Magyar fizikusok felfedezték az anyag egy új állapotát
A halmazállapotokról nyilván mindenkinek dereng valami az iskolai tanulmányokból – tudják, szilárd, folyékony, gáz és plazma. Ezek között átmeneti állapotok is léteznek, például a kijelzőkből ismerhető folyadékkristályos anyagok, amelyeknek nemrég fedezték fel egy különleges fajtáját a ferroelektromos nematikus anyagokat. Ezeket vizsgálta meg most két magyar fizikus, és az anyag egy olyan új állapotát figyelték meg, ahol folyadékcseppek elektromos mező hatására aktívan mozgó, egymással kölcsönható részecskékként viselkednek – olvasható a HUN-REN honlapján.
De mi az a ferroelektromos nematikus anyag? Konyhanyelven egy olyan anyag, amelynek egyik vége pozitív, a másik negatív töltésű, az azt alkotó hosszúkás, aszimmetrikus molekulák pedig úgy rendeződnek, hogy a töltésmegosztásuk nem átlagolódik ki, hanem összeadódik, így az anyagnak spontán elektromos polarizációja lesz. A HUN-REN honlapja szerint nagyjából a mágneses folyadékok (ferrofluidok) elektromos verzióiként lehet elképzelni őket,
és bár a létezésüket már több mint száz éve megjósolták, csak 2017-ben sikerült először ilyen anyagot szintetizálni.
A HUN-REN Wigner Fizikai Kutatóközpont kutatói, Salamon Péter és Máthé Marcell Tibor most ezeket a ferroelektromos nematikus folyadékkristályokat vizsgálták meg, az eredményeiket pedig a Nature Communications szakfolyóiratban publikálták. A kutatók megfigyelték, hogy a folyadékcseppek felülete elektromos mezőben instabillá válik, és fraktálszerű folyadéknyúlványok alakulnak ki rajta. Nagyobb feszültség hatására még extrémebben viselkedtek: az ismert cseppforma helyett bonyolult, labirintusra emlékeztető struktúrát alkottak.
Az is kiderült, hogy váltófeszültséggel, egy bizonyos frekvenciatartományban a cseppek különböző alakokat felvéve elkezdenek mozogni. Ezt a mechanikai rezgést hangkibocsátás is kíséri. A mozgás során a cseppek egymást taszítva részecskékként ütköznek, és olyan aktív objektumokra hasonlítanak, mint a rajzó rovarok, mikrobák vagy mikrorobotok. A cseppek mozgását szabályozni is tudták feszültséggel, így a jelenségnek gyakorlati haszna lehet az orvosi diagnosztikában, a kémiai analízisben és a biotechnológiában is.
Szintén a ferroelektromos nematikus folyadékkristályokat vizsgálták az amerikai Kent State University kutatóival megvalósult együttműködésben is, melynek eredményeit az Advanced Functional Materials szakfolyóiratban tették közzé. Itt a világon elsőként mutatták ki az inverz piezoelektromosság jelenségét háromdimenziós folyadékokban. Az effektus lényege, hogy a ferroelektromos nematikus folyadékra feszültséget kapcsolva, a feszültséggel egyenes arányban az anyag mechanikai elmozdulást mutat. A jelenség fordítva is működik: ekkor mechanikai deformáció hatására elektromos töltések keletkeznek a felületén.
Kiderült továbbá, hogy az anyag piezoelektromos tulajdonságai kiemelkedőek, annak ellenére, hogy nem is szilárd halmazállapotú. A ferroelektromos nematikus folyadékkristályok elektromechanikai válaszának megértése lehetővé teszi a mechanikai energia kinyerését, és új utat nyit a folyadékaktuátorok, mikropozicionálók és elektromosan hangolható optikai lencsék kifejlesztéséhez – olvasható a HUN-REN honlapján.
