В жидких кристаллах молекулы автоматически упорядочиваются. Исследователи из Университета Люксембурга обнаружили метод, который допускает антиупорядоченное состояние, которое обеспечит новые свойства материала и потенциально новые технические приложения, такие как искусственные мышцы для мягкой робототехники. Они опубликовали свои выводы в научном журнале Science Advances .
Исследовательская группа профессора Яна Лагерволла из Университета Люксембурга изучает характеристики жидких кристаллов, которые можно найти во многих областях — от клеточных мембран в организме до дисплеев во многих электронных устройствах. Материал сочетает в себе жидкоподобную подвижность и гибкость и дальний порядок своих молекул ; последнее является типичной особенностью твердых кристаллов. Это приводит к замечательным свойствам, которые делают жидкие кристаллы настолько универсальными, что их выбирают для выполнения жизненно важных функций как природа, так и миллиардные компании.
Многие свойства материала зависят от того, как расположены его молекулы. С конца 1930-х годов физики используют математическую модель для описания молекулярного порядка жидких кристаллов. Так называемый параметр порядка назначает число, которое указывает, насколько упорядочены молекулы. Эта модель использует положительный диапазон для описания жидких кристаллов, к которым мы привыкли. Он также может назначить отрицательный диапазон, который описывает «антиупорядоченное» состояние, когда молекулы будут избегать определенного направления, а не выравниваться вдоль него.
До сих пор этот отрицательный диапазон оставался строго гипотетическим, поскольку ни один жидкий кристалл неразвил антиупорядоченное состояние на практике. Стандартные теории для жидких кристаллов предполагают, что такое состояние возможно, но не будет стабильным. «Вы можете сравнить это со слайдом, который имеет очень легкий выступ в середине. Вы можете замедлить движение, когда достигнете выступ, в нашем случае нестабильное антиупорядоченное состояние, но недостаточно, чтобы вы остановились, и поэтому вы пойдете вплоть до стабильного состояния, глобального энергетического минимума, где вы неизбежно получите положительный порядок. Если вам удастся остановить движение на удар, отрицательный диапазон будет возможен », — объясняет Ян Лагерволл.
Это именно то, чего достиг главный научный сотрудник и коллеги В.С.Р. Джампани впервые в своем исследовании. «Хитрость в том, чтобы не дать системе достичь глобального минимума энергии, состоит в том, чтобы плавно полимеризовать ее в слабо связанную сеть, пока она растворяется в обычном жидком растворителе», — говорит доктор Джампани. «Затем эта сеть растягивается во всех направлениях внутри плоскости или сжимается вдоль одного направления, перпендикулярного плоскости, так что молекулы, образующие сеть, выравниваются в плоскости, но без какого-либо конкретного направления в этой плоскости». По мере испарения растворителя образуется жидкокристаллическая фаза, и из-за своеобразного растяжения сетки в плоскости он вынужден принимать состояние параметра отрицательного порядка, когда молекулы избегают направления нормали к плоскости. »
Когда сеть усиливается вторым циклом полимеризации , поведение в зависимости от температуры может быть изучено. «Жидкокристаллические сети очаровательны как для положительного, так и для отрицательного параметра порядка, потому что упорядочение — или антиупорядочение — в сочетании с полимерной сеткой позволяет ему самопроизвольно изменять свою форму в ответ на изменения температуры. Жидкокристаллическая сеть фактически является резина, которая растягивается или расслабляется сама по себе, без применения силы », — говорит профессор Лагервол.
Оказывается, что поведение жидкокристаллического каучука с отрицательным параметром порядка в точности противоположно поведению обычных жидкокристаллических каучуков. «Оптически, когда нормальный жидкокристаллический каучук показывает определенный цвет между скрещенными поляризаторами, версия параметра отрицательного порядка показывает дополнительный цвет. Механически, когда нормальный жидкокристаллический каучук сжимается вдоль одного направления и расширяется в плоскости, перпендикулярной ему, отрицательный Резина параметра порядка расширяется вдоль первого направления и сжимается в перпендикулярной плоскости », — объясняет Лагерволл.
Исследователи создали свои жидкокристаллические каучуки с отрицательным параметром порядка в форме сферических оболочек миллиметрового размера, которые затем разрезают на более мелкие кусочки различной формы. В зависимости от того, как был сделан разрез, могут быть реализованы различные способы изменения формы, показывающие, что система может функционировать как мягкий «исполнительный механизм», фактически искусственная мышца. Поскольку жидкокристаллические каучуки отрицательного и положительного порядка действуют противоположным образом, это открывает интересные способы объединить их, чтобы создать более эффективный составной привод, например, для мягкой робототехники. Когда привод положительного порядка реагирует медленно, отрицательный привод срабатывает быстро, и наоборот. С точки зрения фундаментальной физики.
