Institute of High Pressure Physics

W aktualnym numerze prestiżowego czasopisma Nanomaterials  (IF = 4.36), vol. 10, p.2343 (2020) ukazała się praca ‘Dynamics and Pretransitional Effects in C60 Fullerene Nanoparticles and Liquid Crystalline Dodecylcyanobiphenyl (12CB) Hybrid System’: Sylwester J. Rzoska, Szymon Starzonek, Joanna Łoś, Aleksandra Drozd-Rzoska, Samo Kralj. To kolejna z serii prac poświęconych kompozytom nanocząstek i ciekłych kryształów, w sposób istotny ustanawiająca pozycję Naszego Instytutu oraz laboratoriów NL10 i NL7 w tej nowej dziedzinie ‘hybrydowej’ miękkiej materii’,  nanomateriałów i fizyki ciekłych kryształów.

Rysunek przedstawia zmiany czasów relaksacji w dodecylcyanobiphenyl’u (12CB) i jego nano-kolloidach z fullerenem C₆₀, w fazie izotropowej oraz ciekłokrystalicznej (Smektyk A). Prezentacja w ‘ skali Arrhenius’a’. Pokazane są też molekuły 12CB i sposoby ich relaksacji. Widoczne są silne wpływy niewielkich domieszek fullerenu na dynamikę.  Smektyk A posiada uporządkowanie jedno-osiowe (orientacyjne) oraz warstwowe (1-wymiarowe) translacyjne). Dopasowanie danych doświadczalnych za pomocą nowego ‘mieszanego’ równania krytyczno-aktywacyjnego wprowadzonego w pracy [A. Drozd-Rzoska, Scientific Reports 9, 6861 (2019)]: parametr ‘Omega’ to wykładnik potęgowy (’krytyczny’), a T* to temperatura osobliwa poniżej hipotetycznej temperatury szkła.

Unikalnym wyróżnikiem tych badań jest koncentracja na efektach przedprzejściowych (‘quasi-krytycznych’) i złożonej, ‘szklistej’ dynamice, przy zastosowaniu innowacyjnej ‘różniczkowej’ metodyki analizy danych. Okazało się, że minimalny dodatek fullerenów, od 0.05% d 0.1%, może nawet o 20 % zmienić wartość stałej dielektrycznej, indukować nieoczekiwane efekty przedprzejściowe ciało stałe – faza smektyczna oraz  prowadzić do zaskakującej zmiany dynamiki od złożonego wzorca Super-Arrheniusa do prostego opisu Arrheniusa i znowu do Super-Arrheniusa. Dzięki współpracy z Prof., Samo Kralj możliwa okazała się teoretyczna interpretacja tych wyników za pomocą rozwiniętego modelu Landaua - de Gennesa – Ginzburga, wskazująca na zasadniczą rolę defektów topologicznych w pojawianiu się tak niezwykłych własności fizycznych. Wynik ten wskazuje na piękny w swej naturze związek pomiędzy efektami przedprzejściowymi, dynamiką, oraz defektami topologicznymi w obecności nanocząstek. Pokazuje on, że hybrydowe kompozyty ciekły kryształ – nanocząstki to unikalne narzędzie do badania wręcz modelowych defektów topologicznych ‘wprost na stole laboratoryjnym’ – dzięki ich wizualizacji w mikroskali.

Potencjalne aplikacje dotyczą nowych generacji displejów i urządzeń optoelektronicznych, bowiem nanocząstki i związane z nimi ‘defekty’ nadają ciekłym kryształom niezwykłe własności fizyczne, które w dodatku można precyzyjne kontrolować za pomocą rodzaju i stężenia nanocząstek.  Okazuje się też, że szczególnie ‘innowacyjne’ efekty pojawiają się tylko przy bardzo małych stężeniach nanocząstek (!), co jest dodatkowym czynnikiem korzystnym dla przyszłych aplikacji.

Warto zaznaczyć, że publikacja i „Open Access” w Nanomaterials nie była związana z żadnymi kosztami, dzięki decyzji Edytora. Pracę zrealizowano w ramach grantu NCN OPUS ‘Previtreous dynamics in model experimental systems: liquid crystals and plastic crystals’ (kier. A. Drozd-Rzoska).  Praca stanowi także ważny element dla nowego wspólnego grantu  IWC PAN (Polska) i Josef Stefan Institute (Słowenia), przy współpracy kolegów z USA i Indii.