Una esquiva fase de la materia, propuesta hace 100 años y buscada desde entonces, ha sido descubierta en el Centro de Investigación de Materiales Blandos (SMRC) de la Universidad de Colorado Boulder.
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El equipo describe el descubrimiento de lo que los científicos llaman una fase “nemática ferroeléctrica” de cristal líquido en un estudio publicado en PNAS. El descubrimiento “abre una puerta a un nuevo universo de materiales”, dijo el coautor Matt Glaser, profesor del Departamento de Física.
Los cristales líquidos nemáticos han sido un tema candente en la investigación de materiales desde la década de 1970. Estos materiales exhiben una curiosa mezcla de comportamientos similares a fluidos y sólidos, que les permiten controlar la luz. Los ingenieros los han usado ampliamente para hacer pantallas de cristal líquido (LCD) en muchas computadoras portátiles, televisores y teléfonos celulares.
Piense en los cristales líquidos nemáticos como dejar caer un puñado de alfileres sobre una mesa, explica la universidad en un comunicado. Las clavijas en este caso son moléculas en forma de barra que son “polares”, con cabezas (los extremos romos) que llevan una carga positiva y colas (los extremos puntiagudos) que están cargadas negativamente. En un cristal líquido nemático tradicional, la mitad de los pines apuntan a la izquierda y la otra mitad a la derecha, con la dirección elegida al azar.
Sin embargo, una fase ferroeléctrica de cristal líquido nemático es mucho más disciplinada. En dicho cristal líquido, se forman parches o “dominios” en la muestra en la que todas las moléculas apuntan en la misma dirección, ya sea derecha o izquierda. En el lenguaje de la física, estos materiales tienen un orden polar.
Noel Clark, profesor de física y director del SMRC, dijo que el descubrimiento de su equipo de uno de esos cristales líquidos podría abrir una gran cantidad de innovaciones tecnológicas, desde nuevos tipos de pantallas hasta la memoria reinventada de la computadora.
“Hay 40.000 trabajos de investigación sobre nemática, y en casi cualquiera de ellos ves nuevas posibilidades interesantes si la nemática hubiera sido ferroeléctrica”
… dijo Clark.
Los premios Nobel Peter Debye y Max Born sugirieron por primera vez en la década de 1910 que, si diseñaba un cristal líquido correctamente, sus moléculas podrían caer espontáneamente en un estado polar ordenado. Poco después, los investigadores comenzaron a descubrir cristales sólidos que hicieron algo similar: sus moléculas apuntaban en direcciones uniformes. También podrían invertirse, voltearse de derecha a izquierda o viceversa bajo un campo eléctrico aplicado. Estos cristales sólidos se llamaron “ferroeléctricos” debido a sus similitudes con los imanes.
Sin embargo, en las décadas posteriores, los científicos lucharon por encontrar una fase de cristal líquido que se comportara de la misma manera. Es decir, hasta que Clark y sus colegas comenzaron a examinar RM734, una molécula orgánica creada por un grupo de científicos británicos hace varios años.
Ese mismo grupo británico, más un segundo equipo de científicos eslovenos, informó que RM734 exhibió una fase de cristal líquido nemático convencional a temperaturas más altas. A temperaturas más bajas, apareció otra fase inusual.
Cuando el equipo de Clark intentó observar esa extraña fase bajo el microscopio, notaron algo nuevo. Bajo un campo eléctrico débil, se desarrolló una paleta de colores llamativos hacia los bordes de la celda que contiene el cristal líquido.
“Fue como conectar una bombilla de luz al voltaje para probarlo, pero descubriendo que el enchufe y los cables de conexión brillan mucho más intensamente”
… señaló Clark.
Los investigadores realizaron más pruebas y descubrieron que esta fase de RM734 era 100 a 1,000 veces más sensible a los campos eléctricos que los cristales líquidos nemáticos habituales. Esto sugirió que las moléculas que componen el cristal líquido demostraron un fuerte orden polar.
“Cuando todas las moléculas apuntan hacia la izquierda, y todas ven un campo que dice ‘ve a la derecha’, la respuesta es drástica”
…. comentó Clark.
El equipo también descubrió que dominios distintos parecían formarse espontáneamente en el cristal líquido cuando se enfría desde una temperatura más alta. En otras palabras, había parches dentro de su muestra en los que las moléculas parecían estar alineadas.
“Eso confirmó que esta fase era, de hecho, un fluido nemático ferroeléctrico”
… afirmó Clark. Esa alineación también fue más uniforme de lo que el equipo esperaba.
“La entropía reina en un fluido (…) Todo se mueve, así que esperábamos mucho desorden”.
… añadió Joe MacLennan, coautor del estudio y profesor de física en CU Boulder.
Cuando los investigadores examinaron cómo de bien alineadas estaban las moléculas dentro de un solo dominio, “sorprendió el resultado”, dijo MacLennan. Casi todas las moléculas apuntaban en la misma dirección.
El próximo objetivo del equipo es descubrir cómo RM734 logra esta rara hazaña. Glaser y el investigador de SMRC Dmitry Bedrov, de la Universidad de Utah, están utilizando simulación por computadora para abordar esta cuestión.
“Este trabajo sugiere que hay otros fluidos ferroeléctricos escondidos a la vista (…) Es emocionante que en este momento estén surgiendo técnicas como la inteligencia artificial que permitirán una búsqueda eficaz”.
… concluyó Clark.
Una física reproduce el quinto estado de la materia desde la sala de su casa
