Phương pháp mới đảo ngược việc tự lắp ráp các tinh thể lỏng

Trong tinh thể lỏng, các phân tử tự động sắp xếp theo kiểu có trật tự. Các nhà nghiên cứu từ Đại học Luxembourg đã phát hiện ra một phương pháp cho phép một trạng thái chống trật tự, sẽ cho phép các tính chất vật liệu mới và các ứng dụng kỹ thuật mới, như cơ bắp nhân tạo cho robot mềm. Họ đã công bố phát hiện của họ trên tạp chí khoa học Advances .

Nhóm nghiên cứu của Giáo sư Jan Lagerwall tại Đại học Luxembourg nghiên cứu các đặc tính của tinh thể lỏng, có thể tìm thấy ở nhiều khu vực từ màng tế bào trong cơ thể đến màn hình hiển thị trong nhiều thiết bị điện tử. Vật liệu này kết hợp tính di động và tính linh hoạt giống như chất lỏng và trật tự tầm xa của các phân tử của nó; sau này là một tính năng điển hình của tinh thể rắn. Điều này mang lại những đặc tính đáng chú ý khiến các tinh thể lỏng trở nên linh hoạt đến mức chúng được chọn để thực hiện các chức năng quan trọng của tự nhiên và bởi các công ty tỷ đô.

Nhiều tính chất của vật liệu phụ thuộc vào cách sắp xếp các phân tử của nó. Từ cuối những năm 1930, các nhà vật lý sử dụng mô hình toán học để mô tả trật tự phân tử của tinh thể lỏng. Tham số thứ tự được gọi là gán một số cho biết các phân tử được sắp xếp tốt như thế nào. Mô hình này sử dụng một phạm vi tích cực để mô tả các tinh thể lỏng mà chúng ta đã quen. Nó cũng có thể chỉ định một phạm vi tiêu cực mô tả trạng thái “chống trật tự”, trong đó các phân tử sẽ tránh một hướng nhất định thay vì căn chỉnh dọc theo nó.

Cho đến nay, phạm vi tiêu cực này vẫn chỉ là giả thuyết, vì không có tinh thể lỏng nào phát triển trạng thái chống trật tự trong thực tế. Các lý thuyết tiêu chuẩn cho tinh thể lỏng cho thấy trạng thái như vậy là có thể, nhưng sẽ không ổn định. “Bạn có thể so sánh nó với một slide có một vết sưng rất nhẹ ở giữa. Bạn có thể chậm lại khi chạm tới vết sưng, trong trường hợp của chúng tôi là trạng thái chống trật tự không ổn định, nhưng không đủ để bạn dừng lại, và do đó bạn sẽ đi, Jan Lagerwall giải thích, tất cả đều đi đến trạng thái ổn định, mức năng lượng toàn cầu tối thiểu, nơi bạn chắc chắn sẽ kết thúc với trật tự tích cực.

Đây chính xác là những gì VSR Jampani, tác giả chính của bài báo và đồng nghiệp đã đạt được lần đầu tiên trong nghiên cứu của họ. Tiến sĩ Jampani nói: “Bí quyết để ngăn hệ thống đạt mức tối thiểu năng lượng toàn cầu là nhẹ nhàng trùng hợp nó thành một mạng kết nối lỏng lẻo trong khi nó được hòa tan trong một dung môi lỏng thông thường”. “Mạng này sau đó được kéo dài theo mọi hướng trong một mặt phẳng hoặc được nén dọc theo một hướng vuông góc với mặt phẳng, sao cho các phân tử tạo thành mạng thẳng hàng trong mặt phẳng, nhưng không có bất kỳ hướng cụ thể nào trong mặt phẳng đó.” Khi dung môi bị bay hơi các dạng pha tinh thể lỏng và do sự kéo dài trong mặt phẳng đặc biệt của mạng, nó buộc phải áp dụng trạng thái tham số thứ tự âm trong đó các phân tử tránh hướng của mặt phẳng tới mặt phẳng. “

Khi mạng được tăng cường bởi vòng trùng hợp thứ hai, hành vi như một hàm của nhiệt độ có thể được nghiên cứu. “Mạng tinh thể lỏng rất hấp dẫn đối với tham số thứ tự dương cũng như âm, bởi vì thứ tự – hoặc chống trật tự – kết hợp với mạng polymer cho phép nó tự thay đổi hình dạng theo sự thay đổi nhiệt độ. Mạng tinh thể lỏng là thực sự là một loại cao su kéo dài hoặc co giãn mà không cần bất kỳ ai tác dụng lực “, giáo sư Lagerwall nói. Nó chỉ ra rằng hành vi của cao su tinh thể lỏng tham số thứ tự âm hoàn toàn ngược lại với cao su tinh thể lỏng thông thường. “Về mặt quang học, khi cao su tinh thể lỏng bình thường hiển thị một màu nhất định giữa các bản phân cực chéo, phiên bản tham số thứ tự âm hiển thị màu bổ sung.

Các nhà nghiên cứu đã tạo ra các cao su lỏng tinh thể tham số thứ tự âm của chúng dưới dạng vỏ hình cầu có kích thước milimet, sau đó chúng cắt thành các mảnh nhỏ hơn với nhiều hình dạng khác nhau. Tùy thuộc vào cách cắt được thực hiện, một loạt các hành vi thay đổi hình dạng có thể được nhận ra, cho thấy hệ thống có thể hoạt động như một “cơ cấu chấp hành” mềm, thực sự là một cơ nhân tạo. Bởi vì cao su tinh thể lỏng thứ tự âm và dương hoạt động theo những cách ngược nhau, điều này mở ra những cách thú vị để kết hợp cả hai, để tạo ra một bộ truyền động tổng hợp hiệu quả hơn, ví dụ như cho robot mềm. Khi bộ chấp hành thứ tự tích cực phản ứng chậm, thì thứ tự tiêu cực sẽ kích hoạt nhanh và ngược lại. Từ quan điểm vật lý cơ bản,

Nguồn tin tức:

Tài liệu được cung cấp bởi Đại học Luxembourg . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.

Tạp chí tham khảo :

1. VSR Jampani, RH Volpe, K. Reguengo de Sousa, J. Ferreira Machado, CM Yakacki, JPF Lagerwall. Thiết bị truyền động vỏ tinh thể lỏng với thông số thứ tự âm . Tiến bộ khoa học, 2019; 5 (4): eaaw2476 DOI: 10.1126 / sciadv.aaw2476