Senzație științifică: cercetătorii maghiari descoperă o nouă stare a materiei

Cercetătorii de la Centrul de Cercetare pentru Fizică HUN-REN Wigner au descoperit o nouă stare a materiei, în care picăturile de lichid se comportă ca niște particule în mișcare activă, care interacționează sub influența unui câmp electric. Descoperirile lor ar putea deschide noi căi în tehnologia de precizie.

Cercetătorii Péter Salamon și Marcell Tibor Máthé de la Centrul de Cercetare pentru Fizică HUN-REN Wigner au studiat un tip special de lichid descoperit recent, cunoscut sub numele de cristale lichide nematice feroelectrice. Ei au observat că suprafața picăturilor de lichid nematic feroelectric devine instabilă într-un câmp electric, formând extensii lichide asemănătoare fractale.

Ce este un lichid nematic feroelectric?

Materialele nematice feroelectrice sunt compuse din molecule alungite, asimetrice, care sunt extrem de polare, ceea ce înseamnă că cele două capete ale acestora poartă sarcini electrice opuse - una pozitivă și una negativă. Unicitatea și raritatea fazei nematice feroelectrice constă în faptul că aranjamentul său molecular nu anulează distribuțiile individuale de sarcină. În schimb, polarizările moleculare se adună, rezultând o polarizare electrică spontană a materialului. Deși analogia nu este perfectă, lichidele nematice feroelectrice pot fi considerate omoloage electrice ale fluidelor magnetice (ferofluide). Deși existența lor a fost prezisă cu peste un secol în urmă, abia în 2017 oamenii de știință au sintetizat cu succes un astfel de material pentru prima dată.

În timpul cercetării, oamenii de știință au observat că atunci când s-a aplicat o tensiune mai mare picăturilor de lichid, comportamentul lor a devenit și mai extrem: și-au pierdut forma de picătură și au format structuri complexe, asemănătoare labirintului. Cercetătorii au descoperit, de asemenea, că atunci când o tensiune alternativă a fost aplicată într-un interval de frecvență specific, picăturile au început să se miște în timp ce își schimbă forma. În timpul mișcării, picăturile s-au respins între ele și s-au ciocnit ca niște particule, semănând cu obiecte active, cum ar fi insectele, microbii sau microroboții care roiau. Cercetătorii au reușit, de asemenea, să controleze mișcarea picăturilor folosind tensiunea, sugerând potențiale aplicații în noi tipuri de dispozitive microfluidice. Această descoperire ar putea avea beneficii practice în domenii precum diagnosticul medical, analiza chimică și biotehnologia.

Cercetătorii au observat, de asemenea, că această mișcare a fost însoțită de emisie de sunet. Fenomenul surprinzător a fost explicat prin analiza spectrală a sunetului, care a indicat că picăturile suferă vibrații mecanice atunci când sunt expuse la tensiune alternativă. Frecvențele caracteristice ale acestor vibrații corespundeau cu frecvența semnalului de antrenare și cu a doua armonică a acestuia. Cercetătorii și-au publicat concluziile în prestigioasa revista Nature Communications.

Picături nematice feroelecrice Wigner

Cercetătorii au studiat, de asemenea, cristalele lichide nematice feroelectrice în colaborare cu profesorul Antal Jákli de la Universitatea de Stat Kent (SUA). Prin acest parteneriat, ei au fost primii din lume care au demonstrat fenomenul piezoelectricității inverse în lichide tridimensionale. Esența acestui efect este că atunci când tensiunea este aplicată unui lichid nematic feroelectric, materialul prezintă o deplasare mecanică proporțională cu tensiunea aplicată. Fenomenul funcționează și invers: deformarea mecanică generează sarcini electrice pe suprafața materialului. În intervalul de frecvență kHz, constanta de cuplare piezoelectrică a materialului studiat depășește 1 nC/N, ceea ce înseamnă că o forță de un newton generează cel puțin un nanocoulomb de sarcină. Această valoare este comparabilă cu cea a celor mai puternice materiale piezoelectrice solide, evidențiind proprietățile piezoelectrice excepționale ale lichidului studiat, deși nu se află în stare solidă, comunicatul de presă a spus.

Înțelegerea răspunsului electromecanic al cristalelor lichide nematice feroelectrice permite recoltarea de energie mecanică și deschide calea pentru dezvoltarea de dispozitive de acționare lichide, micropoziționare și lentile optice reglabile electric. Cercetătorii și-au publicat concluziile în prestigioasa jurnală Advanced Functional Materials.

HUN-REN își propune să devină una dintre cele mai eficiente organizații de cercetare din Europa și să contribuie în mod semnificativ la succesul social și economic al Ungariei. Legea HUN-REN, în vigoare de la 1 ianuarie 2025, oferă cadrul necesar pentru ca HUN-REN să se transforme într-o rețea mai receptivă, colaborativă, orientată spre performanță și mai bine funcțional, asigurând libertatea cercetării științifice și continuarea cercetării exploratorii, oferind în același timp soluții multidisciplinare la provocările complexe care afectează atât comunitățile naționale, cât și internaționale. Angajații din cadrul HUN-REN în curs de modernizare pot aștepta cu nerăbdare un sistem de finanțare pe termen lung, consistent, bazat pe valoare și axat pe performanță, o structură și funcționare care se consolidează reciproc, salarii competitive și o carieră de cercetare previzibilă.