Os cristais líquidos sofrem um tipo peculiar de mudança de fase. A uma certa temperatura, suas moléculas em forma de charuto vão de um amontoado desordenado a um arranjo mais ordenado, no qual todas apontam mais ou menos na mesma direção. As televisões LCD aproveitam essa mudança de fase para projetar cores diferentes em imagens em movimento.

Por anos, Contudo, experimentos sugeriram outro estado de cristal líquido - um estado intermediário entre os estados desordenado e ordenado no qual a ordem começa a emergir em manchas discretas conforme um sistema se aproxima de sua temperatura de transição. Agora, Químicos da Brown University demonstraram uma estrutura teórica para detectar esse estado intermediário e para entender melhor como ele funciona.

"As pessoas entendem muito bem os comportamentos ordenados e desordenados, mas o estado em que essa transição está prestes a acontecer não é bem compreendido, "disse Richard Stratt, professor de química na Brown e co-autor de um artigo que descreve a pesquisa. "O que descobrimos é uma espécie de parâmetro para medir se um sistema está neste estado. Isso nos dá uma ideia do que procurar em termos moleculares para ver se o estado está presente."

A pesquisa, publicado no Journal of Chemical Physics , poderia lançar uma nova luz não apenas sobre os cristais líquidos, mas também o movimento molecular em outras partes da natureza - fenômenos como os emaranhados de proteínas envolvidos na doença de Alzheimer, por exemplo. O trabalho foi liderado por Yan Zhao, um Ph.D. aluno do laboratório de Stratt que espera se formar na Brown nesta primavera.

Para o estudo, os pesquisadores usaram simulações de computador de mudanças de fase em um sistema simplificado de cristal líquido que incluía algumas centenas de moléculas. Eles usaram a teoria da matriz aleatória, uma estrutura estatística frequentemente usada para descrever sistemas complexos ou caóticos, para estudar seus resultados de simulação. Eles mostraram que a teoria faz um bom trabalho ao descrever o sistema nos estados ordenado e desordenado, mas falha em descrever o estado de transição. Esse desvio da teoria pode ser usado como uma prova para identificar as regiões do material onde a ordem está começando a emergir.

"Quando você percebe que está neste estado em que a teoria não funciona, você pode cavar e perguntar o que deu errado, "Stratt disse." Isso nos dá uma idéia melhor do que essas moléculas estão fazendo. "

A teoria da matriz aleatória prevê que as somas de variáveis ​​não correlacionadas - neste caso, as direções para as quais as moléculas estão apontando - devem formar uma distribuição da curva em forma de sino quando representadas em um gráfico. Stratt e Zhao mostraram que isso é verdade para as moléculas nos cristais líquidos quando estão em estados desordenados e ordenados. No estado desordenado, a distribuição da curva do sino é gerada pelas orientações inteiramente aleatórias das moléculas. No estado ordenado, as moléculas estão alinhadas ao longo de um eixo comum, mas cada um deles se desvia um pouco - alguns apontando um pouco para a esquerda do eixo e outros um pouco para a direita. Esses desvios aleatórios, como as posições aleatórias da molécula no estado desordenado, pode ser ajustado a uma curva de sino.

Mas a distribuição da curva em sino desmoronou pouco antes de ocorrer a mudança de fase, conforme a temperatura do sistema estava caindo para sua temperatura de transição. Isso sugere que as moléculas em partes distintas do sistema estavam se correlacionando umas com as outras.

"Agora você tem vários conjuntos de moléculas começando a cooperar entre si, e isso causa os desvios da curva do sino, "Stratt disse." É como se essas moléculas estivessem antecipando que esse estado totalmente ordenado vai acontecer, mas nem todos decidiram que direção tomarão ainda. É um pouco como política, onde todos concordam que algo precisa mudar, mas eles não descobriram exatamente o que fazer. "

Stratt diz que o trabalho pode ser útil para fornecer uma visão sobre o que governa a eficácia do movimento molecular. Em cristais líquidos ordenados e desordenados, as moléculas são livres para se moverem com relativa liberdade. Mas no estado intermediário, esse movimento é inibido. Este estado então representa uma situação na qual o progresso molecular está começando a desacelerar.

"Existem muitos problemas nas ciências naturais onde o movimento das moléculas é lento, "Stratt disse." As moléculas de vidro fundido, por exemplo, diminua progressivamente à medida que o líquido esfria. Os emaranhados de proteínas envolvidos na doença de Alzheimer são outro exemplo em que o arranjo molecular faz com que o movimento seja lento. Mas que regras governam essas moléculas à medida que diminuem a velocidade? Não o entendemos totalmente. "

Stratt espera que uma melhor compreensão do movimento lento da molécula em cristais líquidos possa fornecer um plano para a compreensão do movimento lento em outras partes da natureza.