Kiedy chemik opowiada o krysztale, ma na myśli nie tyle samą substancję, ile sposób, w jaki ułożone są jej cząsteczki. Trochę jak klocki LEGO, poukładane według wzoru powtarzającego się we wszystkich trzech wymiarach. To ścisłe uporządkowanie sprawia, że kryształy – poza tym, że są bardzo twarde – mają swój charakterystyczny kształt i właściwości zależne od kierunku obserwacji. Przykłady to chociażby sól, diament czy kryształ górski. Ale nie wszystko, co nazywamy potocznie „kryształem”, jest nim tak naprawdę. Na przykład szklanka z „kryształowego” serwisu babci nie posiada struktury krystalicznej – to tylko szkło z dodatkiem tlenku ołowiu, pięknie szlifowane, by błyszczało jak prawdziwy kryształ.
Tym, czego o kryształach zazwyczaj nie wiemy, jest fakt że mogą występować w różnych strukturach przestrzennych. W fizyce materiałowej nazywamy to fazami.
Istnieje też klasa materiałów nazywanych ciekłymi kryształami. Choć ta nazwa brzmi jak oksymoron, dość dobrze opisuje ich niezwykłe właściwości: z jednej strony zachowują się one jak ciecze, czyli np. przybierają kształt naczynia, w którym się znajdują, ale z drugiej strony mają uporządkowaną strukturę molekuł. Ciekłe kryształy są intensywnie badane już od ponad 100 lat, wciąż jednak odkrywane są nowe typy struktur. Nowymi rodzajami ciekłych kryształów zajmuje się zespół naukowców z Wydziału Chemii UW we współpracy z Wojskową Akademią Techniczną.
Prawoskrętny czy lewoskrętny?
Naukowcy nazwali ten nowy typ struktury helikonikalną ferroelektryczną fazą nematyczną (ang. heliconical ferroelectric nematic phase). Pojęcie “helikonikalna” odnosi się do charakterystycznej skręconej struktury w kształcie helisy. Chodzi o spiralny kształt, przypominający rozciągniętą sprężynę, która spontanicznie powstaje w tej fazie. Nowy ciekły kryształ posiada jednocześnie dwie cechy, jest chiralny i ferroelektryczny. Chiralność to cecha obiektu, oznaczająca, że nie da się go nałożyć na jego lustrzane odbicie. Mówiąc prościej, to taka „prawo-” i „leworęczność” obiektów.
W chemii – a zwłaszcza w chemii organicznej – kształt cząsteczki ma ogromne znaczenie. W przypadku substancji chiralnych jest tak, jakbyśmy mieli dwa klucze do zamka z identycznymi ząbkami, ale jeden był skręcony w przeciwną stronę. Klucze są teoretycznie takie same, jednak tylko tym jednym uda się nam otworzyć drzwi. Dokładnie tak samo działa to w przyrodzie. Pojedyncze białka potrafią rozpoznać jedną wersję chiralnej cząsteczki, ale druga – choć „chemicznie” taka sama – może być nieskuteczna albo wręcz toksyczna. Najgłośniejszy przypadek to talidomid, który był sprzedawany w latach 50. jako bezpieczny lek przeciwbólowy i często podawany kobietom w ciąży. Jedna wersja chiralna substancji aktywnej leku likwidowała nudności, druga powodowała ciężkie wady wrodzone u płodów. Na skutek wymieszania w leku obu zwierciadlanych form, na świat przyszło około 12 000 dzieci z poważnymi deformacjami kończyn.
Życie na Ziemi zawsze wykorzystuje tylko jedną „wersję” chiralnych cząsteczek – np. wyłącznie L-aminokwasy (z łac. laevus – lewy) i D-cukry (z łac. dexter – prawy). Dlaczego? Tego do końca nie wiadomo. Jedna z teorii mówi, że w pewnym momencie powstała niewielka przewaga jednej wersji nad drugą i w ten sposób „wygrała” ewolucyjny wyścig. To dlatego materiały, które wykazują spontaniczne powstawanie chiralności – jak nowy ciekły kryształ – są dla naukowców tak ważne. Mogą pomóc zrozumieć, jak i dlaczego życie wybrało jedną drogę zamiast drugiej. Obserwowanie tego w helikonikalnej ferroelektrycznej fazie nematycznej jest niezwykle proste – płynny materiał „wybiera” stronę skrętu losowo.
Chiralność, którą da się zaobserwować w ciekłym krysztale badanym przez naukowców z UW i WAT, to niejedyna wyjątkowa cecha tego materiału. Kolejną jest ferroelektryczność – uporządkowanie momentów dipolowych molekuł (ładunków elektrycznych na końcach molekuł) – która powoduje że materiał bardzo silnie reaguje na zewnętrzne pole elektryczne. Chociaż takie właściwości wykazuje wiele kryształów, to naszym badaczom udało się – po raz pierwszy – zaobserwować materiał ciekłokrystaliczny, który jest płynny, ferroelektryczny i skręcony w helisę jednocześnie. Taka kombinacja właściwości w cieczy nigdy wcześniej nie była znana i wynika z silnych oddziaływań elektrycznych między cząsteczkami.
Jedną z niezwykłych właściwości nowej struktury jest jej zdolność do odbijania światła o określonej barwie, co więcej barwę tę można łatwo zmieniać pod wpływem nawet słabego pola elektrycznego.
Rozmaitość zastosowań nowego materiału
– Odkryty i opisany przez nas nowy typ fazy ciekłokrystalicznej łączy dwa fascynujące zjawiska: spontaniczne złamanie symetrii lustrzanej, czyli pojawienie się chiralności, oraz ferroelektryczne uporządkowanie dipoli elektrycznych – a wszystko to w fazie ciekłej – wyjaśnia prof. Damian Pociecha i dodaje, że odkrycie to jest nie tylko przełomowe z punktu widzenia nauki o miękkiej materii, ale również otwiera możliwości nowych zastosowań, np. w technologiach elektrooptycznych.
Tego typu technologie towarzyszą nam na co dzień, m. in. we wszelkiego rodzaju wyświetlaczach. Dzięki wysokiej podatności helikonikalnej ferroelektrycznej fazy nematycznej na słabe pole elektryczne możliwa będzie precyzyjna kontrola obrazu przy minimalnym zużyciu energii. Odkrycie badaczy z UW będzie można również wykorzystać w najnowszych generacjach aparatów, soczewek czy… rolet okiennych, które będą w stanie precyzyjnie dopasować poziom przyciemnienia pomieszczenia, bez straty widoczności i przejrzystości.
Dalsze badania
Odkrycie ferroelektrycznego chiralnego materiału ciekłokrystalicznego przez polskich naukowców zostało ogłoszone w prestiżowym międzynarodowym czasopiśmie „Science”. W świecie chemii okazało się to prawdziwą sensacją. Dzięki temu od czasu publikacji z czerwca 2024 badania nad nowym typem ferroelektrycznej fazy nematycznej znacznie się rozwinęły. Niezależne zespoły z całego świata potwierdziły istnienie tej struktury. Zsyntetyzowano ponad 60 nowych związków chemicznych tworzących tę fazę, w tym takie, które tworzą ją w szerszym zakresie temperatur, co przybliża je do zastosowań praktycznych.
