Динамика структурных преобразований жидкокристаллических голубых фаз открывает новые возможности для создания современных материалов.

Исследователи раскрыли ключевую информацию о том, как жидкие кристаллы, материалы, способные образовывать сложные упорядоченные структуры, преобразуются между различными фазами. Опубликовано в Труды Национальной академии наукИсследование дает более четкое понимание того, как эти материалы меняют свою структуру на микроскопическом уровне. Это исследование может дать возможность глубже понять трансформацию между различными структурами в более широком спектре материалов.

Жидкие кристаллы – это материалы, обладающие свойствами как жидкостей, так и твердых тел. Они текут как жидкости, но могут также образовывать упорядоченные структуры, как твердые тела. Жидкие кристаллы широко используются в таких устройствах, как цифровые дисплеи, светочувствительные материалы и датчики. Однако, несмотря на их широкое использование, понимание того, как они реорганизуются на микроскопическом уровне, уже давно является научной проблемой, а основные механизмы остаются неясными.

Профессор Дзюнъити Фукуда с факультета физики Университета Кюсю в сотрудничестве с доктором Казуаки З. Такахаси из Национального института передовых промышленных наук и технологий (AIST) и Японского агентства науки и технологий (JST) провели исследование, посвященное холестерические синие фазы, особый тип жидких кристаллов, характеризующийся уникальной кубической симметрией. Эти синие фазы образуют сложные трехмерные структуры с отличительными свойствами, что делает их предметом большого интереса как в фундаментальной науке, так и в области материаловедения.

Команда исследовала переход от одной синей фазы, BP II, к другой, BP I. Когда BP II превращается в BP I, жидкий кристалл образует двойные границы — области, где две части материала располагаются по-разному. Предыдущие экспериментальные исследования не смогли раскрыть детальный механизм трансформации синих фаз с образованием двойниковых структур.

Чтобы глубже понять этот процесс, команда использовала компьютерное моделирование, выполненное Фукудой, и MALIO, инструмент машинного обучения, разработанный Такахаши для анализа и различения локальных структур жидкокристаллических фаз BP I и BP II. Использование последнего подхода машинного обучения позволяет различать структуры BP II и BP I и анализировать их эволюцию с течением времени.

Стратегия, разработанная командой, позволила отслеживать трансформацию в режиме реального времени, выявляя ключевые этапы перехода, такие как образование небольших доменов BP I, которые растут и в конечном итоге образуют двойные границы. Их подход дает ценную информацию о формировании и росте двойных структур во время трансформации.

«Динамика мягких материалов, таких как жидкие кристаллы, очень сложна», — говорит Фукуда. «Эта работа дала нам более глубокое понимание того, как эти материалы трансформируются на микроскопическом уровне».

Подход, представленный в этом исследовании, также может показать, как иерархические структуры в мягких материалах, таких как полимеры и биологические системы, претерпевают подобные фазовые переходы.

«Наш метод не ограничивается жидкими кристаллами», — объясняет Фукуда. «Ее можно применить к другим сложным материалам, что может дать новое понимание того, как структуры формируются и изменяются в системах».