Naukowcy z Wojskowej Akademii Technicznej opracowali nowy materiał organiczny. Związek 3JK, w którym ferroelektryczna faza nematyczna NF może występować w szerokim zakresie temperatur, zyska zastosowanie m.in. w nowoczesnych technologiach optycznych. Wyniki badań zostały opublikowane w czasopiśmie „Chemical Communications”.
W 2017 r. doszło do odkrycia nowej fazy nematycznej ciekłych kryształów wykazującej właściwości ferroelektryczne, formowanej w subtelny sposób przez polarne cząsteczki organiczne o wydłużonym kształcie. Od tego momentu zespoły naukowe angażują się w szeroko zakrojone badania nad syntezą organicznych materiałów charakteryzujących się tą trudno dostępną i możliwą do scharakteryzowania fazą nematyczną (NF).
„Efektem pracy naszych naukowców jest odkrycie nowych, wysoko fluorowanych związków organicznych, nie tylko wykazujących interesującą fazę nematyczną, lecz także charakteryzujących się szerokim zakresem temperaturowym oraz enancjotropowym charakterem tej fazy. To wyjątkowe odkrycie oznacza, że faza NF występuje zarówno w procesie ogrzewania, jak i schładzania, co świadczy o jej niezwykłej stabilności” – wyjaśnia dr hab. inż. Jakub Herman z Wydziału Nowych Technologii i Chemii WAT.
Odpowiedni dobór elementów strukturalnych, a także odpowiednia sekwencja połączeń między elementami tworzącymi cząsteczkę ciekłego kryształu, doprowadziła naukowców WAT do opracowania materiału o roboczej nazwie 3JK.
„Nasz materiał organiczny ma zdecydowaną przewagę, ponieważ faza NF manifestuje się zarówno podczas procesu ogrzewania, jak i chłodzenia, w przeciwieństwie do dotychczasowych materiałów, w których ta subtelna faza nematyczna występowała tylko podczas jednego cyklu chłodzenia. To odkrycie otwiera następny, naturalny cykl badań nad opracowaniem wieloskładnikowej mieszaniny, wykazującej tę fazę w bardzo szerokim zakresie temperatur, obejmującym temperatury pokojowe i niższe. W tych warunkach nowoczesne urządzenia pomiarowe będą w stanie kompleksowo i dokładnie scharakteryzować tę fascynującą materię” – tłumaczy naukowiec.
Cząsteczki organiczne o wydłużonym kształcie dążą do określonego uporządkowania i tak tworzy się ciekłokrystaliczność, m.in. faza nematyczna. Uczeni podkreślają, że projektowanie ferroelektrycznych materiałów nematycznych wymaga delikatnej równowagi pomiędzy kształtem molekularnym, elastycznością i interakcjami międzycząsteczkowymi i starannego dostrojenia tych czynników, aby osiągnąć pożądane zachowanie fazowe.
Na obecnym etapie trudno precyzyjnie przewidzieć dokładne zastosowanie materiałów z fazą NF, jednak ich potencjał jest ogromny, zwłaszcza w kontekście zaawansowanych technologii. Unikalne właściwości ferroelektryczne i stabilność tej fazy w różnych warunkach temperaturowych otwierają drzwi do różnorodnych zastosowań w obszarze elektroniki, optyki, technologii sensorów oraz nowoczesnych materiałów funkcjonalnych.
„Odkrycie ferroelektrycznej fazy nematycznej zmieniło nasze postrzeganie ciekłych kryształów, które wcześniej były już marginalizowane w kontekście potencjalnych zastosowań jako materiały do urządzeń optycznych” – dodaje dr hab. inż. Jakub Herman.
Rezultaty badań zostały opublikowane w czasopiśmie „Chemical Communications” w artykule „Enantiotropic ferroelectric nematic phase in a single compound”. Współautorami artykułu są: dr hab. inż. Jakub Herman, prof. WAT, płk dr hab. inż. Przemysław Kula, prof. WAT, mgr inż. Jakub Karcz i mgr inż. Natan Rychłowicz z Wydziału Nowych Technologii i Chemii WAT oraz prof. dr hab. Antoni Kocot z Instytutu Inżynierii Materiałowej Uniwersytetu Śląskiego i Małgorzata Czarnecka z Wydziału Elektroniki, Automatyki, Informatyki i Inżynierii Biomedycznej Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie.
Artykuł otrzymał 200 punktów, wskaźnik cytowań dla czasopisma „Chemical Communications” (IF) to 4.9.
Paulina Arciszewska-Siek
Zdjęcie z archiwum WAT przedstawia strukturę 3JK widzianą pod mikroskopem.
