Mówi się, że kto ma informację, ten ma władzę. Odkrycia w dziedzinie elektrooptyki pozwalają doprecyzować to stwierdzenie. Otóż władzę ma przede wszystkim ten, do kogo informacja dotrze najwcześniej. Na świecie prowadzone są więc intensywne badania usprawniające proces przesyłania danych. Jedno z interesujących rozwiązań zaproponowali naukowcy z Uniwersytetu Śląskiego – prof. dr hab. Antoni Kocot oraz dr Katarzyna Merkel z Wydziału Nauk Ścisłych i Technicznych zajmujący się nematycznymi materiałami ciekłokrystalicznymi.

Prof. dr hab. Antoni Kocot oraz dr Katarzyna Merkel z Wydziału Nauk Ścisłych i Technicznych Uniwersytetu Śląskiego

Odkrywane na nowo

W nauce nierzadko dochodzi do sytuacji, w której naukowcy porzucają na pewien czas dany temat, sądząc, iż został on wyczerpany i nie da się go już dalej rozwijać. Taki los spotkał nematyki – materiały z powodzeniem stosowane od lat w wyświetlaczach ciekłokrystalicznych wykorzystujących technologię LCD do wyświetlania obrazów. Są wszechobecne – w telefonach komórkowych, monitorach, aparatach cyfrowych czy telewizorach wielkoekranowych. Klasyczne nematyki znane są od ponad 80 lat. Ich elektrooptyczne właściwości zostały opisane w latach 60. XX wieku. Od tamtej pory naukowcy poszukiwali ich praktycznych zastosowań.

– Rozwijająca się wciąż technika wymagała zarówno badania właściwości, jak i modyfikowania struktury tych materiałów, co stanowi również przedmiot naszych naukowych dociekań. W pewnym momencie wydawało się, że zainteresowanie tymi materiałami spada. Kolejne zaskakujące odkrycia sprawiają jednak, że znów spoglądamy na nie z zaciekawieniem – mówi fizyk prof. dr hab. Antoni Kocot.

Każde z odkryć przybliża nas do głębszego zrozumienia fazy nematycznej. Badania prowadzone przez naukowców z Uniwersytetu Śląskiego koncentrują się przede wszystkim na analizie fizycznych właściwości tych materiałów w relacji do ich struktury. Prowadzone są między innymi dzięki obserwacji dynamiki procesów molekularnych. Poznanie tych właściwości pozwala wskazać między innymi potencjalne zastosowania ich w urządzeniach elektrooptycznych nowej generacji.

Zapałki i banany

Zacznijmy od tego, co kryje się pod nazwą nematyki. Jak wyjaśnia dr Katarzyna Merkel, są to substancje znajdujące się w fazie nematycznej, w której molekuły są ułożone w pewien określony sposób w ciekłym krysztale.

– Cząsteczki muszą przyjmować wydłużony kształt. Wyobraźmy sobie molekuły przypominające zapałki. Taki kształt nazywamy prętopodobnym. Gdy rzucimy je swobodnie na przykład na wodę, ich rozkład będzie przypadkowy. Jeśli zaczniemy tę ciecz ściskać, wówczas zaczną się one samoczynnie układać w jednym, określonym kierunku. Tak samo dzieje się z molekułami, a stan, w którym są one ułożone w jednym kierunku, nazywamy fazą ciekłokrystaliczną – tłumaczy badaczka.

Większość molekuł w tej fazie ma kształt prętopodobny. Zdarzają się jednak i takie, które przypominają... banany. Są zatem lekko zgięte. Zasadnicza różnica dotyczy rotacji wokół osi takiej cząsteczki. Molekuły o prętopodobnym kształcie charakteryzują się swobodną rotacją wokół własnej osi. Ta właściwość nie dotyczy jednak molekuł o kształcie banana. Podczas rotacji nie ma jednego wyróżnionego kierunku, pojawia się natomiast przestrzenne orientowanie się cząsteczek wokół krótszej lub wokół dłuższej osi. Jeśli dodatkowo w układzie obecne są wiązania czy grupy funkcyjne mające ładunek elektryczny, wówczas i one będą przestrzennie korelować z orientacją molekuł. Otwiera się tym samym możliwość przestrzennej modulacji układu, który łatwo daje się sterować przy zastosowaniu na przykład pola elektrycznego.

