Investigadores del Centro de Investigación de Materiales Blandos (SMRC) de la Universidad de Colorado en Boulder han descubierto una fase esquiva de la materia, propuesto por primera vez hace más de 100 años y buscado desde entonces.

El equipo describe el descubrimiento de lo que los científicos llaman una fase "nemática ferroeléctrica" ​​del cristal líquido en un estudio publicado hoy en la procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias . El descubrimiento abre una puerta a un nuevo universo de materiales, dijo el coautor Matt Glaser, profesor del Departamento de Física.

Los cristales líquidos nemáticos han sido un tema candente en la investigación de materiales desde la década de 1970. Estos materiales exhiben una curiosa mezcla de comportamientos fluidos y sólidos, que les permiten controlar la luz. Los ingenieros los han utilizado ampliamente para fabricar pantallas de cristal líquido (LCD) en muchas computadoras portátiles, Televisores y teléfonos móviles.

Piense en los cristales líquidos nemáticos como dejar caer un puñado de alfileres sobre una mesa. Los pines en este caso son moléculas en forma de varilla que son "polares", con cabezas (los extremos romos) que llevan una carga positiva y colas (los extremos puntiagudos) que están cargadas negativamente. En un cristal líquido nemático tradicional, la mitad de los pines apuntan a la izquierda y la otra mitad a la derecha, con la dirección elegida al azar.

Una fase de cristal líquido nemático ferroeléctrico, sin embargo, es mucho más disciplinado. En tal cristal líquido, en la muestra se forman parches o "dominios" en los que todas las moléculas apuntan en la misma dirección, ya sea a la derecha o a la izquierda. En el lenguaje de la física, estos materiales tienen orden polar.

Noel Clark, profesor de física y director del SMRC, dijo que el descubrimiento de su equipo de uno de esos cristales líquidos podría abrir una gran cantidad de innovaciones tecnológicas, desde nuevos tipos de pantallas de visualización hasta memorias de computadora reinventadas.

"Hay 40, 000 artículos de investigación sobre nemática, y en casi cualquiera de ellos se ven nuevas e interesantes posibilidades si el nemático hubiera sido ferroeléctrico, "Dijo Clark.

Bajo el microscopio

El descubrimiento lleva años en desarrollo.

Los premios Nobel Peter Debye y Max Born sugirieron por primera vez en la década de 1910 que, si diseñó correctamente un cristal líquido, sus moléculas podrían caer espontáneamente en un estado polar ordenado. No mucho después de eso, los investigadores comenzaron a descubrir cristales sólidos que hacían algo similar:sus moléculas apuntaban en direcciones uniformes. También podrían revertirse, voltear de derecha a izquierda o viceversa bajo un campo eléctrico aplicado. Estos cristales sólidos se denominaron "ferroeléctricos" debido a sus similitudes con los imanes. (Ferrum significa "hierro" en latín).

En las décadas posteriores, sin embargo, Los científicos lucharon por encontrar una fase de cristal líquido que se comportara de la misma manera. Es decir, hasta que Clark y sus colegas comenzaron a examinar RM734, una molécula orgánica creada por un grupo de científicos británicos hace varios años.

Ese mismo grupo británico, más un segundo equipo de científicos eslovenos, informó que RM734 exhibía una fase de cristal líquido nemático convencional a temperaturas más altas. A temperaturas más bajas, apareció otra fase inusual.

Cuando el equipo de Clark intentó observar esa extraña fase bajo el microscopio, notaron algo nuevo. Bajo un campo eléctrico débil una paleta de colores llamativos desarrollada hacia los bordes de la celda que contiene el cristal líquido.

"Fue como conectar una bombilla al voltaje para probarla, pero encontrar que el enchufe y los cables de conexión brillan mucho más intensamente, "Dijo Clark.

Resultados asombrosos

Entonces, ¿que estaba pasando?

Los investigadores realizaron más pruebas y descubrieron que esta fase de RM734 era de 100 a 1, 000 veces más sensible a los campos eléctricos que los cristales líquidos nemáticos habituales. Esto sugirió que las moléculas que componen el cristal líquido demostraron un fuerte orden polar.

"Cuando todas las moléculas apuntan hacia la izquierda, y todos ven un campo que dice 've a la derecha, 'la respuesta es dramática, "Dijo Clark.

El equipo también descubrió que distintos dominios parecían formarse espontáneamente en el cristal líquido cuando se enfriaba a partir de una temperatura más alta. Había, en otras palabras, parches dentro de su muestra en los que las moléculas parecían estar alineadas.

"Eso confirmó que esta fase fue, Por supuesto, un fluido nemático ferroeléctrico, "Dijo Clark.

Esa alineación también fue más uniforme de lo que esperaba el equipo.

"La entropía reina en un fluido, "dijo Joe MacLennan, coautor del estudio y profesor de física en CU Boulder. "Todo se mueve así que esperábamos mucho desorden ".

Cuando los investigadores examinaron qué tan bien alineadas estaban las moléculas dentro de un solo dominio, "nos sorprendió el resultado, "Dijo MacLennan. Las moléculas estaban casi todas apuntando en la misma dirección.

El próximo objetivo del equipo es descubrir cómo RM734 logra esta rara hazaña. Glaser y el investigador del SMRC Dmitry Bedrov de la Universidad de Utah, actualmente están utilizando simulación por computadora para abordar esta cuestión.

"Este trabajo sugiere que hay otros fluidos ferroeléctricos escondidos a plena vista, ", Dijo Clark." Es emocionante que en este momento estén surgiendo técnicas como la inteligencia artificial que permitirán una búsqueda eficiente de ellas ".