Eindelijk bewijs voor langverwachte nieuwe vloeibare kristalfase

Vijftig jaar nadat de wetenschap een nieuwe vloeibaar kristallijne fase voorspelde, is deze waargenomen door Utrechtse onderzoekers. De waarnemingen zijn gedaan in modelsystemen van colloïdale staafjes, staafvormige deeltjes die groter zijn dan moleculen en daarom makkelijker te bestuderen. De onderzoekers geven handreikingen voor een manier om het materiaal ook te realiseren met staafvormige moleculen. De nieuwe fase geeft het materiaal eigenschappen die interessant zijn voor bijvoorbeeld de doorontwikkeling van beeldschermen en reflecterende coatings. Het team stond onder leiding van de Utrechtse professoren Marjolein Dijkstra en Alfons van Blaaderen. De resultaten verschijnen op 1 december in Nature Communications.

LCD’s

Een vloeibaar kristal is een materiaal waarvan de eigenschappen inliggen tussen die van een vloeistof en een vaste stof. Een heel bekend voorbeeld van zo’n vloeibaar kristal is een nematisch vloeibaar kristal. Dit materiaal wordt op grote schaal gebruikt in LCD’s (liquid crystal displays) van computers, telefoons en tv’s. Een andere toepassing van vloeibare kristallen zijn coatings. Coatings van vloeibaar kristal hebben bijzondere reflecterende eigenschappen, waardoor ze bijvoorbeeld kunnen worden ingezet om gebouwen te koelen.

Nieuwe toepassingen

De fase die de onderzoekers nu voor het eerst experimenteel hebben waargenomen is de splay-bend nematische fase. Dit is een ingewikkelder versie van nematische vloeibare kristallen. Het kenmerkt zich door een golfachtig karakter in de oriëntatie van de gekromde colloïdale staafjes waaruit de fase werd gevormd. Als het lukt om het materiaal ook met moleculen te realiseren, dan ontstaan er allerlei nieuwe toepassingsmogelijkheden. De nieuwe fase heeft namelijk andere eigenschappen dan de fases die we tot nu toe kennen. De splay-bend nematische fase reageert anders op bijvoorbeeld elektrische velden dan nematisch vloeibare kristallen. Dit maakt de materialen geschikt voor de doorontwikkeling van bijvoorbeeld beeldschermen en andere displays, sensoren en coatings.

Als het lukt om het materiaal ook met moleculen te realiseren, dan ontstaan er allerlei nieuwe toepassingsmogelijkheden

Frustraties

De onderzoekers namen de nieuwe fase waar door middel van meerdere ‘frustraties’: ontregelende bewerkingen van het materiaal. De staafjesvorm van deeltjes is verantwoordelijk voor de vorming van een vloeibaar kristal en wanneer je deze minder recht maakt, wordt het moeilijker voor de deeltjes om in dezelfde richting te wijzen. Het was al voorspeld dat deze frustratie resulteert in de nieuwe fase. Door de deeltjes vervolgens verder te frustreren door polydispersiteit (de deeltjes verschillende lengtes geven), werd het materiaal stabiel en kon de voorspelde fase worden waargenomen.