I ricercatori del HUN-REN Wigner Research Centre for Physics hanno scoperto un nuovo stato della materia, in cui le goccioline liquide si comportano come particelle in movimento attivo e interagenti sotto l'influenza di un campo elettrico. Le loro scoperte potrebbero aprire nuove strade nella tecnologia di precisione.

I ricercatori Péter Salamon e Marcell Tibor Máthé del HUN-REN Wigner Research Centre for Physics hanno studiato un tipo speciale di liquido scoperto di recente, noto come cristalli liquidi nematici ferroelettrici. Hanno osservato che la superficie delle goccioline di liquido nematici ferroelettrici diventa instabile in un campo elettrico, formando estensioni liquide simili a frattali.

Che cosa è un liquido nematico ferroelettrico?

I materiali nematici ferroelettrici sono composti da molecole allungate e asimmetriche che sono altamente polari, il che significa che le loro due estremità trasportano cariche elettriche opposte, una positiva e una negativa. L'unicità e la rarità della fase nematica ferroelettrica risiedono nel fatto che la sua disposizione molecolare non annulla le singole distribuzioni di carica. Invece, le polarizzazioni molecolari si sommano, determinando una polarizzazione elettrica spontanea del materiale. Sebbene l'analogia non sia perfetta, i liquidi nematici ferroelettrici possono essere considerati le controparti elettriche dei fluidi magnetici (ferrofluidi). Sebbene la loro esistenza fosse stata prevista oltre un secolo fa, è stato solo nel 2017 che gli scienziati hanno sintetizzato con successo un tale materiale per la prima volta.

Durante la ricerca, gli scienziati hanno osservato che quando veniva applicata una tensione più elevata alle goccioline di liquido, il loro comportamento diventava ancora più estremo: perdevano la loro forma di goccia e formavano strutture complesse, simili a labirinti. I ricercatori hanno anche scoperto che quando veniva applicata una tensione alternata entro un intervallo di frequenza specifico, le goccioline iniziavano a muoversi cambiando forma. Durante il movimento, le goccioline si respingevano e si scontravano come particelle, assomigliando a oggetti attivi come insetti sciamanti, microbi o microrobot. I ricercatori sono stati anche in grado di controllare il movimento delle goccioline utilizzando la tensione, suggerendo potenziali applicazioni in nuovi tipi di dispositivi microfluidici. Questa scoperta potrebbe avere vantaggi pratici in campi come la diagnostica medica, l'analisi chimica e la biotecnologia.

I ricercatori hanno anche osservato che questo movimento era accompagnato da emissione sonora. Il sorprendente fenomeno è stato spiegato attraverso l'analisi spettrale del suono, che ha indicato che le goccioline subiscono vibrazioni meccaniche quando esposte a tensione alternata. Le frequenze caratteristiche di queste vibrazioni corrispondevano alla frequenza del segnale di guida e alla sua seconda armonica. I ricercatori hanno pubblicato le loro scoperte sulla prestigiosa rivista Nature Communications.

Goccioline nematiche ferroelettriche di Wigner

I ricercatori hanno anche studiato cristalli liquidi nematici ferroelettrici in collaborazione con il professor Antal Jákli della Kent State University (USA). Grazie a questa partnership, sono stati i primi al mondo a dimostrare il fenomeno della piezoelettricità inversa nei liquidi tridimensionali. L'essenza di questo effetto è che quando viene applicata una tensione a un liquido nematico ferroelettrico, il materiale mostra uno spostamento meccanico proporzionale alla tensione applicata. Il fenomeno funziona anche al contrario: la deformazione meccanica genera cariche elettriche sulla superficie del materiale. Nella gamma di frequenza kHz, la costante di accoppiamento piezoelettrica del materiale studiato supera 1 nC/N, il che significa che una forza di un newton genera almeno un nanocoulomb di carica. Questo valore è paragonabile a quello dei materiali solidi piezoelettrici più forti, evidenziando le eccezionali proprietà piezoelettriche del liquido studiato, nonostante non sia allo stato solido, il comunicato stampa disse.

La comprensione della risposta elettromeccanica dei cristalli liquidi nematici ferroelettrici consente di raccogliere energia meccanica e apre la strada allo sviluppo di attuatori liquidi, microposizionatori e lenti ottiche elettricamente sintonizzabili. I ricercatori hanno pubblicato le loro scoperte sulla prestigiosa rivista Advanced Functional Materials.

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