Die Dynamik der Strukturumwandlung flüssigkristalliner blauer Phasen bietet neue Möglichkeiten für fortschrittliche Materialien

Forscher haben wichtige Erkenntnisse darüber gewonnen, wie sich Flüssigkristalle – Materialien, die in der Lage sind, komplexe geordnete Strukturen zu bilden – zwischen verschiedenen Phasen umwandeln. Veröffentlicht In Verfahren der National Academy of SciencesDie Studie liefert ein klareres Verständnis dafür, wie diese Materialien ihre Strukturen auf mikroskopischer Ebene verändern. Diese Forschung könnte ein Mittel sein, um einen tieferen Einblick in die Transformation zwischen verschiedenen Strukturen in einer größeren Vielfalt von Materialien zu geben.

Flüssigkristalle sind Materialien, die sowohl Eigenschaften von Flüssigkeiten als auch von Feststoffen aufweisen. Sie fließen wie Flüssigkeiten, können aber auch wie Feststoffe geordnete Strukturen bilden. Flüssigkristalle werden häufig in Geräten wie Digitalanzeigen, lichtempfindlichen Materialien und Sensoren verwendet. Doch trotz ihrer weiten Verbreitung war das Verständnis ihrer Reorganisation auf mikroskopischer Ebene lange Zeit eine wissenschaftliche Herausforderung, und die zugrunde liegenden Mechanismen blieben unklar.

Professor Jun-ichi Fukuda vom Fachbereich Physik der Universität Kyushu führte in Zusammenarbeit mit Dr. Kazuaki Z. Takahashi vom National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) und der Japan Science and Technology Agency (JST) eine Studie mit dem Schwerpunkt durch cholesterische blaue Phasen, eine spezielle Art von Flüssigkristallen, die sich durch ihre einzigartige kubische Symmetrie auszeichnet. Diese blauen Phasen bilden komplexe dreidimensionale Strukturen mit besonderen Eigenschaften, was sie zu einem Thema von großem Interesse sowohl in der Grundlagenwissenschaft als auch in der Werkstofftechnik macht.

Das Team untersuchte den Übergang von einer blauen Phase, BP II, zu einer anderen, BP I. Wenn BP II in BP I übergeht, bildet der Flüssigkristall Zwillingsgrenzen – Bereiche, in denen sich zwei Teile des Materials unterschiedlich ausrichten. Frühere experimentelle Studien konnten den detaillierten Mechanismus der Umwandlung blauer Phasen unter Bildung von Zwillingsstrukturen nicht erfassen.

Um ein tieferes Verständnis dieses Prozesses zu erlangen, nutzte das Team Computersimulationen von Fukuda und MALIO, einem maschinellen Lerntool von Takahashi, das zur Analyse und Unterscheidung der lokalen Strukturen der Flüssigkristallphasen BP I und BP II entwickelt wurde. Die Nutzung des letztgenannten Ansatzes des maschinellen Lernens ermöglicht es, zwischen den BP II- und BP I-Strukturen zu unterscheiden und ihre Entwicklung im Laufe der Zeit zu analysieren.

Die vom Team entwickelte Strategie ermöglichte die Verfolgung der Transformation in Echtzeit und enthüllte wichtige Phasen des Übergangs, wie etwa die Bildung kleiner BP I-Domänen, die wachsen und schließlich Zwillingsgrenzen bilden. Ihr Ansatz liefert wertvolle Einblicke in die Entstehung und das Wachstum von Zwillingsstrukturen während der Transformation.

„Die Dynamik weicher Materialien wie Flüssigkristalle ist hochkomplex“, sagt Fukuda. „Diese Arbeit hat uns ein tieferes Verständnis dafür vermittelt, wie sich diese Materialien auf mikroskopischer Ebene verändern.“

Der in dieser Studie vorgestellte Ansatz könnte auch zeigen, wie hierarchische Strukturen in weichen Materialien wie Polymeren und biologischen Systemen ähnliche Phasenübergänge durchlaufen.

„Unsere Methode ist nicht auf Flüssigkristalle beschränkt“, erklärt Fukuda. „Es kann auf andere komplexe Materialien angewendet werden, was neue Einblicke in die Bildung und Veränderung von Strukturen in Systemen bieten kann.“