Mirror vs. inversion symmetry breaking in mesogenic dimers: NTB vs. NF phase

Stel je een wereld voor waar de materie tussen vast ijs en vloeibaar water niet slechts een rommelige plas is, maar een bruisende stad met eigen regels van orde. Dit is het rijk van de vloeibare kristallen, een aggregatietoestand die zich gedraagt als een vloeistof, maar de georganiseerde structuur van een vaste stof heeft. Denk aan hen als een menigte mensen bij een concert: in een normale vloeistof duwt en schuift iedereen willekeurig; in een vaste stof is iedereen bevroren in een rooster; maar in een vloeibaar kristal stroomt de menigte als een rivier, terwijl iedereen nog steeds dezelfde kant op kijkt, als een zee van surfers die op een golf rijden. Wetenschappers houden van deze materialen omdat ze het geheime ingrediënt zijn achter je smartphone-scherm, maar ze zijn ook een speeltuin voor de natuurkunde. De grote vraag hier gaat over "symmetriebreking". Stel je een perfect ronde bal voor die op een platte tafel ligt; hij ziet er vanuit elke hoek hetzelfde uit. Stel je nu voor dat die bal plotseling besluit om in een specifieke richting te gaan rollen. Hij heeft zijn symmetrie "gebroken". In de wereld van vloeibare kristallen kunnen moleculen spontaan besluiten om te draaien in een spiraal of zich uit te lijnen met een sterke elektrische lading, waardoor nieuwe, exotische aggregatietoestanden ontstaan die op verrassende manieren functioneren. Het begrijpen van hoe en waarom deze minuscule moleculaire menigten besluiten te dansen in een spiraal of in een rechte lijn te marcheren, helpt ons om betere, snellere en efficiëntere technologie voor de toekomst te ontwerpen.

Laten we nu inzoomen op een specifieke groep moleculaire dansers: de "dimeren". Je kunt een dimeer zien als een moleculaire dumbbell, waarbij twee stijve, staafvormige "gewichten" (genaamd mesogene kernen) verbonden zijn door een flexibel, rekbaar "touwtje" (een spacer). De onderzoekers in dit artikel besloten een spel van moleculaire architectuur te spelen met deze dumbbells. Ze bouwden twee families van deze dimeren met gebruik van sterk geladen, polaire eenheden—stel je voor dat de gewichten een sterke positieve lading aan de ene kant hebben en een negatieve aan de andere kant. De draai in hun verhaal is dat ze de lengte van het "touwtje" dat de gewichten verbindt veranderden, specifiek kijkend naar of het touwtje een even of een oneven aantal schakels had.

Het team ontdekte dat deze eenvoudige verandering in de lengte van het touwtje fungeert als een hoofdschakelaar voor het gedrag van het hele materiaal. Wanneer het touwtje een oneven aantal schakels had, bogen de moleculen in een "C"-vorm. Deze gebogen dumbbells stroomden niet alleen; ze draaiden spontaan in een een strakke, kurkentrekkerachtige spiraalstructuur die bekend staat als de twist-bend nematische (NTB) fase. Het is alsof de moleculen, niet in staat om recht te staan, besloten om samen te klonteren in een helix, waardoor ze een patroon creëren met een zeer korte pitch (ongeveer 100 nanometer, wat ongelooflijk klein is).

Aan de andere kant, wanneer het touwtje een even aantal schakels had, bleven de moleculen bijna recht, als een stijve staaf. Deze rechte dimeren deden iets nog verrassender: ze vormden een ferro-elektrische nematische (NF) fase. In deze staat waren de moleculen niet alleen uitgelijnd; ze wezen al hun elektrische "koppen" in dezelfde richting, wat een sterke, collectieve elektrische polarisatie creëerde. Het artikel laat zien dat dit gebeurt, zelfs al zijn de moleculen in een vloeibare toestand, wat bewijst dat sterke elektrische krachten een vloeibare menigte kunnen organiseren zonder dat daar een vaste structuur voor nodig is.

De onderzoekers testten dit door een hele serie van deze dimeren te maken, waarbij ze de lengte van het touwtje en de staartjes aan de uiteinden varieerden. Ze maten hoe de materialen reageerden op licht, elektriciteit en warmte. Ze ontdekten dat de rechte dimeren (even touw) een scherpe sprong in elektrische stroom vertoonden wanneer er spanning werd aangelegd, een duidelijk teken van die ferro-elektrische orde, en ze konden deze richting heen en weer schakelen. De gebogen dimeren (oneven touw) vertoonden echter een ander gedrag, met een diëlektrische respons die suggereerde dat er sprake was van kortetermijncorrelaties maar geen langetermijn elektrische orde, wat consistent is met hun draaiende spiraalstructuur.

Cruciaal is dat het artikel beargumenteert dat de vorm van het molecuul de beslissende factor is. De gebogen vorm moedigt de moleculen aan om te draaien (NTB), terwijl de rechte vorm, gecombineerd met hun sterke interne elektrische ladingen, hen aanmoedigt om op een polaire wijze op te lijnen (NF). De auteurs suggereren dat deze "pariteitseffect"—of de spacer een even of een oneven aantal atomen heeft—een krachtig instrument is voor ingenieurs. Door simpelweg de lengte van de verbinding te veranderen, kun je de grondtoestand van het materiaal schakelen van een draaiende helix naar een polaire elektrische opstelling, zonder de chemische aard van de belangrijkste onderdelen van het molecuul te veranderen.

De studie keek ook naar hoe "stijf" deze materialen zijn. Ze vonden dat de rechte, polaire dimeren veel moeilijker te buigen waren (ze hadden een hoge "splay" elastische constante) vergeleken met de gebogen exemplaren, die verrassend gemakkelijk te buigen waren. Dit is logisch: als de moleculen al gebogen zijn, is het makkelijk om ze verder te buigen, wat helpt verklaren waarom ze zo gemakkelijk in die NTB-spiraal draaien. Het artikel concludeert dat door het samenspel tussen moleculaire vorm (gebogen versus recht) en elektrische lading te begrijpen, wetenschappers nu rationeel nieuwe vloeibare kristallen kunnen ontwerpen met specifieke eigenschappen, of ze nu een materiaal nodig hebben dat licht draait of een materiaal dat sterk reageert op elektrische velden. Het is een duidelijke demonstratie dat in de microscopische wereld een enkele extra schakel in een ketting het volledige dansritme van de hele menigte volledig kan veranderen.