Zespół naukowców z Wojskowej Akademii Technicznej (WAT) dokonał odkrycia, które może zrewolucjonizować nasze rozumienie materii organicznej. Wyniki realizowanych wspólnie z Uniwersytetem Warszawskim (UW) badań nad nową fazą nematyczną znajdą zastosowanie w wielu dziedzinach nauki i techniki. Publikacja, która ukazała się w najnowszym wydaniu prestiżowego czasopisma „Science”, uznawana jest za jedno z najbardziej oczekiwanych odkryć w chemii i fizyce materii miękkiej od wielu lat.
„Trudno przecenić znaczenie tego odkrycia. Może ono mieć wpływ na rozwój nowych technologii i materiałów, które znajdą zastosowanie w nowoczesnych urządzeniach elektronicznych i fotonicznych, a także w elektronice organicznej oraz biologii molekularnej, gdzie zrozumienie łamania symetrii chiralnej ma kluczowe znaczenie dla wyjaśnienia molekularnych początków powstania życia” – mówi mgr inż. Jakub Karcz z Wydziału Nowych Technologii i Chemii WAT, główny autor artykułu.
Naukowcy potwierdzili również teoretyczną hipotezę Maxa Borna z 1916 roku, która przewidywała możliwość istnienia złożonych struktur polarnych wynikających ze specyficznych oddziaływań dipoli elektrycznych. Przez dziesięciolecia pozostawała ona w obszarze matematyczno-fizycznych spekulacji, coraz bardziej skazanych na zapomnienie, ze względu na brak eksperymentalnego potwierdzenia.
„Skutki tego odkrycia są dziś trudne do przewidzenia, ale już teraz wiadomo, że będzie ono oddziaływało na obszary fizyki płynów, organicznej elektroniki, fotoniki i biologii molekularnej – przewiduje mgr inż. Natan Rychłowicz.
„Wyniki otwierają nowe możliwości badawcze w dziedzinie materiałów ciekłokrystalicznych i mogą prowadzić do kolejnych innowacyjnych odkryć. To przykład tego, jak interdyscyplinarna współpraca i determinacja mogą prowadzić do efektów, które mają szansę zmienić nasze rozumienie świata i wpłynąć na przyszłość przełomowych technologii” – mówi płk dr hab. inż. Przemysław Kula, prof. WAT.
Nowo opracowany materiał to helikonikalny, ferroelektryczny nematyczny stan materii, w którym niechiralne, stosunkowo proste cząsteczki organiczne, spontanicznie organizują się w złożone śrubopodobne struktury o rozmiarach mikrometra. Materia, którą znaliśmy dotychczas w fazie nematycznej wykazywała spontaniczne uporządkowanie, w którym dipole elektryczne znosiły się w skali mikroskopowej – na skutek tendencji do ułożenia antyrównoległego (rysunek a). Taki stan rzeczy towarzyszył nam od ponad stulecia.
Dopiero w 2017 r. odkryta została nowa faza polarna, w której dzięki unikalnym oddziaływaniom międzycząsteczkowym, molekuły zyskały tendencje do uporządkowania polarnego, gdzie dipole zwrócone są w jednym kierunku na dużych obszarach, nazywanych domenami (rysunek b). W tym odkryciu zespół z WAT miał też swój udział – po raz pierwszy opracowując taki materiał, który wykazywał tę fazę, zarówno w grzaniu, jak i w chłodzeniu.
Prawdziwym przełomem okazały się dalsze badania, które pokazały, że oprócz polarnego uporządkowania molekuł możliwe jest spontaniczne skręcenie polarnej struktury w geometrię przypominającą kwiat helikonii (schematycznie przedstawionej na rysunku c), którego płatki układają się w kształt helikoidy.
„Ten rodzaj uporządkowania niechiralnych prętopodobnych molekuł, a takie właśnie są cząsteczki nowoodkrytej klasy związków, jest normalnie wzbroniony i zarezerwowany dla molekuł chiralnych. Nasze odkrycie jest przełomowe, gdyż w jednym niechiralnym materiale udało się dokonać sprzężenia cech polarnych w chiralną nadstrukturę rozmiarów długości światła widzialnego” – wyjaśnia dr hab. inż. Jakub Herman, prof. WAT.
Sukces procesu badawczego, który doprowadził do tego przełomowego odkrycia był możliwy dzięki współpracy zespołów z WAT i UW. Pozwoliła ona na przeprowadzenie kompleksowych badań i komplementarne potwierdzenie struktury oraz zbadanie właściwości nowej fazy, co było kluczowe dla sukcesu publikacji w czasopiśmie „Science”.
Artykuł prezentujący wyniki badań nad nową fazą nematyczną, która charakteryzuje się spontanicznym łamaniem symetrii chiralnej, ukazał się w najnowszym numerze czasopisma „Science” pod tytułem: „Spontaneous chiral symmetry breaking in polar fluid – heliconical ferroelectric nematic phase”. W skład zespołu naukowego WAT weszli: mgr inż. Jakub Karcz, dr hab. inż. Jakub Herman, prof. WAT, mgr inż. Natan Rychłowicz oraz płk dr hab. inż. Przemysław Kula, prof. WAT z Wydziału Nowych Technologii i Chemii WAT. W zespole prof. dr hab. Ewy Góreckiej z Wydziału Chemii UW znaleźli się: dr Jadwiga Szydłowska, dr hab. Paweł W. Majewski oraz dr hab. Damian Pociecha, prof. UW.
Artykuł otrzymał 200 punktów, wskaźnik cytowań dla czasopisma (IF) to 56,9.
Marcin Wrzos
fot. Katarzyna Puciłowska
