Forradalmi felfedezést tettek a magyar kutatók, megváltozhat, amit eddig a fizikáról tudtunk
Az anyag egy új állapotát fedezték fel magyar kutatók, amelyben folyadékcseppek elektromos mező hatására aktívan mozgó, egymással kölcsönható részecskékként viselkednek. A HUN-REN Wigner Fizikai Kutatóközpont kutatóinak legújabb eredményei új utat nyitnak a precíziós technológia világában – derült ki a HUN-REN hétfői közleményéből.
A folyadékok egy nemrég felfedezett különleges fajtáját, a ferroelektromos nematikus folyadékkristályokat vizsgálták a HUN-REN Wigner Fizikai Kutatóközpont kutatói, Salamon Péter és Máthé Marcell Tibor. A kutatók megfigyelték, hogy a ferroelektromos nematikus folyadékcseppek felülete elektromos mezőben instabillá válik, és fraktálszerű folyadéknyúlványok alakulnak ki.
A kutatás során azt tapasztalták, hogy amikor nagyobb feszültséget kapcsoltak a folyadékcseppekre, azok még extrémebb módon viselkedtek:
- elvesztették csepp formájukat,
- és bonyolult, labirintusra emlékeztető struktúrát alkottak.
Váltófeszültséget alkalmazva a kutatók azt is kimutatták, egy bizonyos frekvenciatartományban a cseppek különböző alakokat felvéve elkezdenek mozogni. E mozgás során a cseppek egymást taszítva részecskékként ütköznek, és olyan aktív objektumokra hasonlítanak, mint a rajzó rovarok, mikrobák vagy mikrorobotok. A cseppek mozgását is sikerült szabályozni feszültséggel, ami szintén fontos eredmény. A felfedezésnek gyakorlati haszna lehet az orvosi diagnosztikában, a kémiai analízisben és a biotechnológiában is.
Mi a ferroelektromos nematikus folyadék?
A ferroelektromos nematikus anyagokat olyan hosszúkás aszimmetrikus molekulák alkotják, melyek erősen polárosak, azaz a két végük ellentétes előjelű, pozitív és negatív elektromos töltésekkel jellemezhető. A ferroelektromos nematikus fázis különlegessége és ritkasága abban rejlik, hogy az alkotó molekulák úgy rendeződnek, hogy a molekulák elektromos töltésmegosztása nem átlagolódik ki, hanem összeadódik, így az anyagnak spontán elektromos polarizációja lesz. Bár az analógia nem tökéletes, a ferroelektromos nematikus folyadékok a mágneses folyadékok (ferrofluidok) elektromos verzióiként képzelhetők el. Létezésüket már több mint száz éve megjósolták, mégis csak 2017-ben sikerült először ilyen anyagot szintetizálni.
A kutatók azt is megfigyelték, hogy ezt a mozgást hangkibocsátás kíséri, ennek magyarázatát a hang spektrumának analízise segítette, ami arra utalt, hogy cseppek a váltófeszültség hatására mechanikai rezgésbe jönnek, aminek jellemző frekvenciái a meghajtójel frekvenciája, illetve annak duplája. A kutatók eredményeiket a rangos Nature Communications folyóiratban publikálták.
Más magyar siker is született a témában
A HUN-REN közleménye megjegyezte, hogy szintén a ferroelektromos nematikus folyadékkristályokat vizsgálták az amerikai Kent State University kutatóival megvalósult együttműködés során Jákli Antal professzorral. Az együttműködés keretében a világon elsőként mutatták ki az inverz piezoelektromosság jelenséget háromdimenziós folyadékokban.
Ennek lényege, hogy a ferroelektromos nematikus folyadékra feszültséget kapcsolva, a feszültséggel egyenes arányban az anyag mechanikai elmozdulást mutat. Ráadásul a jelenség fordítva is működik, ekkor mechanikai deformáció hatására elektromos töltések keletkeznek a felületén.
A ferroelektromos nematikus folyadékkristályok elektromechanikai válaszának megértése lehetővé teszi a mechanikai energia kinyerését, ezzel pedig új utat nyit a folyadékaktuátorok, mikropozicionálók és elektromosan hangolható optikai lencsék kifejlesztéséhez. A kutatók eredményeiket a rangos Advanced Functional Materials folyóiratban publikálták.