Nietypowe struktury chiralne

Wyobrażenie przestrzenne modulowanej fazy nematycznej utworzonej przez molekuły bananopodobne

Kształt molekuł i ich przestrzenny rozkład mają kluczowe znaczenie dla właściwości materiału, wpływają bowiem na tworzenie się faz, w tym fazy nematycznej skręconej – niezwykle interesującej pod względem aplikacyjności w elektrooptyce.

– Wyobraźmy sobie raz jeszcze molekuły o kształcie banana. Gdy zaczynają się porządkować, a dokładniej – stykać końcami, tworzą układy śrubowe przypominające helisę. To bardzo ciekawa sytuacja – mówi dr Katarzyna Merkel – mamy bowiem do czynienia z tzw. cząsteczką achiralną. Oznacza to, że molekuła wyjściowa i jej lustrzane odbicie są identyczne. Cząsteczki te tworzą jednak struktury chiralne. Z taką sytuacją mamy do czynienia w przypadku achiralnych desek, z których ktoś wykonał kręcone, a więc chiralne schody. To przełomowe odkrycie! – dodaje.

Takie złamanie symetrii dla bananopodobnych molekuł prowadzi do powstania nowego porządku nematycznego. Helisa otrzymana w wyniku uporządkowanych molekuł według ich długiej osi może być prawo- lub lewoskrętna. Na taki układ można następnie oddziaływać polem elektrycznym, co powoduje deformacje struktury i otwiera tym samym nową przestrzeń aplikacyjną opisywanych układów. Z powodzeniem mogą być wykorzystywane na przykład do budowania przetworników w telekomunikacji.

– Dochodzimy do istoty dokonanego odkrycia. Udało nam się zaobserwować i opisać nową, modulowaną przestrzennie nematyczną symetrię stanu podstawowego. Otóż bananopodobny kształt molekuł i sposób ich uporządkowania w fazie nematycznej wpływa na dynamikę całego układu. Owa dynamika zależy od podniesionej do kwadratu wartości skoku helisy. Dzięki tak uporządkowanemu układowi udało się skrócić kilkukrotnie skok helisy, co oznacza niezwykle szybką reakcję elektrooptyczną układu. Dzięki temu przesyłanie informacji może być nawet tysiąckrotnie szybsze w porównaniu do klasycznych materiałów nematycznych, a to daje możliwość kolejnych interesujących zastosowań – na przykład w przemyśle wojskowym – wyjaśnia prof. Antoni Kocot.

Zdaniem naukowców opisane w kilku ostatnich publikacjach naukowych wyniki badań potwierdzające dynamikę całego układu oraz związany z nią wyjątkowo krótki (submikrosekundowy) czas przełączania powinny wzbudzić także zainteresowanie aplikacyjne w obszarze telekomunikacji i technologii wyświetlaczy.

„Hot-papers”

Dr Katarzyna Merkel oraz prof. Antoni Kocot opisali ponadto interesujące zmiany struktury fazy nematycznej jako skutek działania efektów powierzchniowych oraz pola elektrycznego.

– Wyniki naszych badań opublikowane zostały w październiku 2019 roku w czasopiśmie „Physical Chemistry Chemical Physics”. Dodam, że w ciągu dwóch tygodni od daty ukazania się periodyku artykuł miał już ponad 200 wyświetleń i znalazł się na liście najchętniej czytanych – przyznaje dr Katarzyna Merkel.

– Naszym zdaniem wywołane polem elektrycznym czy magnetycznym dynamiczne przejścia prowadzące do tworzenia się nowych faz ciekłokrystalicznych stanowią podstawę przyszłych zmian w zakresie rozwoju technologii – podsumowuje naukowiec.

Projekt naukowy pt. „Nanostruktura i dynamika modów kolektywnych modulowanej fazy nematycznej. Własności elektrooptyczne i elastyczne” został dofinansowany w konkursie Narodowego Centrum Nauki.