Новый метод может помочь оценить величину отрицательного давления, создаваемого жидкими кристаллами в нанопорах

В дополнение к управлению квантовым вакуумом или Вселенной, отрицательное давление, хотя и имеет другую природу, также появляется в жидких кристаллах, ограниченных в нанопорах.

Отрицательное давление, создаваемое в нанопорах жидкими кристаллами, может значительно превышать 100 атмосфер. Вверху: стекло из нематической фазы жидкого кристалла, исследованное учеными из Института ядерной физики Польской академии наук в Кракове. (Фото предоставлено IFJ PAN)

Теперь в Институте ядерной физики Польской академии наук в Кракове впервые была представлена ​​методика, позволяющая впервые предсказать величину отрицательного давления, присутствующего в пространственно ограниченных жидкокристаллических системах.

Первоначально отрицательное давление кажется необычным явлением. На самом деле, это типично по своей природе и, более того, происходит в многочисленных масштабах. Космологическая постоянная – в масштабе Вселенной – отвечает за ускорение расширения пространства-времени. В растительном мире притяжение межмолекулярных сил, а не увеличение тепловых движений, обеспечивает приток воды к верхушкам деревьев всех деревьев выше 10 м. В квантовой сфере сила притяжения создается давлением виртуальных частиц ложного вакуума. Эта сила возникает, например, между двумя параллельными металлическими пластинами (хорошо известный эффект Казимира).

Факт появления отрицательного давления в жидких кристаллах, заключенных в нанопоры, уже был известен. Однако не было известно, как измерить это давление. Хотя мы также не можем сделать это напрямую, мы предложили метод, который позволяет надежно оценить это давление .

Доктор Томаш Розвадовски, первый автор исследования, Институт ядерной физики Польской академии наук

Это исследование было опубликовано в Журнал молекулярных жидкостей .

Жидкие кристаллы, названные 4CFPB, состоящие из молекул длиной 1,67 нм и молекулярным диаметром 0,46 нм, были исследованы польскими физиками. В Силезском университете в Катовице были проведены эксперименты без нанопор в условиях повышенного и нормального давления (примерно до 3000 атмосфер). Соответственно, в Лейпцигском университете (Германия) были исследованы системы в кремниевых мембранах с непересекающимися нанопорами диаметром 6 и 8 нм. Геометрия нанопор означала, что для небольшого числа молекул жидкого кристалла было пространство рядом друг с другом, а длинные оси располагались вдоль стенок канала.

Кроме того, эксперименты наблюдали изменения в многочисленных факторах жидких кристаллов (включая диэлектрическое поглощение и дисперсию). На основании измерений был сделан вывод, что повышение давления сопровождалось замедлением молекулярной подвижности. Тем не менее, чем уже каналы, в которых присутствовали молекулы жидких кристаллов в нанопорах, тем быстрее они перемещались. Кроме того, данные показали, что с увеличением давления плотность жидкокристаллических молекул также увеличивается, в то время как в нанопорах она уменьшается. Также наблюдалось изменение температуры, при которой жидкий кристалл изменился с жидкой изотропной фазы (молекулы случайно расположены в пространстве) на основную жидкокристаллическую фазу (нематическую; молекулы все еще расположены случайным образом, однако они располагают свои длинные оси в том же пути), а затем в стекловидную твердую фазу. Температуры фазовых переходов увеличивались с увеличением давления; однако температуры в нанопорах снизились.

С увеличением давления все параметры жидкого кристалла, которые мы исследовали, изменялись обратно пропорционально тому, как они изменялись в нанопорах с уменьшающимися диаметрами. Это говорит о том, что условия в нанопорах соответствуют пониженному давлению. Поскольку молекулы жидких кристаллов в каналах пытаются растянуть свои стенки, как если бы они расширялись, мы можем говорить об отрицательном давлении относительно атмосферного давления, которое сужает стенки.

Доктор Томаш Розвадовски, первый автор исследования, Институт ядерной физики Польской академии наук

Впервые наблюдаемые изменения физических параметров позволили предсказать значение отрицательного давления, возникающего в жидком кристалле, который заполняет нанопоры. Предполагая, что изменения являются линейными, было видно, что отрицательное давление, присутствующее в нанопорах, может достигать почти -200 атмосфер. Это на порядок выше отрицательного давления, связанного с потоком воды на деревьях.

Наше исследование носит фундаментальный характер, оно предоставляет информацию о физике явлений, происходящих в жидких кристаллах, ограниченных в нанопорах различного диаметра. Тем не менее, жидкие кристаллы имеют много применений, например, в дисплеях, оптоэлектронике и медицине, поэтому каждое новое описание того, как эти вещества ведут себя на наноуровне в таких специфических пространственных условиях, может содержать практическую информацию.

Доктор Томаш Розвадовски, первый автор исследования, Институт ядерной физики Польской академии наук

Грант SONATA от Национального научного центра финансировал исследование жидких кристаллов в пространственных ограничениях.

Источник: https://www.ifj.edu.pl/en/

Source link