Polskie odkrycie w Science – nowy rozdział w badaniach nad materią miękką

Zespół naukowców z Wojskowej Akademii Technicznej dokonał odkrycia, które może zrewolucjonizować rozumienie materii organicznej. Wyniki badań nad nową fazą nematyczną realizowanych wspólnie z Uniwersytetem Warszawskim znajdą zastosowanie m.in. w fizyce płynów, materiałach ciekłokrystalicznych, elektronice organicznej, fotonice i biologii molekularnej.

Publikacja, która ukazała się w najnowszym wydaniu czasopisma „Science”, uznawana jest za jedno z najbardziej oczekiwanych odkryć w chemii i fizyce materii miękkiej od wielu lat.

„Trudno przecenić znaczenie tego odkrycia. Może ono mieć wpływ na rozwój nowych technologii i materiałów, które znajdą zastosowanie w nowoczesnych urządzeniach elektronicznych i fotonicznych, a także w elektronice organicznej oraz biologii molekularnej, gdzie zrozumienie łamania symetrii chiralnej ma kluczowe znaczenie dla wyjaśnienia molekularnych początków powstania życia” – mówi mgr inż. Jakub Karcz z Wydziału Nowych Technologii i Chemii WAT, główny autor artykułu.

Naukowcy potwierdzili również teoretyczną hipotezę Maxa Borna z 1916 roku, która przewidywała możliwość istnienia złożonych struktur polarnych wynikających ze specyficznych oddziaływań dipoli elektrycznych. Przez dziesięciolecia pozostawała ona w obszarze matematyczno-fizycznych spekulacji, coraz bardziej skazanych na zapomnienie, ze względu na brak eksperymentalnego potwierdzenia.

Jak przewiduje mgr inż. Natan Rychłowicz, odkrycie będzie oddziaływało na obszary fizyki płynów, organicznej elektroniki, fotoniki i biologii molekularnej.

„Wyniki otwierają nowe możliwości badawcze w dziedzinie materiałów ciekłokrystalicznych i mogą prowadzić do kolejnych innowacyjnych odkryć. To przykład tego, jak interdyscyplinarna współpraca i determinacja mogą prowadzić do efektów, które mają szansę zmienić nasze rozumienie świata i wpłynąć na przyszłość przełomowych technologii” – mówi płk dr hab. inż. Przemysław Kula, prof. WAT.

Nowo opracowany materiał to helikonikalny, ferroelektryczny nematyczny stan materii, w którym niechiralne, stosunkowo proste cząsteczki organiczne, spontanicznie organizują się w złożone śrubopodobne struktury o rozmiarach mikrometra.

Materia znana dotychczas w fazie nematycznej wykazywała spontaniczne uporządkowanie, w którym dipole elektryczne znosiły się w skali mikroskopowej – na skutek tendencji do ułożenia antyrównoległego (rysunek a). Taki stan rzeczy towarzyszył nam od ponad stulecia.

Dopiero w 2017 r. odkryta została nowa faza polarna, w której dzięki unikalnym oddziaływaniom międzycząsteczkowym, molekuły zyskały tendencje do uporządkowania polarnego, gdzie dipole zwrócone są w jednym kierunku na dużych obszarach, nazywanych domenami (rysunek b). W tym odkryciu zespół z WAT miał też swój udział – po raz pierwszy opracowując taki materiał, który wykazywał tę fazę, zarówno w grzaniu, jak i w chłodzeniu.

Prawdziwym przełomem okazały się dalsze badania, które pokazały, że oprócz polarnego uporządkowania molekuł możliwe jest spontaniczne skręcenie polarnej struktury w geometrię przypominającą kwiat helikonii (schematycznie przedstawionej na rysunku c), którego nazwa wywodzi się od matematycznej płaszczyzny, helikonu – rozciągniętej helikoidy.

„Ten rodzaj uporządkowania niechiralnych prętopodobnych molekuł, a takie właśnie są cząsteczki nowoodkrytej klasy związków, jest normalnie wzbroniony i zarezerwowany dla molekuł chiralnych. Nasze odkrycie jest przełomowe, gdyż w jednym niechiralnym materiale udało się dokonać sprzężenia cech polarnych w chiralną nadstrukturę rozmiarów długości światła widzialnego” – wyjaśnia dr hab. inż. Jakub Herman, prof. WAT.

Sukces procesu badawczego, który doprowadził do tego przełomowego odkrycia był możliwy dzięki współpracy zespołów z WAT i UW. Pozwoliła ona na przeprowadzenie kompleksowych badań i komplementarne potwierdzenie struktury oraz zbadanie właściwości nowej fazy, co było kluczowe dla sukcesu publikacji w czasopiśmie „Science”.

Artykuł prezentujący wyniki badań nad nową fazą nematyczną, która charakteryzuje się spontanicznym łamaniem symetrii chiralnej, ukazał się w najnowszym numerze czasopisma „Science” pod tytułem: „Spontaneous chiral symmetry breaking in polar fluid – heliconical ferroelectric nematic phase”.

W skład zespołu naukowego WAT weszli: mgr inż. Jakub Karcz, dr hab. inż. Jakub Herman, prof. WAT, mgr inż. Natan Rychłowicz oraz płk dr hab. inż. Przemysław Kula, prof. WAT z Wydziału Nowych Technologii i Chemii WAT. W zespole prof. dr hab. Ewy Góreckiej z Wydziału Chemii UW znaleźli się: dr Jadwiga Szydłowska, dr hab. Paweł W. Majewski oraz dr hab. Damian Pociecha, prof. UW.

Artykuł otrzymał 200 punktów, wskaźnik cytowań dla czasopisma (IF) to 56,9.