新方法颠倒了液晶的自组装

在液晶中,分子自动以有序的方式排列。卢森堡大学的研究人员发现了一种允许反序状态的方法,该方法将实现新的材料特性和潜在的新技术应用,例如用于软机器人的人造肌肉。他们在科学期刊Science Advances上发表了他们的研究结果。

卢森堡大学Jan Lagerwall教授的研究小组研究了液晶的特性,液晶的特性可以在很多领域找到,从体内的细胞膜到许多电子设备的显示器。该材料结合了液体的流动性和灵活性以及其分子的长程有序性;后者是固体晶体的典型特征。这产生了显着的特性,使得液晶如此通用,以至于它们被选择用于执行自然界和数十亿美元公司的重要功能。

许多材料的性质取决于其分子的排列方式。自20世纪30年代后期以来,物理学家使用数学模型来描述液晶的分子顺序。所谓的顺序参数指定一个数字,表示分子的有序排序。该模型使用正范围来描述我们习惯的液晶。它还可以指定描述“反序”状态的负范围,其中分子将避开某个方向而不是沿着它对齐。

到目前为止,这个负面范围仍然是严格假设的,因为在实践中没有液晶形成反秩序状态。液晶的标准理论表明这种状态是可能的,但不稳定。“你可以将它与中间有一个非常轻的凹凸的幻灯片进行比较。当你到达凹凸时你可能会减速,在我们的情况下是不稳定的反序状态,但是不够,所以你停下来,因此你会去一直到稳定状态,全球能源最低限度,你不可避免地最终得到正面的订单。如果你能设法阻止颠簸,那么负面范围将是可能的,“Jan Lagerwall解释说。

这正是本文的主要作者VSR Jampani及其同事在他们的研究中首次取得的成果。“阻止系统达到全球能量最小化的技巧是将其溶解在松散连接的网络中,同时将其溶解在普通的液体溶剂中,”Jampani博士说。“然后,该网络在平面内的所有方向上拉伸,或沿垂直于平面的单个方向压缩,使得形成网络的分子对准平面,但在该平面中没有任何特定方向。”随着溶剂蒸发,形成液晶相,并且由于网络的特有的面内拉伸,迫使其采用负序参数状态,其中分子避开平面法线的方向。“

当通过第二轮聚合强化网络时,可以研究作为温度函数的行为。“液晶网络对于正序和负序参数都非常有吸引力,因为与聚合物网络结合的有序或反排序使其能够根据温度变化自发地改变其形状。液晶网络是拉格沃尔教授说,有效的橡胶可以自行拉伸或松弛,而不会施加任何力量。结果表明,负序参数液晶橡胶的行为与普通液晶橡胶的行为完全相反。“光学上,当普通液晶橡胶在交叉偏振器之间显示某种颜色时,负序参数版本显示互补色。

研究人员创造了毫米级球壳形式的负序参数液晶橡胶,然后将它们切割成各种形状的小块。根据切割的方式,可以实现各种形状变化行为,表明该系统可以起到柔软的“致动器”的作用,实际上是人造肌肉。因为负序和正序液晶橡胶以相反的方式起作用,这开启了将两者结合起来的有趣方式,以制造更有效的复合致动器,例如用于软机器人。当正序执行器响应缓慢时,负序执行器快速启动,反之亦然。从基础物理学的角度来看,