Жидкие кристаллы – это состояние, в которое переходят некоторые вещества при совпадении определённых условий: температуры, давления, концентрации и т. п. Они обладают целым спектром фаз, которые различаются по своим характеристикам. Все фазы жидких кристаллов объединяет общая черта – обладание свойствами жидкостей и твёрдых кристаллов. С 1910-х годов учёные пытались обнаружить сегнетоэлектрическую нематическую фазу кристаллов и наконец им удалось доказать её существование.
Исследователи различают несколько фаз жидких кристаллов, которые определяются поведением молекул. Подобные вещества состоят из вытянутых или дискообразных молекул с позитивными и негативными полюсами. Ориентация этих крошечных магнитов, а также их реакция на влияние внешних факторов определяет группы и классы жидких кристаллов. Одним из самых распространённых классов являются нематики: внутри них оси молекул находятся параллельно друг другу, однако их центры располагаются совершенно хаотично. Для такой фазы кристаллов также характерна случайная ориентация полярности молекул, но в среднем направление полюсов имеет соотношение 50/50. Способность нематических кристаллов менять полярность под воздействием электрического поля лежит в основе технологии жидкокристаллических дисплеев.
О существовании нематической фазы стало известно ещё в начале XX века, однако уже тогда некоторые исследователи подозревали, что в спектре этой фазы могут быть представлены и другие варианты ориентации молекул. В 1912 и 1916 году нобелевские лауреаты Петер Дебай и Макс Борн соответственно предположили возможность существования специфической фазы жидких кристаллов, в которой направление миниатюрных магнитов-молекул было бы более упорядоченным. В своих работах они описывали нематическую фазу с так называемыми доменами одинаково ориентированных молекул. Учёные надеялись однажды синтезировать кристалл, который не нуждался бы в экстремальном внешнем воздействии электрического поля или температур для полярного упорядочивания.
В поиске способов создания такого кристалла, учёные обнаружили похожие свойства в твёрдых кристаллах. В определённом интервале температур они спонтанно устанавливали упорядоченную поляризацию даже в отсутствии электрического поля. Такое явление назвали ферроэлектричеством по аналогии с феноменом ферромагнетизма – появлением одинаковой намагниченности магнитных моментов атомов, ионов или электронов. Долгое время ферроэлектрическое поведение молекул в жидких кристаллах, прозванное сегнетоэлектричеством, оставалось шаткой гипотезой, однако с начала XX века учёные посвятили ему более 40 тысяч научных работ. В частности, исследователи немало рассуждали о том, как сегнетоэлектрическую нематическую фазу жидких кристаллов можно было бы использовать в сфере оптических и компьютерных технологий.
На протяжении десятков лет поиски учёных были безуспешными. В 2017 году команда американских физиков объявила об успешном синтезе палочкообразной органической молекулы, которую можно было бы использовать для создания жидкого кристалла – вещества под названием RM734. В ходе лабораторных испытаний исследователи обнаружили любопытное поведение вещества. При высоких температурах оно очень напоминало традиционную нематическую фазу жидких кристаллов, однако при понижении температуры молекулы начинали вести себя очень необычно. Эти странности привлекли физиков из Колорадского университета в Боулдере, которые решили проследить за движением молекул при помощи микроскопов с поляризованным светом.
Совершенно неожиданно учёные обнаружили, что при поляризации по краю ячейки, в которой содержался кристалл RM734, появились яркие цветастые пятна. Физик Ноэл Кларк из Колорадского университета в Боулдере описал свои впечатления от увиденного следующим образом: «Мы будто подключили лампочку к сети и обнаружили, что розетка и провода горят гораздо ярче самой лампочки». В ходе дальнейших тестов исследователи обнаружили, что созданное их коллегами вещество в 100-1000 раз более восприимчиво ко влиянию внешнего электрического поля, чем любые известные науке нематические жидкие кристаллы. То есть молекулы внутри RM734 имеют сильные полярные связи, благодаря которым они могли бы объединяться в домены с упорядоченной полярностью. В этом физики убедились, раз за разом разогревая и охлаждая молекулы.
Поведение RM734 свидетельствует о том, что учёные действительно наконец обнаружили сегнетоэлектрическую нематическую фазу жидких кристаллов, существование которой предсказали Дебай и Борн более 100 лет назад. Кроме того, открытие одного такого вещества позволяет предположить, что в мире имеются и другие сегнетоэлектрические жидкости. Исследователи пока не сумели выяснить, что именно заставляет жидкий кристалл RM734 вести себя таким образом, однако они надеются устранить этот пробел в ходе последующих экспериментов. В то же время доказанный факт существования даже одного такого вещества открывает перспективы развития нематической физики и сопутствующих отраслей. В частности, учёные рассчитывают найти применение свойствам сегнетоэлектрических нематических кристаллов в совершенствовании жидкокристаллических дисплеев и компьютерной памяти.
