Fluido nematico ferroelettrico: scoperto dopo 100 anni di ricerche

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11 mesi fa

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Il fluido nematico ferroelettrico è una particolare fase liquida realizzata con un composto a cristalli liquidi teorizzata più di 100 anni fa e ​​che potrebbe aprire un’intera nuova classe di materiali e progressi tecnologici.

Esistono molte fasi del cristallo liquido, ma una delle più comuni è la fase nematica. Questa è la fase che abilita la tecnologia di visualizzazione a cristalli liquidi: facile quindi comprendere perché gli scienziati siano così tanto interessati a essa.

Tali fasi sono definite da come le molecole si comportano all’interno del materiale. Il composto a cristalli liquidi è costituito da molecole organiche a forma di bastoncino con estremità caricate positivamente e negativamente, un po ‘come magneti a barra molto piccoli.

In una fase nematica, queste molecole sono divise con metà che punta in una direzione e l’altra metà che punta nell’altra, disposte più o meno a caso.

Negli anni ’10 del secolo scorso due fisici, Peter Debye e Max Born, proposero uno scenario diverso per la disposizione molecolare.

Secondo i loro due articoli, pubblicati rispettivamente nel 1912 e nel 1916, sarebbe dovuto essere possibile progettare dovrebbe essere possibile progettare un cristallo liquido in modo tale che le molecole cadessero in uno stato di ordine polare. Ciò significa che ci sarebbero dovute essere delle chiazze chiare in cui i poli delle molecole fossero state tutte orientate nella stessa direzione e questa direzione sarebbe potuta essere invertita applicando adatti campi elettrici esterni.

Tale proprietà è ben documentata in cristalli solidi ed è nota come ferroelettricità (così chiamato per la sua somiglianza con il ferromagnetismo).

Ma, sebbene lo stesso comportamento ferroelettrico fosse stato ipotizzato nel cristallo liquido nematico, è rimasto inafferrabile, almeno fino a oggi.

Ma nella scienza, come nella vita, si sa che “chi la dura la vince”.

Nel 2017, un team di fisici aveva dichiarato di aver sviluppato una nuova molecola organica a forma di bastoncino che sarebbe potuta essere utile nei cristalli liquidi: il composto RM734. Negli studi successivi, RM734 ha mostrato alcuni comportamenti insoliti.

In particolare, mentre RM734 si comportava come una convenzionale fase a cristalli liquidi nematica a temperature più elevate, il suo comportamento era più insolito quando le temperature erano più basse – l’orientamento molecolare è stato osservato deformarsi in una disposizione “splay”.

È qui che entra in gioco la nuova ricerca: i fisici dell’Università del Colorado, Boulder, sono stati incuriositi da questo strano comportamento e sono andati a dare un’occhiata più da vicino.

Stavano confondendo con RM734 al microscopio ottico polarizzato e hanno applicato un debole campo elettrico per cercare di indurre la fase nematica di splay.

Quella disposizione di splay non è emersa, ma è successo qualcos’altro: sono comparse macchie di colori vivaci attorno ai bordi della cella contenente il cristallo liquido RM734.

 

 

È stato come collegare una lampadina alla tensione per testarla, ma trovare invece i cavi della presa e del collegamento più luminosi della lampadina stessa

ha detto il fisico Noel Clark di UC Boulder.

Ulteriori test hanno rivelato che questa fase di RM734 era tra 100 e 1.000 volte più sensibile ai campi elettrici esterni rispetto ad altri cristalli liquidi nematici, suggerendo che le molecole stavano mostrando l’ordine polare.

Quando raffreddati, le patch ordinate apparivano spontaneamente nel campione, con quasi tutte le molecole in ciascuna patch puntate nella stessa direzione.

Ciò ha confermato che questa fase era, in effetti, un fluido nematico ferroelettrico

ha detto Clark.

Non sono ancora sicuri di come o perché RM734 mostri questa fase nematica ferroelettrica, ma la sua esistenza suggerisce che potrebbero essere possibili più fluidi ferroelettrici, ma quelli devono ancora essere scoperti.

Questa scoperta però potrebbe aprire le porte a una nuova fisica nematica con conseguenti innovative applicazioni tecnologiche che potrebbero spaziare da quelle per la visualizzazione alla memoria dei computer.