Em cristais líquidos, as moléculas se organizam automaticamente de maneira ordenada. Pesquisadores da Universidade de Luxemburgo descobriram um método que permite um estado anti-ordenado, que permitirá novas propriedades de materiais e potencialmente novas aplicações técnicas, como músculos artificiais para robótica suave. Eles publicaram suas descobertas na revista científica Avanços da Ciência .

A equipe de pesquisa do Prof. Jan Lagerwall da Universidade de Luxemburgo estuda as características dos cristais líquidos, que podem ser encontrados em muitas áreas, desde membranas celulares no corpo até telas em muitos dispositivos eletrônicos. O material combina mobilidade e flexibilidade semelhantes a líquido e ordem de longo alcance de suas moléculas; o último é, por outro lado, uma característica típica dos cristais sólidos. Isso dá origem a propriedades notáveis ​​que tornam os cristais líquidos tão versáteis que são escolhidos para desempenhar funções vitais pela natureza e por empresas bilionárias.

Muitas das propriedades de um material dependem da maneira como suas moléculas estão organizadas. Desde o final dos anos 1930, os físicos usam um modelo matemático para descrever a ordem molecular dos cristais líquidos. O chamado parâmetro de ordem atribui um número que indica o quão bem ordenadas as moléculas estão. Este modelo usa uma faixa positiva para descrever os cristais líquidos aos quais estamos acostumados. Ele também pode atribuir um intervalo negativo que descreve um estado "anti-ordenado", onde as moléculas evitariam uma determinada direção em vez de se alinharem ao longo dela.

Até aqui, este intervalo negativo permaneceu estritamente hipotético, como nenhum cristal líquido desenvolveu um estado anti-ordenado na prática. As teorias padrão para cristais líquidos sugerem que tal estado é possível, mas não seria estável. "Você pode comparar isso a um slide que tem uma saliência muito leve no meio. Você pode desacelerar quando chegar à saliência, no nosso caso, o estado anti-ordenado instável, mas não o suficiente para você parar, e, portanto, você descerá até o estado estável, o mínimo de energia global, onde você inevitavelmente termina com ordem positiva. Se você conseguisse parar o passeio no solavanco, um intervalo negativo seria possível, "explica Jan Lagerwall.

Isso é exatamente o que V.S.R. Jampani, o principal autor do artigo, e colegas de trabalho alcançados pela primeira vez em seu estudo. "O truque para evitar que o sistema alcance o mínimo de energia global é polimerizá-lo suavemente em uma rede fracamente conectada enquanto ele é dissolvido em um solvente líquido normal, "diz o Dr. Jampani." Esta rede é então esticada em todas as direções dentro de um plano, ou comprimido ao longo de uma única direção perpendicular ao plano, de modo que as moléculas que formam a rede se alinhem ao plano, mas sem nenhuma direção particular naquele plano. "À medida que o solvente é evaporado, a fase de cristal líquido se forma e, devido ao peculiar alongamento no plano da rede, ele é forçado a adotar o estado de parâmetro de ordem negativa, onde as moléculas evitam a direção da normal para o plano. "Este cristal líquido não tem escolha a não ser se estabelecer com o mínimo de energia secundária, uma vez que o mínimo de energia global é tornado inacessível pela rede, "adiciona Lagerwall.

Quando a rede é fortalecida por uma segunda rodada de polimerização, o comportamento em função da temperatura pode ser estudado. "Redes de cristal líquido são fascinantes para parâmetros de ordem positiva e negativa, porque a ordenação - ou anti-ordenação - em combinação com a rede de polímero permite que ele mude espontaneamente sua forma em resposta às mudanças de temperatura. A rede de cristal líquido é efetivamente uma borracha que se estica ou relaxa por conta própria, sem ninguém aplicar uma força, "diz o Prof. Lagerwall.

Acontece que o comportamento da borracha de cristal líquido de parâmetro de ordem negativa é exatamente oposto ao das borrachas de cristal líquido normais. "Opticamente, quando uma borracha de cristal líquido normal mostra uma certa cor entre os polarizadores cruzados, a versão do parâmetro de ordem negativa mostra a cor complementar. Mecanicamente, quando uma borracha de cristal líquido normal se contrai ao longo de uma direção e se expande no plano perpendicular a ela, o parâmetro de ordem negativa borracha se expande ao longo da primeira direção e encolhe no plano perpendicular, "Lagerwall explica.

Os pesquisadores criaram suas borrachas de cristal líquido de parâmetro de ordem negativa na forma de conchas esféricas de tamanho milimétrico, que eles então cortam em pedaços menores com várias formas. Dependendo de como o corte foi feito, uma variedade de comportamento de mudança de forma pode ser realizada, mostrando que o sistema pode funcionar como um atuador flexível, "efetivamente um músculo artificial. Como as borrachas de cristal líquido de ordem negativa e positiva agem de maneiras opostas, isso abre para maneiras interessantes de combinar os dois, para fazer um atuador composto mais eficaz, por exemplo, para robótica leve. Quando o atuador de ordem positiva responde lentamente, o de ordem negativa atua rapidamente, e vice versa. Do ponto de vista da física fundamental, a existência física do estado de cristal líquido anti-ordenado previamente previsto apenas teoricamente abre para muitos experimentos interessantes, bem como o desenvolvimento de teoria para o comportamento de matéria mole auto-organizável.