z Wydziału Nowych Technologii i Chemii WAT weszli: Jakub Karcz, Natan Rychłowicz, dr hab. inż. Jakub Herman oraz płk dr hab. inż. Przemysław Kula. W zespole z Wydziału Chemii UW pracowali: prof. dr hab. Ewa Górecka, dr hab. Damian Pociecha, dr hab. Paweł W. Majewski oraz dr Jadwiga Szydłowska.(PAP)
Nauka w Polsce
kol/ bar/