Sensación científica: investigadores húngaros descubren un nuevo estado de la materia
Los investigadores del Centro de Investigación de Física Wigner de la Universidad de Heidelberg (Reino Unido) han descubierto un nuevo estado de la materia en el que las gotas de líquido se comportan como partículas que interactúan y se mueven activamente bajo la influencia de un campo eléctrico. Sus hallazgos podrían abrir nuevos caminos en la tecnología de precisión.
Los investigadores Péter Salamon y Marcell Tibor Máthé del Centro de Investigación de Física Wigner de la Universidad de Heidelberg (Reino Unido) han estudiado un tipo especial de líquido descubierto recientemente, conocido como cristales líquidos nemáticos ferroeléctricos. Han observado que la superficie de las gotitas de líquido nemático ferroeléctrico se vuelve inestable en un campo eléctrico, formando extensiones líquidas de tipo fractal.
¿Qué es un líquido nemático ferroeléctrico?
Los materiales nemáticos ferroeléctricos están compuestos por moléculas alargadas y asimétricas que son altamente polares, lo que significa que sus dos extremos tienen cargas eléctricas opuestas: una positiva y otra negativa. La singularidad y rareza de la fase nemática ferroeléctrica radica en el hecho de que su disposición molecular no anula las distribuciones de carga individuales, sino que las polarizaciones moleculares se suman, lo que da como resultado una polarización eléctrica espontánea del material. Aunque la analogía no es perfecta, los líquidos nemáticos ferroeléctricos pueden considerarse las contrapartes eléctricas de los fluidos magnéticos (ferrofluidos). Aunque su existencia se predijo hace más de un siglo, recién en 2017 los científicos lograron sintetizar con éxito un material de este tipo por primera vez.
Durante la investigación, los científicos observaron que cuando se aplicaba un voltaje más alto a las gotas de líquido, su comportamiento se volvía aún más extremo: perdían su forma de gota y formaban estructuras complejas, similares a laberintos. Los investigadores también descubrieron que cuando se aplicaba un voltaje alterno dentro de un rango de frecuencia específico, las gotas comenzaban a moverse mientras cambiaban de forma. Durante el movimiento, las gotas se repelían entre sí y chocaban como partículas, asemejándose a objetos activos como enjambres de insectos, microbios o microrobots. Los investigadores también pudieron controlar el movimiento de las gotas mediante voltaje, lo que sugiere posibles aplicaciones en nuevos tipos de dispositivos microfluídicos. Este descubrimiento podría tener beneficios prácticos en campos como el diagnóstico médico, el análisis químico y la biotecnología.
Los investigadores observaron también que este movimiento iba acompañado de una emisión de sonido. El sorprendente fenómeno se explicó mediante un análisis espectral del sonido, que indicó que las gotitas experimentan vibraciones mecánicas cuando se exponen a una tensión alterna. Las frecuencias características de estas vibraciones se corresponden con la frecuencia de la señal impulsora y su segundo armónico. Los investigadores publicaron sus hallazgos en la prestigiosa revista Nature Communications.
Gotas nemáticas ferroeléctricas de Wigner
Los investigadores también estudiaron cristales líquidos nemáticos ferroeléctricos en colaboración con el profesor Antal Jákli de la Universidad Estatal de Kent (EE. UU.). A través de esta asociación, fueron los primeros en el mundo en demostrar el fenómeno de la piezoelectricidad inversa en líquidos tridimensionales. La esencia de este efecto es que cuando se aplica voltaje a un líquido nemático ferroeléctrico, el material exhibe un desplazamiento mecánico proporcional al voltaje aplicado. El fenómeno también funciona a la inversa: la deformación mecánica genera cargas eléctricas en la superficie del material. En el rango de frecuencia de kHz, la constante de acoplamiento piezoeléctrico del material estudiado supera 1 nC/N, lo que significa que una fuerza de un newton genera al menos un nanoculombio de carga. Este valor es comparable al de los materiales sólidos piezoeléctricos más fuertes, lo que resalta las excepcionales propiedades piezoeléctricas del líquido estudiado, a pesar de no estar en estado sólido. comunicado de prensa dijo.
La comprensión de la respuesta electromecánica de los cristales líquidos nemáticos ferroeléctricos permite aprovechar la energía mecánica y allana el camino para el desarrollo de actuadores líquidos, microposicionadores y lentes ópticas ajustables eléctricamente. Los investigadores publicaron sus hallazgos en la prestigiosa revista Advanced Functional Materials.
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