Większość z nas nie zastanawia się nad faktem, że w smartfonach czy laptopach to właśnie wyświetlacz zużywa najwięcej energii, powodując szybkie rozładowywanie baterii urządzenia. Podobnie w budynkach – największe straty energii wiążą się z oknami, które mają słabe własności izolacyjne. Dlatego poszukiwanie nowych materiałów, które pozwalają w kontrolowany sposób przepuszczać światło i ciepło przy minimalnym zużyciu energii elektrycznej, budzi tak duże zainteresowanie naukowców.
Ferronematyki – materiały przyszłości
Cząsteczki tworzące ciekłe kryształy są zazwyczaj sztywne i silnie wydłużone. Często mają również charakter dipoli elektrycznych, czyli obiektów, w których ładunki elektryczne są rozdzielone pomiędzy dwa bieguny – dodatni i ujemny.
W zwykłej cieczy, ale tez większości ciekłych kryształów, takie dipole są ułożone przypadkowo. Ferroelektryk (łac. ferrum – żelazo) to materiał, w którym dipole elektryczne zaczynają porządkować swoje orientacje, wskazując wspólny kierunek – niczym igły maleńkich kompasów ustawiające się zgodnie z polem magnetycznym. Dzięki temu ferroelektryki reagują nawet na bardzo słabe pola elektryczne: wystarczy niewielkie napięcie, aby cała struktura się „przełączyła”, czyli zmieniła orientację. W praktyce umożliwia to precyzyjne sterowanie właściwościami materiału – na przykład sposobem, w jaki przepuszcza lub odbija światło.
Przez wiele lat sądzono, że stan ferroelektryczny można uzyskać jedynie w materiałach o wysokim stopniu uporządkowania – takich jak kryształy stałe, w których atomy i cząsteczki tworzą regularną sieć. Przełom nastąpił w 2017 roku, gdy dwie grupy badawcze – z Japonii i Anglii – niezależnie od siebie zaobserwowały to zjawisko w nematyku, czyli ciekłym krysztale o najmniejszym stopniu uporządkowania. Nematyk to wciąż ciecz, mimo że tworzące go cząsteczki są uporządkowane wzdłuż wspólnego kierunku.
Połączenie właściwości ferroelektryka i nematyka nazwano ferronematykiem. Można to porównać do próby połączenia własności cieczy z namagnesowaniem: z jednej strony materiał zachowuje płynność, a z drugiej – wszystkie jego „mikroskopijne magnesy” ustawiają się zgodnie w jednym kierunku.
– Nic więc dziwnego, że od momentu odkrycia rozpoczęły się intensywne badania nad tym niezwykłym materiałem – mówi prof. Ewa Górecka.
– Znaliśmy ferroelektryczność w ciekłych kryształach, ale nie w fazie, która jest właściwie cieczą. Nematyk, gdy wylewany jest z butelki płynie, a mimo to ma uporządkowane dipole! Wszystkie cząsteczki mają wspólny kierunek swych długich osi, ale także wspólny kierunek dipoli elektrycznych – opisuje badaczka przełomowość odkrycia.
Ferroelektryczne nematyki są więc trochę jak T-1000 z Terminatora 2 – mają cechy uporządkowanego kryształu, ale zachowują płynność cieczy. Dzięki temu łączą w sobie przeciwstawne właściwości obu światów.
Znaczenie ferronematyków dla społeczeństwa
Odkrycie ferroelektrycznych nematyków wzbudziło ogromne zainteresowanie zarówno wśród teoretyków, którzy próbują zrozumieć mechanizmy rządzące uporządkowaniem dipoli, jak i wśród naukowców poszukujących dla nich praktycznych zastosowań. Jednym z najbardziej oczywistych kierunków są wyświetlacze ciekłokrystaliczne, które dzięki takim materiałom mogłyby zużywać znacznie mniej energii niż obecne ekrany w smartfonach, tabletach, komputerach czy telewizorach.
