Жидкие кристаллы можно найти во многих областях техники, и в будущем их использование, вероятно, будет расти, например, в качестве органических полупроводников. Но для того, чтобы это стало возможным, нам все еще необходимо провести фундаментальные исследования с использованием различных экспериментальных методов, чтобы выявить структуру этих соединений и их динамику.
С этой целью в Институте ядерной физики Польской академии наук (IFJ PAN) в Кракове были проведены новые эксперименты с закаленной смектической-E (Sm-E) фазой жидких кристаллов. Смектики этого типа состоят из хорошо упорядоченных частиц, разделенных на слои.
До сих пор считалось, что расстояние между отдельными слоями частиц очень мало. Исследования, проведенные краковскими физиками, помогли проверить правильность существующих моделей и точно определить кристаллическую фазовую структуру.«Мы использовали интересную технику измерения, которая редко используется в случае жидких кристаллов.
В этом методе используются специфические характеристики позитронов, которые являются аналогами обычных электронов в антивеществе», — поясняет д-р Ева Дризек (IFJ PAN).Позитрон как античастица электрона имеет положительный заряд.
Когда позитрон встречает электрон, это может привести к аннигиляции, при которой масса обеих частиц преобразуется в электромагнитное излучение с характерной энергией.«В мире обычной материи антивещество производится физическими процессами только в следовых количествах. В ходе наших измерений мы использовали позитроны, образовавшиеся при радиоактивном распаде изотопа натрия 22», — говорит д-р Ева Юшинска-Галазка (IFJ PAN). .Позитроны радиоактивного источника проникли в исследуемый материал, в котором они встретили электроны.
Перед аннигиляцией позитрона и пары электронов может образоваться экзотический атом, называемый позитронием. В мягком веществе, таком как жидкие кристаллы или полимеры, позитроний может образовываться в нанопорах, которые представляют собой небольшие пустоты между молекулами. Измерение времени его жизни, то есть времени между испусканием позитрона из радиоактивного источника и его аннигиляцией, позволяет определить размер нанопор.
Чем меньше нанопоры, тем быстрее происходит аннигиляция.
Исследования в IFJ PAN (ставшие возможными благодаря предыдущему сотрудничеству, среди прочего, с группой доктора Божены Ясинской из Института физики Университета Марии Кюри-Склодовской в Люблине) касались позитронного облучения соединения под названием 4TCB, которое в отличие от многие другие вещества кристаллизуются не при понижении температуры, а при повышении. Результаты показали, что в материале образуется позитроний.
Однако, учитывая существующее модельное расположение молекул в фазе Sm-E, было трудно определить место, где оно могло быть размещено.«Наши измерения показывают, что нанопоры позитрония имеют размер примерно шесть ангстрем, то есть шесть десятимиллиардных долей метра.
Эти результаты согласуются с одним из вариантов новой модели Sm-E, которая была предложена совсем недавно. группой профессора Казуя Сайто из Японии, — говорит д-р Драйзек.Измерения подтвердили, что алкильные цепи — «хвосты» молекул — находятся в жидком состоянии и поэтому имеют свободу движения, как в изотропной жидкости. Стоит упомянуть, что в жидкостях в результате взаимодействия с окружающими молекулами позитроний отталкивает соседние молекулы или их части, создавая вокруг себя небольшое пустое пространство. Такое расположение можно представить как пузырь с позитронием в центре.
Японская модель Sm-E, предложенная на основе калориметрических тестов и дифракции, предполагает, что молекулы жидких кристаллов расположены в два слоя: первый состоит из жестких фенильных колец, а второй — из алкильных цепей.«В этот момент вся информация начала совмещаться! Позитроний может образовывать пузырек в слое, содержащем алкильные хвосты, поскольку они находятся в жидком состоянии. Размер образовавшегося пузыря соответствует ширине слоя», — говорит доктор Дризек.
Температурные измерения времени жизни позитрония подтвердили, что при низких температурах (жидкий азот) закаленный 4TCB создает стекло, в котором позитроний не может образоваться. Движение алкильных хвостов заморожено, и позитроний не может образовать пузырь.
С повышением температуры стекло размягчается, что можно описать как образование жидких доменов. Именно в этих доменах начинает образовываться позитроний.
Спектроскопия аннигиляции позитронов используется при испытании материалов металлов, полупроводников и полимеров. Результаты IFJ PAN доказывают, что при умелом применении этот метод может быть источником интригующей и подробной информации о структуре жидких кристаллов.