Naukowcy z Wydziału Chemii UW we współpracy z badaczami z Wojskowej Akademii Technicznej odkryli nowy sposób helikalnego uporządkowania dipoli elektrycznych w ferroelektrycznej cieczy. Wyniki badań zostały opublikowane w najnowszym numerze czasopisma „Science”.

Helisy to obiekty powszechnie występujące w naturze. Najbardziej znanym przykładem jest zapewne  podwójna helisa DNA. Większość takich struktur tworzona jest przez molekuły o niskiej symetrii, tj. molekuły chiralne, które nie nakładają się ze swoim lustrzanym odbiciem. Dipole elektryczne to układy rozdzielonych przestrzennie ładunków dodatnich i ujemnych. Mimo że większość cząsteczek chemicznych ma moment dipolowy, to jedynie wyjątkowo tworzą one sieci krystaliczne, w których dipole są uporządkowane  w jednym kierunku, tworząc fazę ferroelektryczną. Do niedawna powszechnie uważano, że w cieczach oddziaływania dipoli są zbyt słabe w porównaniu do energii ruchów termicznych, by utrzymać takie uporządkowanie.

Możliwość tworzenia faz cieczowych z uporządkowanymi ferroelektrycznie dipolami jest już sama w sobie zaskakująca, ale odkrycie, że niechiralne molekuły (nakładalne na własne odbicie lustrzane) w takiej cieczy spontanicznie układają się w helisy, jest zupełnie niezwykłe. Skok takich helis jest porównywalny z długością fali światła widzialnego, co sprawia, że wybrana barwa światła jest odbijana przez helikalną strukturę. Ferroelektryczne uporządkowanie pozwala zaś w łatwy sposób kontrolować słabym polem elektrycznym parametry struktury, a więc i właściwości optyczne – w tym barwę odbijanego światła.

Tworzenie helis i porządkowanie dipoli

Zespół badawczy, w którego składzie są naukowcy z Wydziału Chemii UW (prof. Ewa Górecka, prof. Paweł W. Majewski, prof. Damian Pociecha, dr Jadwiga Szydłowska) oraz badacze z Wojskowej Akademii Technicznej, połączył w fazie ciekłej dwie zaskakujące właściwości – spontaniczne tworzenie helis z niechiralnych cząsteczek i ferroelektryczne uporządkowanie dipoli.

– Ciekłe kryształy, określane jako czwarty stan materii, zgodnie ze swoją nazwą, łączą cechy cieczy i kryształów. Choć znalazły już one swoje stałe miejsce w urządzeniach, z których korzystamy na co dzień, nadal są źródłem zaskakujących odkryć na poziomie czystej nauki. Odkryty i opisany przez nas nowy typ fazy ciekłokrystalicznej łączy dwa fascynujące zjawiska: spontaniczne złamanie symetrii lustrzanej, czyli pojawienie się chiralności, oraz ferroelektryczne uporządkowanie dipoli elektrycznych – a wszystko to w fazie ciekłej – mówi prof. Damian Pociecha.

Naukowiec podkreśla, że odkrycie to jest nie tylko przełomowe z punktu widzenia nauki o miękkiej materii, ale również otwiera możliwości nowych zastosowań, np. w technologiach elektrooptycznych.

Wyniki badań przeprowadzonych przez naukowców z Wydziału Chemii Uniwersytetu Warszawskiego oraz Wojskowej Akademii Technicznej zostały opublikowane w czasopiśmie „Science”.

Badania wykonane zostały w ramach realizacji projektu badawczego NCN OPUS (2021/43/B/ST5/00240).