Innym obiecującym zastosowaniem są folie PDLC (ang. polymer-dispersed liquid crystals), czyli cienkie warstwy tworzywa sztucznego, w którym rozproszone są drobne krople ciekłego kryształu. Takie folie są już produkowane na masową skalę – głównie w Chinach – i stosowane m.in. w oknach czy biurowych ściankach działowych. Umożliwiają one regulację przepuszczalności światła, a więc także stopnia prywatności, poprzez zmianę przyłożonego napięcia elektrycznego.
Problem w tym, że do takiego „przełączenia” potrzeba stosunkowo dużo energii, ponieważ obecne folie wytwarzane są z materiałów mniej efektywnych niż ferronematyki. Zastąpienie ich nowym rodzajem ciekłych kryształów mogłoby znacząco zwiększyć wydajność tej technologii, obniżyć jej koszty, a tym samym – uczynić ją bardziej dostępną.
Polscy naukowcy z Uniwersytetu Warszawskiego intensywnie pracują dziś nad tym, jak najefektywniej rozproszyć krople ferronematyku w strukturze folii. Pomagają im w tym surfaktanty – środki powierzchniowo czynne, znane chociażby z detergentów – które ułatwiają kontrolę nad kształtem i rozmiarem takich mikroskopijnych kropli.
Wyzwania w pracy nad ferroelektrycznymi nematykami
– Wyzwań związanych z badaniami nowych materiałów jest całkiem sporo – i tylko część z nich ma charakter czysto naukowy. Wiemy już, że istnieje wiele rodzajów ferroelektrycznych nematyków. Oprócz tych najprostszych są także takie o strukturze periodycznej, np. z domenami o przeciwnie skierowanych momentach dipolowych, albo takie, w których dipole tworzą układy spiralne. Często trafiamy na materiały zachowujące się w sposób zupełnie nieoczekiwany – opowiada prof. Ewa Górecka.
Fascynującym zagadnieniem jest samo zachowanie dipoli. Gdy badacze próbują uporządkować je za pomocą pola elektrycznego, cząsteczki niechętnie układają się tak, by ładunki mogły gromadzić się na powierzchni. W efekcie proces „przełączania”, kluczowy np. w działaniu wyświetlaczy, okazuje się znacznie bardziej złożony, niż przewidywały modele. Natura bywa nieprzewidywalna.
Problemem jest technika, a w polskich realiach pieniędzy na badania jest coraz mniej. Coraz poważniejszym wyzwaniem staje się stan aparatury badawczej. Znaczna część pomiarów prowadzona jest na urządzeniach zakupionych wiele lat temu. Od tego czasu technologia pomiarowa rozwinęła się ogromnie, a sprzęt, który kiedyś pozwolił badaczom dokonać naukowego skoku, dziś coraz częściej staje się barierą dalszego rozwoju.
Co dalej?
Cytując prawo inżyniera Mamonia z filmu Rejs: „Proszę pana, ja jestem umysł ścisły. Mnie się podobają melodie, które już raz słyszałem.” Nie inaczej bywa często z naukowcami – lubią badać to, co już znają, i wcale nie tak często wychodzą, jak to się dziś modnie mówi, poza swoją „strefę komfortu”.
– Kiedy jednak naukowiec pracuje w jakimś temacie i nagle wchodzi w nowy obszar, może w bardzo kreatywny sposób wykorzystać swoje wcześniejsze doświadczenia. Nam zdarzyło się to już kilka razy. Wchodziliśmy w zupełnie nieznane nam dziedziny, ale dzięki wiedzy zdobytej wcześniej, potrafiliśmy dostrzec coś niezwykłego – mówi prof. Ewa Górecka.
Historia ferronematyków pokazuje więc, że innowacje rodzą się często z odwagi. Jeszcze kilka lat temu sama idea ferroelektryczności w cieczy wydawałaby się herezją. Dziś ferronematyki uznawane są za jeden z najbardziej obiecujących materiałów – choć naukowcy wciąż muszą rozwikłać wiele zagadek i dopracować metody ich badania.
Prof. Ewa Górecka podkreśla, w nauce najważniejsze jest nie bać się nowych tematów.
