Fase nematica: una nuova scoperta dopo un’attesa di 100 anni

Esistono molte fasi del cristallo liquido e una delle più tipiche è la fase nematica. Questa è la fase che consente alla tecnologia dei cristalli liquidi di funzionare. È facile quindi comprendere perché gli scienziati siano così tanto interessati a essa. Il nome esatto di questa fase è “fluido nematico ferroelettrico” e fu proposto per la prima volta dai premi Nobel Peter Debye e Max Born negli anni ’10. Più di 100 anni dopo, la sua presentazione da parte di ricercatori statunitensi, potrebbe aprire le porte a importanti progressi in aree che vanno dai semplici schermi alla memoria dei computer.

Fase nematica, cos’è di preciso?

I cristalli liquidi mostrano proprietà sia dei liquidi convenzionali sia dei cristalli solidi e sono composti da molecole a forma di bastoncino, che portano una carica positiva a un’estremità e una carica negativa all’altra. Una delle fasi più semplici per l’esistenza di questo materiale è la fase nematica, che gli scienziati hanno studiato per quasi cinque decenni. In questa fase metà delle molecole allinea le proprie estremità cariche positivamente in una direzione, mentre l’altra metà punta nella direzione opposta. Ad ogni modo la direzione che assumono è del tutto casuale. Ma i fisici hanno teorizzato una disposizione più ordinata, in cui si formavano patch o “domini” di molecole orientate in modo simile, noto anche come ordinamento polare. Debye e Born suggerirono uno stato di ordine polare spontaneo per i cristalli liquidi, nelle loro ricerche rispettivamente del 1912 e del 1916. I cristalli solidi si sono comportati in maniera simile in altri esperimenti. Quando veniva applicato un campo elettrico le direzioni uniformi delle molecole potevano essere invertite e da allora questa proprietà è conosciuta come “ferroelettricità”.

I domini di molecole orientate in modo simile appaiono come diamanti in questa immagine della fase del cristallo liquido. SMRC

Stato fluido nematico ferroelettrico

La ricerca della sfuggente fase nematica ferroelettrica di un cristallo liquido è continuata per quasi un secolo, ma nel 2017 una nuova molecola organica, chiamata RM734, ha mostrato un comportamento alquanto strano. A temperature più elevate si mostrava in una fase a cristalli liquidi nematica, ma a temperature più basse è stata osservata una fase insolita. Ecco dove entra in gioco la nuova ricerca, pubblicata su Proceedings of the National Academy of Sciences. Alla ricerca della strana fase di RM734, gli scienziati  hanno notato, con l’aiuto di un microscopio, che sotto un debole campo elettrico apparivano colori vivaci attorno ai bordi della cella contenente il cristallo liquido. Ulteriori test hanno dimostrato che questa fase di RM734 era molto più sensibile ai campi elettrici rispetto ai normali cristalli liquidi nematici, tra le 100 e le 1.000 volte in più. Questa marcata risposta ha determinato i cambiamenti di colore osservati.

Riferimento del materiale senza applicazione di un campo elettrico (al centro), in un campo positivo (a sinistra) e in un campo negativo (a destra), le molecole opposte ruotano causando un significativo cambiamento di colore. Chen et al., 2020 / PNAS

Fase nematica “spiata”

Questo comportamento ha indicato al team che le molecole nel cristallo liquido hanno mostrato un forte ordine polare. Ma il team aveva bisogno di maggiori prove dell’esistenza della fase, volevano davvero vedere le “chiazze” di molecole allineate. Quando hanno raffreddato RM734 partendo da una temperatura più elevata, hanno visto domini di diamanti distinti formarsi spontaneamente davanti ai loro occhi, con le molecole allineate in un modo “straordinariamente” uniforme.

Il dott. Noel Clark, direttore dell’SMRC dell’Università del Colorado Boulder, in una nota ha dichiarato:

Ciò ha confermato che questa fase era, in effetti, un fluido nematico ferroelettrico.

Sono passati cento anni e la ricerca potrebbe essere finita, ma il lavoro sicuramente non lo è. Usando simulazioni al computer, il team spera di capire esattamente cosa consente a RM734 di esibire questa particolare fase. Ma le possibilità offerte dalla loro scoperta sono già evidenti. Ci sono 40.000 articoli di ricerca sulla nematica e quasi ognuno di essi mostra nuove interessanti possibilità. Continuate a seguirci!