Команда из Университета Колорадо в Боулдере разработала новые виды жидких кристаллов, которые посторяют сложную структуру некоторых твердых кристаллов — большой шаг вперед в создании текучих материалов, которые могут соответствовать красочному разнообразию форм, наблюдаемых в минералах и драгоценных камнях, от лазулита до топаз.
Выводы группы, опубликованные в журнале Nature, могут однажды привести к появлению новых типов умных окон и телевизионных или компьютерных дисплеев, которые могут изменять свет и управлять им, как никогда раньше.
Иван Смалюх, профессор кафедры физики CU Boulder, объяснил, что ученые делят все известные кристаллы на семь основных классов, а также на множество других подклассов — отчасти на основе "операций симметрии" их внутренних атомов. Другими словами, сколькими способами вы можете воткнуть воображаемое зеркало внутрь кристалла или повернуть его и при этом увидеть ту же структуру?
Однако на сегодняшний день ученым не удалось создать жидкие кристаллы — текучие материалы, которые можно найти в большинстве современных технологий отображения — которые обладают таким же разнообразием внутренней структуры.
В своих последних открытиях Смалюх и его коллеги придумали способ создания первых жидких кристаллов, которые напоминают моноклинные и орторомбические кристаллы — два из этих семи основных классов твердых кристаллов. По его словам, полученные данные привносят немного больше порядка в хаотичный мир жидкостей.
Чтобы понять симметрию кристаллов, сначала представьте свое тело. Если вы поместите гигантское зеркало посередине вашего лица, вы увидите отражение, которое выглядит (более или менее) как тот же человек. Твердые кристаллы обладают аналогичными свойствами. Кубические кристаллы, в состав которых входят, например, алмазы и пирит, состоят из атомов, расположенных в форме идеального куба. У них много операций симметрии.
Но есть и другие типы кристаллов. Атомы внутри моноклинных кристаллов, в том числе гипса или лазулита, расположены в форме, напоминающей наклонную колонну. Поворачивайте или вращайте эти кристаллы сколько угодно, и они по-прежнему будут иметь только две различные симметрии — одну зеркальную плоскость и одну ось вращения на 180 градусов, или симметрию, которую вы можете увидеть, вращая кристалл вокруг оси и замечая, что он выглядит то же самое каждые 180 градусов. Ученые называют это состоянием "низкой симметрии".
Однако традиционные жидкие кристаллы не обладают такими сложными структурами. Например, наиболее распространенные жидкие кристаллы состоят из крошечных молекул в форме стержней. По словам Смалюха, под микроскопом они имеют тенденцию выстраиваться в линию, как сухая лапша, брошенная в кастрюлю.
Он и его коллеги хотели посмотреть, смогут ли они это изменить. Для начала команда смешала два разных вида жидких кристаллов. Первый был обычным классом, состоящим из молекул в форме стержня. Второй состоял из частиц в форме ультратонких дисков.
Когда исследователи собрали их вместе, они заметили кое-что странное: при правильных условиях в лаборатории эти два типа кристаллов толкали и сжимали друг друга, меняя свою ориентацию и расположение. Конечным результатом была нематическая жидкокристаллическая жидкость с симметрией, которая очень похожа на симметрию твердого моноклинного кристалла. Молекулы внутри демонстрировали некоторую симметрию, но только одну зеркальную плоскость и одну ось вращения на 180 градусов.
Другими словами, группа создала материал с математическими свойствами кристалла лазулита или гипса, но их материал мог течь как жидкость. И творения команды динамичны: если, например, нагреть или охладить жидкие кристаллы, вы можете преобразовать их в радугу из различных структур, каждая со своими собственными свойствами. Это очень удобно для инженеров.
Исследователи все еще далеки от создания жидких кристаллов, которые могли бы воспроизвести полный спектр твердых кристаллов. Но новая газета делает их ближе, чем когда-либо прежде — хорошая новость для поклонников ярких вещей во всем мире.
