От умных окон до загадок Вселенной: физики БГУ раскрыли механизм памяти в жидких кристаллах

Ученые БГУ выяснили, как заставить «умное стекло» сохранять свое состояние без затрат электричества. Оказалось, что разгадка кроется в геометрии микроскопических капель внутри материала. А необычные структуры, которые при этом возникают в пленках, описываются похожими математическими моделями, что и процессы в космологии или квантовых вычислениях.

Обычные смарт-стекла, используемые в современной технике, требуют постоянного питания: пока есть ток – стекло прозрачное, нет тока – матовое. Однако существуют жидкокристаллические композитные материалы, обладающие электромеханическим эффектом памяти. После воздействия электрического поля они способны частично сохранять новое состояние. Это открывает путь к созданию энергоэффективных экранов и окон, где энергия тратится только в момент переключения режима.

Команда исследователей из лаборатории физики неупорядоченных систем БГУ решила выяснить, почему в одних случаях эта память работает отлично, а в других пропадает. В своих ранних публикациях ученые связывали эффект памяти с образованием специфических искажений – топологических дефектов, которые под микроскопом выглядят как узоры в форме четырехлистного клевера. Однако в своей разработке бурятские физики сделали важный шаг вперед. Смешав жидкий кристалл с поливинилацетатом (основа знакомого всем клея ПВА), они доказали, что красивые «клеверные» дефекты – это лишь индикатор. Настоящей причиной памяти является геометрия самих капель жидкого кристалла.

«Мы выяснили, что максимальный эффект памяти достигается при строгой пропорции компонентов – 2:1. В этом случае капли жидкого кристалла приобретают слегка сплюснутую форму, – отмечает заведующий лаборатории физики неупорядоченных систем БГУ  Тимур Чимытов.  - Эта геометрия создает энергетический барьер, и системе становится сложнее вернуться в исходное состояние после выключения поля. Если капли остаются круглыми, эффект памяти не возникает, а если жидкого кристалла добавить слишком много, капли сливаются друг с другом, и эффект также сходит на нет».

Интересно, что подобные топологические структуры изучают не только в жидких кристаллах. Схожие математические подходы используются в космологии, квантовых системах и теории фазовых переходов.В биомедицине жидкие кристаллы уже помогают создавать сверхчувствительные сенсоры и исследовать поведение живых клеток. Это делает полимерные пленки удобной и доступной лабораторной моделью для изучения универсальных законов физики.