Ferroelektriska nematiska vätskor

Forskningsprojekt, 2024 – 2027

I skolan lär vi oss att ämnen har tre olika tillstånd, fast, flytande och gasform. I en kristall sitter molekylerna regelbundet ordnade i ett 3-dimensionellt mönster medan de i en vätska rör sig huller om buller. Men det finns materialtillstånd som är ett mellanting. Dessa kombinerar fluiditet med orienterings- och positionsordning och kallas vätskekristaller (eng. liquid crystals, LCs). De första vätskekristallerna upptäcktes under slutet av 1800-talet men det tog flera decennier innan forskarna förstod hur de var uppbyggda.Ett krav för att vätskekristaller skall kunna bildas är att molekylerna är anisometriska, typiskt avlånga. Den enklaste LC-fasen kallas nematisk och har endast orienteringsordning;  molekylerna vill vara parallella med varandra, men de är fria att röra sig som i en vätska. Detta ger dem speciella elektrooptiska egenskaper, vilka framgångsrikt används i bildskärmar (LCD).I mer än 100 år har man vetat att en nematisk vätskekristall är opolär; även om varje molekyl kan ha en inneboende riktning, som en knappnål, så är det alltid lika många nålar som pekar åt endera hållet. Men nu har amerikanska forskare upptäckt att det går att skapa nematiska material där alla molekylerna pekar åt samma håll. Denna polära ferroelektriska nematiska fas har nya, oerhört intressanta egenskaper. Ferroelektriska nematiska vätskor är alltså både ett nytt material och ett hett forskningsområde och kemiföretaget Merck i Tyskland har arrangerat en tävling rörande innovationer baserade på dessa material. Men i alla sådana tillämpningar måste man förstå hur vätskekristallerna orienteras på de ytor som måste omsluta dem. Vi ämnar med olika metoder skapa ytor och strukturer för att styra den polära riktningen på olika sätt. Kanske kan vi t.ex. hitta ett sätt att utvinna elektrisk energi ur mekanisk rörelse med hjälp av kläder som innehåller ferroelektriska nematiska strukturer, och kraftfulla optiska och elektriska komponenter som inte har kunnat realiseras förut.