A Hun-Ren Wigner Fizikai Kutatóközpont kutatói, egy önállóan megvalósuló és egy, a Kent State Egyetem szakértőivel együttműködésben végzett projekt keretein belül az anyag egy új és különleges formáját fedezték fel, egy olyan anyagi formát, ami több szempontból is nagy meglepetést tartogatott a kutatók számára. A kísérletekben az úgynevezett ferroelektromos nematikus folyadékkristályokat vizsgálták: ezek egy régen megjósolt, de a gyakorlatban csak nemrégen bizonyított anyagi formát, illetve fázist képviselnek, amelyek háromdimenziós fluiditást és ezzel együtt magas szintű poláris rendezettséget mutatnak -magyarázzák a kutatók az Advanced Functional Materials folyóiratban megjelent tanulmányukban, hozzátéve, hogy a makroszkopikus polaritásnak köszönhetően az anyagból hiányzik az inverziós szimmetria, ami lehetőséget ad számos, eddig kevésbé feltérképezett piezoelektromos kapcsolási mód próbájára.

Az FNLC-ek (fluid ferroelectric nematic liquid crystals, ferroelektromos nematikus folyadékkristály) olyan folyadékok, melyek molekuláinak különleges irányrendezettsége óriási spontán elektromos polarizációt eredményez - írja a Hun-Ren Wigner FK.

“A ferroelektromos nematikus fázis különlegessége és ritkasága abban rejlik, hogy az alkotó molekulák úgy rendeződnek, hogy a molekulák elektromos töltésmegosztása nem átlagolódik ki, hanem összeadódik, így az anyagnak spontán elektromos polarizációja lesz.”

Az ilyen anyagokat hosszúkás, aszimmetrikus molekulák alkotják, melyek erősen polárosak, azaz a két végük ellentétes előjelű, pozitív és negatív elektromos töltésekkel jellemezhető. Az FNLC ezen fázispolaritása fantasztikusan széleskörű fizikai jellemzőkkel ruházza fel őket, amelyek többek között a fotonikai felhasználások előtt is megnyitják az utat.

A kutatók a ferroelektromos nematikus folyadékcseppek vizsgálata során a cseppeket elektromos hatásnak tették ki és megfigyelték, hogy azok elektromos mezőben egészen szokatlanul kezdenek viselkedni: a felületük instabillá válik, és bizarr nyúlványok alakulnak ki belőlük, amelyek fraktálszerűen rendeződnek. Ez azonban csak az első lépés volt, miután még nagyobb feszültséget kapcsoltak a folyadékcseppekre, a formájuk komplex, labirintusra emlékeztető struktúrává változott, sőt, váltófeszültség hatására egy bizonyos frekvenciatartományban a cseppek különböző alakokat felvéve mozogni kezdtek, ahhoz hasonlóan, mintha valamilyen miniatűr élőlények lennének. “A mozgás során a cseppek egymást taszítva részecskékként ütköznek, és olyan aktív objektumokra hasonlítanak, mint a rajzó rovarok, mikrobák vagy mikrorobotok.” - írja a Wigner FK.

Ezt a mozgást a megfigyelések szerint szabályozni is lehet, de ami még nagyobb meglepetésre adott okot, az a részecskék hangja volt, a mozgásukat ugyanis hangkibocsátás kísérte, ami jól hallható volt a kutatók számára. Ezt már a Kent State Egyetemmel való együttes munka során fedezték fel és az is kiderült, hogy mi áll a jelenség hátterében: a hanghatás piezoelektromos effektus következménye, ami különösképpen a 3-6 kHz-es tartományban éreztette hatását. A jelenség magyarázatát a hang spektrumának analízise segítette, ami arra utalt, hogy cseppek a váltófeszültség hatására mechanikai rezgésbe jönnek, aminek jellemző frekvenciái a meghajtójel frekvenciája, illetve annak kétszerese.

Ebben a kísérletben a világon elsőként mutatták ki az inverz piezoelektromosság jelenséget háromdimenziós folyadékokban.

Az effektus lényege, hogy a ferroelektromos nematikus folyadékra feszültséget kapcsolva, a feszültséggel egyenes arányban az anyag mechanikai elmozdulást mutat, elektromos töltések keletkeznek a felületén - magyarázza a Wigner FK - A kHz-es frekvenciatartományban a vizsgált anyag piezoelektromos csatolási állandója meghaladja az 1 nC/N értéket, ami azt jelenti, hogy egy newtonnyi erő hatására legalább 1 nanocoulomb töltés keletkezik. Ez az érték hasonló a legerősebb piezoelektromos szilárd anyagokéhoz, tehát a vizsgált anyag piezoelektromos tulajdonságai kiemelkedőek, még ha nem is szilárd halmazállapotú.

A kutatók elmondása szerint a különleges anyag, amit a kísérletek alatt sikerült megfigyelni, az anyag egy teljesen új osztályát jelenti, egy új állapotot, ami nem csak a tudományos megfigyelések szempontjából hozhat nagy újdonságokat, hanem a gyakorlati felhasználási köre is igen széles lehet, a folyadékaktuátorok, mikropozicionálók és elektromosan hangolható optikai lencsék kifejlesztésében is szerepet kaphatnak a jövőben.

(Fotó: Máthé, M.T., Farkas, B., Péter, L. et al. Electric field-induced interfacial instability in a ferroelectric nematic liquid crystal., Hun-Ren Wigner FK, Bing)