与固态晶体相似的新型液晶可以改善计算机和电视的显示

科学家创造出看起来很像固态晶体的液晶。

科罗拉多大学博尔德分校的一个团队设计了能够反映某些固态晶体复杂结构的新型液晶，这是建设流动材料的重要一步，该材料可以与从矿物和宝石中看到的丰富多彩的形状（从天青石到宝石）相匹配。黄玉。

该小组的研究结果发表在2021年2月10日的《自然》杂志上，也许有一天会导致新型的智能窗户和电视或计算机显示器，它们可以前所未有地弯曲和控制光线。

结果归结为许多化学家和宝石学家都熟悉的固态晶体的特性：对称。

CU Boulder物理系教授Ivan Smalyukh解释说，科学家将所有已知晶体归为七个主要类别，再加上更多子类别，部分是基于其内部原子的“对称操作”。换句话说，您可以通过多种方式将假想的镜子粘贴到晶体内部或旋转它，仍然可以看到相同的结构？将此分类系统视为Baskin-Robbins的32种口味，但不含矿物质。

但是，迄今为止，科学家还无法创造出液晶（这种流动材料是大多数现代显示技术中发现的），它们具有相同的多种风味。

“我们了解我们可以制造的所有可能的固态晶体对称性。其中有230个，”这项新研究的资深作者Smalyukh说道，他也是CU Boulder的可再生与可持续能源研究所（RASEI）的研究员。“谈到向列型液晶，在大多数显示器中，到目前为止，我们只展示了少数几种。”

也就是说，直到现在。

在显微镜下看到的传统“向列”液晶。

在他们的最新发现中，Smalyukh和他的同事提出了一种方法来设计第一批类似于单斜晶体和正交晶体的液晶-这是七种主要的固态晶体中的两种。他说，这些发现为混乱的流体世界带来了更多的秩序。

Smalyukh说：“存在许多可能的液晶类型，但到目前为止，很少发现。”“这对学生来说是个好消息，因为还有很多可以找到的东西。”

行动对称

要了解晶体中的对称性，请首先对您的身体进行成像。如果您在脸部中央放置一面巨大的镜子，您会看到（或多或少）看起来像同一个人的反射。

固体晶体具有相似的性质。立方晶体，例如包括钻石和黄铁矿，是由排列成完美立方体形状的原子组成的。他们有很多对称操作。

Smalyukh说：“例如，如果围绕许多特殊轴将这些晶体旋转90或180度，则所有原子都将停留在正确的位置。”

该图显示了盘状分子在具有两个对称性的单斜液晶中的排列。

但是，还有其他类型的晶体。单斜晶体内部的原子（包括石膏或天青石）的排列形状看起来像是倾斜的圆柱。随意翻转或旋转这些晶体，它们仍然只有两个不同的对称性：一个镜面和一个180度旋转轴，或者通过围绕一个轴旋转晶体并注意到它看起来像晶体而可以看到的对称性。每180度相同。科学家称这种状态为“低对称”状态。

但是，传统的液晶不会显示那种复杂的结构。例如，最常见的液晶由微小的棒状分子组成。Smalyukh说，在显微镜下，它们趋向于像干面条一样被塞进锅里。

“当事物能够流动时，它们通常不会表现出如此低的对称性，” Smalyukh说。

液体订购

他和他的同事们想看看他们是否可以改变这一点。首先，团队将两种不同类型的液晶混合在一起。第一类是由棒状分子组成的普通类。第二个由形状像超薄圆盘的颗粒组成。

当研究人员将他们聚集在一起时，他们发现了一些奇怪的东西：在实验室中适当的条件下，这两种类型的晶体会相互推动和挤压，从而改变其方向和排列。最终结果是对称的向列液晶液，看起来很像固态单斜晶体。内部的分子显示出一定的对称性，但只有一个镜平面和一个180度旋转轴。

换句话说，该小组创造了一种具有天青石或石膏晶体数学特性的材料，但它们可以像流体一样流动。

“我们在问一个非常基本的问题：在单一材料中将订单和流动性结合起来的方式有哪些？”Smalyukh说。

而且，团队的创作是动态的：例如，如果您加热或冷却液晶，您可以将其变形为不同结构的彩虹，每种结构都有其自身的特性，新论文的主要作者哈里达斯·门多尔（Haridas Mundoor）说。对于工程师来说，这非常方便。

“这提供了改变显示技术的不同途径，可以提高智能手机等设备的能效，” CU Boulder的博士后研究助理Mundoor说。

他和他的同事们还远未制造出可以复制整个固体晶体的液晶。但是新报纸使它们比以往任何时候都更接近了-对于世界各地闪闪发亮的事物的粉丝来说是个好消息。

参考：Haridas Mundoor，吴进生，Henricus H. Wensink和Ivan I. Smalyukh于2021年2月10日在Nature.DOI：“可热重构的单斜向列胶体液”
10.1038 / s41586-021-03249-0

新论文的其他合著者包括CU Boulder的研究生Jin-Sheng（Jason）Wu和Paris-Saclay大学的Henricus Wensink。