材料百态

您当前的位置: 首页  >  探索发现  >  材料百态
这种特殊的有序性,有望掀起一场技术革新
发布时间:2020-06-17     作者:CU Boulder   来源:原理   分享到:

image.png

液晶是一种物态,顾名思义,它是同时具有固体和液体性质的分子晶体,结合了类似液体和固体的行为。事实上,液晶这个词本身包含着矛盾,因为晶体代表着有序和规则,而液体则被熵“主宰”,液体中的原子或分子是完全无序的。

image.png

 氯化钠分子结构(左,绿色代表氯原子,紫色代表钠原子)与液体中原子(右)的理想化描绘。

由于液晶的这种有序性与无序性共存的特殊性质,液晶具有独特的光学性质,液晶已经成为我们生活中不可或缺的一部分。从笔记本电脑到电视,再到手机,液晶显示器(LCD)已经成了许多电子设备的“标配”。

20世纪70年代以来,向列相液晶一直是液晶材料研究的热点。想象你手上握着一把“针”,但这些“针”其实是向列相液晶具有极性的杆状分子,“针”的头部(钝端)带有正电荷,尾部(尖端)带有负电荷。现在,松手把这些“针”丢在桌子上,在传统的向列相液晶中,一半的“针”指向左边,另一半指向右边,方向是随机的。

image.png

 向列相液晶分子示意图。| 图片来源:IAS

然而,铁电向列相液晶则会更有秩序。在这样一种液晶中,液晶样品里会形成斑块,或者叫“畴”(domain),斑块内的分子都指向同一个方向,要么都向左,要么都向右。用物理学的术语来说,这些材料是极性有序的。

近日,科罗拉多大学博尔德分校软材料研究中心(SMRC)的研究人员就发现了这样一种液晶的“铁电向列相”。这项新发现背后是科学家一个多世纪的寻找,它打开了一扇通往新材料世界的大门,从新型显示屏到全新概念的计算机储存器,它有望开启大量的技术创新。

20世纪初,诺贝尔奖得主Peter Debye和Max Born提出,如果正确地设计液晶,它的分子可以自发地进入极性有序的状态。

不久之后,研究人员开始发现,固体晶体中有类似的现象,它们的分子也会指向相同的方向。在施加的电场的作用下,分子也可以反转,从右向左或从右向左地转向。由于这些固体晶体看起来与磁铁很相似,它们被称为“铁电体”。在此后的几十年间,科学家一直在努力寻找一种能表现出相同行为的液晶相。

几年前,一组英国科学家创造了一种有机分子,名为RM734。先前的研究已经发现,RM734在更高的温度下显示出传统的向列相液晶相。在较低的温度下,它出现了另一个不寻常的相。

image.png

 RM734的结构和在铁电向列相中的分子排列示意图。P和箭头代表分子极性方向。| 图片来源:[2]

SMRC主任、物理学家Noel Clark带领团队开始仔细研究RM734。当他们试图在显微镜下观察那个奇怪的相时,他们注意到了一些新的东西。在弱电场下,一些醒目的颜色朝着含有液晶的单元边缘显现出来。就好比是,将灯泡通电进行测试,但发现插座和连接线反而更亮。

研究人员进行了更多测试,发现RM734的这个相,对电场的响应是普通的向列相液晶的100到1000倍。这表明构成液晶的分子表现出很强的极性有序性。Clark介绍,这就好像是,当所有分子都指向左边,它们都看到了一块区域,指示显示“向右走”的时候,这些分子的反应非常明显。

image.png

 在新发现的液晶相中,当研究人员施加小的电场,颜色会产生变化,这可以简化地理解成由于电场变化,区域中极性方向产生了变化。| 图片来源:SMRC

团队还发现,当液晶从更高的温度冷却下来时,似乎会自发形成不同的畴。换言之,在他们的样品中出现了一些斑块,这些斑块中所有的分子都朝着一致的方向排列。这种一致性大大超出了团队的预期。这些结果证实了,这个新发现的相确实是一种铁电向列相液体。

image.png

 在显微镜下观察液晶的新发现的相。菱形是“畴”,其中的几乎所有分子都具有箭头所示的方向。| 图片来源:SMRC

Clark说:“现在有大约4万篇关于向列相液晶的研究论文,在其中找任何一篇,如果是铁电向列相,你都能看到有趣的新可能性。”

这项研究表明,还有其他铁电液体隐藏在人们的视线之外。令人兴奋的是,现在像人工智能这样的技术正在出现,能够帮助有效地进行搜索。研究人员下一个阶段的目标是发现RM734是如何实现这种罕见的行为的。目前研究人员正在使用计算机模拟来解决这个问题。


参考来源:[1] https://www.colorado.edu/today/2020/06/10/after-century-searching-scientists-find-new-liquid-phase[2] https://www.pnas.org/content/early/2020/06/09/2002290117

封面图来源:SMRC

【我们尊重原创,也注重分享。版权原作者所有,如有侵犯您的权益请及时联系,我们将第一时间删除。分享内容不代表本网观点,仅供参考。】