這種特殊的有序性,有望掀起一場技術革新

液晶是一種物態,顧名思義,它是同時具有固體和液體性質的分子晶體,結合了類似液體和固體的行為。事實上,液晶這個詞本身包含著矛盾,因為晶體代表著有序和規則,而液體則被熵「主宰」,液體中的原子或分子是完全無序的。(詳見《它是如何做到集有序與無序於一身的?》。)

氯化鈉分子結構(左,綠色代表氯原子,紫色代表鈉原子)與液體中原子(右)的理想化描繪。

由於液晶的這種有序性與無序性共存的特殊性質,液晶具有獨特的光學性質,液晶已經成為我們生活中不可或缺的一部分。從筆記本電腦到電視,再到手機,液晶顯示器(LCD)已經成了許多電子設備的「標配」。

20世紀70年代以來,向列相液晶一直是液晶材料研究的熱點。想象你手上握著一把「針」,但這些「針」其實是向列相液晶具有極性的桿狀分子,「針」的頭部(鈍端)帶有正電荷,尾部(尖端)帶有負電荷。現在,鬆手把這些「針」丟在桌子上,在傳統的向列相液晶中,一半的「針」指向左邊,另一半指向右邊,方向是隨機的。

向列相液晶分子示意圖。| 圖片來源:IAS

然而,鐵電向列相液晶則會更有秩序。在這樣一種液晶中,液晶樣品裡會形成斑塊,或者叫「」(domain),斑塊內的分子都指向同一個方向,要麼都向左,要麼都向右。用物理學的術語來說,這些材料是極性有序的。

近日,科羅拉多大學博爾德分校軟材料研究中心(SMRC)的研究人員就發現了這樣一種液晶的「鐵電向列相」。這項新發現背後是科學家一個多世紀的尋找,它打開了一扇通往新材料世界的大門,從新型顯示屏到全新概念的計算機儲存器,它有望開啟大量的技術創新

20世紀初,諾貝爾獎得主Peter DebyeMax Born提出,如果正確地設計液晶,它的分子可以自發地進入極性有序的狀態。

不久之後,研究人員開始發現,固體晶體中有類似的現象,它們的分子也會指向相同的方向。在施加的電場的作用下,分子也可以反轉,從右向左或從右向左地轉向。由於這些固體晶體看起來與磁鐵很相似,它們被稱為「鐵電體」。在此後的幾十年間,科學家一直在努力尋找一種能表現出相同行為的液晶相。

幾年前,一組英國科學家創造了一種有機分子,名為RM734。先前的研究已經發現,RM734在更高的溫度下顯示出傳統的向列相液晶相。在較低的溫度下,它出現了另一個不尋常的相。

RM734的結構和在鐵電向列相中的分子排列示意圖。P和箭頭代表分子極性方向。| 圖片來源:[2]

SMRC主任、物理學家Noel Clark帶領團隊開始仔細研究RM734。當他們試圖在顯微鏡下觀察那個奇怪的相時,他們注意到了一些新的東西。在弱電場下,一些醒目的顏色朝著含有液晶的單元邊緣顯現出來。就好比是,將燈泡通電進行測試,但發現插座和連接線反而更亮。

研究人員進行了更多測試,發現RM734的這個相,對電場的響應是普通的向列相液晶的100到1000倍。這表明構成液晶的分子表現出很強的極性有序性。Clark介紹,這就好像是,當所有分子都指向左邊,它們都看到了一塊區域,指示顯示「向右走」的時候,這些分子的反應非常明顯。

在新發現的液晶相中,當研究人員施加小的電場,顏色會產生變化,這可以簡化地理解成由於電場變化,區域中極性方向產生了變化。| 圖片來源:SMRC

團隊還發現,當液晶從更高的溫度冷卻下來時,似乎會自發形成不同的疇。換言之,在他們的樣品中出現了一些斑塊,這些斑塊中所有的分子都朝著一致的方向排列。這種一致性大大超出了團隊的預期。這些結果證實了,這個新發現的相確實是一種鐵電向列相液體。

在顯微鏡下觀察液晶的新發現的相。菱形是「疇」,其中的幾乎所有分子都具有箭頭所示的方向。| 圖片來源:SMRC

Clark說:「現在有大約4萬篇關於向列相液晶的研究論文,在其中找任何一篇,如果是鐵電向列相,你都能看到有趣的新可能性。」

這項研究表明,還有其他鐵電液體隱藏在人們的視線之外。令人興奮的是,現在像人工智慧這樣的技術正在出現,能夠幫助有效地進行搜索。研究人員下一個階段的目標是發現RM734是如何實現這種罕見的行為的。目前研究人員正在使用計算機模擬來解決這個問題。

參考來源:

[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

封面圖來源:SMRC

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