Повышение температуры привело к самоорганизации жидких кристаллов

Физики обнаружили повышение организации в двухфазных жидких кристаллах при нагревании. Оказалось, что добавив в обычный жидкий кристалл коллоидные диски, можно получить материал, который становится более симметричным при повышении температуры. Более того, оказалось, что можно достичь разных типов симметрии, что невозможно в случае с классическими твердыми кристаллами. Статья опубликована в Nature.

Жидкие кристаллы — это жидкие вещества, смеси веществ или коллоидные растворы, способные к самоорганизации при определенных условиях. Благодаря самоорганизации у изначально жидкого объекта появляются свойства кристалла. Наиболее распространенная разновидность жидких кристаллов — нематические — это вязкие жидкости, состоящие из продолговатых молекул. Как и у любой другой жидкости, расположение этих молекул хаотично и не имеет никакой симметрии. Но при возникновении внешнего электромагнитного поля, продолговатые молекулы могут все повернуться в одну и ту же сторону, что придаст жидкости кристаллические свойства. Другая характерная группа жидких кристаллов — колончатые. Они, в свою очередь, состоят из плоских дискообразных объектов: молекул или коллоидных частиц. Благодаря такой структуре они способны образовывать колонны и спирали, а иногда могут даже сворачиваться в кольца. 

Кристаллы отличаются от жидкостей и газов наличием симметрии дальнего порядка. То есть в кристалле можно выделить некий элементарный фрагмент — его называют элементарной ячейкой — и перемещать его на одинаковое расстояние вдоль его граней. Если речь идет про идеальный твердый кристалл, при перемещении вдоль граней на расстояние, которое называется периодом кристалла, элементарная ячейка будет совпадать сама с собой — то есть кристалл состоит из множества одинаковых элементарных ячеек определенной симметрии.

Считается, что симметрия элементарной ячейки кристалла совпадает с симметрией самого кристалла. Грубо говоря, если простейший фрагмент кристалла поваренной соли имеет форму куба, то и кристалл будет иметь форму куба. А компоненты нематических жидких кристаллов — продолговатые молекулы или коллоидные стержни — привносят свою одноосную симметрию в материалы на их основе. До сих пор симметрия дальнего порядка, то есть повторяемость структуры в определенной периодичностью, встречалась только в твердых кристаллах, хотя теоретически такие структуры возможны и в жидком виде. Более того, их удается получить в магнитных жидкостях.

Группе физиков под руководством Ивана Смолюка (Ivan Smalyukh) из Университета Колорадо в Боулдере удалось получить несколько типов симметрии из одного жидкокристаллического объекта. При этом система переходила в более организованный тип симметрии при нагревании. Для этого они добавили дискообразные коллоидные частицы в нематический жидкий кристалл из пентилцианобифенила. Диски состояли из флуоресцентного минерала, чтобы непосредственно наблюдать за их состоянием. Чтобы предотвратить агрегацию, диски были покрыты полиэтиленгликолем. При этом заряд на каждом отдельном диске варьировался от 0 до 100 элементарных зарядов.

Авторы установили, что при комнатной температуре и зарядах дисков от 50 до 100 элементарных зарядов, увеличение объемной доли дисков в образце ведет к одноосной орторомбической симметрии. При увеличении температуры до 30-33,5 градусов Цельсия происходит переход моноклинную и колончатую виды симметрии. При увеличении температуры при объемной доле дисков больше, чем 0,3 обратных кубических микрометров, орторомбическая структура понижается в симметрии и переходит в моноклинную, потом также в колончатую, после чего снова в моноклинную структуру, но другого типа. После этого диски организуются с молекулами жидкого кристалла в гибридную одноосную структуру и только потом система либо теряет симметрию, либо остается с минимальной одноосной симметрией. Проще говоря, обычные жидкие кристаллы при повышении температуры сразу теряют свою структуру, а образцы авторов перед этим проходят несколько достаточно высокоорганизованных стадий. Такой эффект «замерзания при нагревании» возникает из-за поверхностных эффектов у краев дисков. В итоге переход в состояние с повышенной симметрией оказывается более выгодным.

Приложение внешнего магнитного поля тоже имеет интересный эффект на материал такого типа. Оказывается, если материал находится в колончатом состоянии, то даже небольшое внешнее поле уровня 100 миллитесла наклоняет колонны дисков относительно их изначальных осей. Для обычного жидкого кристалла влияние такого слабого поля не возымело бы никакого эффекта.

При заряде диска менее 50 элементарных зарядов, в образцах преобладают отдельные колоночные структуры. При повышении объемной доли дисков, можно достичь колоночного состояния с наклоном относительно оси симметрии. При этом расстояние между дисками в колонне варьируется в зависимости от температуры. В при повышении последней, колонны распадаются и система теряет симметрию.

Таким образом, авторы показали, как при определенных условиях композиционный жидкий кристалл, состоящий из обычного нематического кристалла и коллоидных дисков, может повышать свою организацию при повышении температуры. Интересно также, что первоначально простые осесимметричные составляющие жидкого кристалла могут образовывать более сложные по симметрии структуры.

Жидкие кристаллы обладают очень необычными свойствами. Например, на их основе разработана краска для волос, меняющая свой цвет прямо на волосах под действием потока теплого воздуха.

Егор Длин