В основе разработки команды ученых из Университета Колорадо в Боулдере и Университета Хиросимы лежат так называемые нематические жидкие кристаллы — тот самый класс материалов, который используется в LCD-экранах. В отличие от обычных жидкостей, молекулы в них выстраиваются в определенном направлении, создавая своеобразное «зерно». Ученые давно пытались добавлять в такие жидкости микроскопические частицы, чтобы получить коллоид с упорядоченной структурой. Проблема в том, что обычные частицы вызывают сильные искажения в жидком кристалле, слипаются и образуют комки, которые невозможно перестроить.
Команда под руководством Ивана Смалюха нашла решение этой проблемы. Ученые создали крошечные пористые стержни из кремнезема длиной 2−3 микрометра со специальным «скользким» покрытием из перфторуглерода. Благодаря такой обработке молекулы жидкого кристалла слабее «цепляются» за поверхность стержней и могут свободнее менять ориентацию. В результате частицы не слипаются, а остаются подвижными и способными перестраиваться.
Самое интересное начинается при изменении температуры. Когда ученые нагревали или охлаждали полученную суспензию, стержни поворачивались, а вся система переключалась между различными упорядоченными состояниями — фазами. Среди них обнаружились неожиданные низкосимметричные фазы с несколькими направлениями упорядочения, а не одним, как в обычных нематических жидких кристаллах.
«Низкосимметричные жидкие кристаллы очень сложно получить», — отмечает Смалюх. По его словам, жидкие кристаллы в дисплеях и мембраны в биологических клетках показывают, как сочетание порядка и текучести обеспечивает функциональность. Низкосимметричные жидкие кристаллы могут открыть еще больше возможностей перед наукой.
Практическое применение нематических жидких кристаллов пока остается делом будущего, но перспективы впечатляют. «Такие материалы могут применяться в перенастраиваемых оптических компонентах, изменив принципы управления светом в экранах, обработки информации в фотонных чипах или работы биомедицинских сенсоров», — объясняет Смалюх.
Помимо технологий, новый материал интересен и для фундаментальной науки. Коллоиды давно служат «видимыми аналогами» атомов и молекул, позволяя наблюдать процессы самоорганизации, недоступные на атомных масштабах. Теперь у ученых появился инструмент для изучения сложных топологических структур — солитонов и дефектов, которые важны не только для физики мягкой материи, но и для изучения магнетизма, сверхпроводимости и даже физики элементарных частиц.
Ранее ученые создали суперотталкивающий эластичный материал противостоит любой жидкости.