Tecnologia Científica

Os cientistas criam cristais líquidos que se parecem muito com seus equivalentes sólidos
As descobertas do grupo, publicadas hoje na revista Nature , podem um dia levar a novos tipos de janelas inteligentes e telas de televisão ou computador que podem dobrar e controlar a luz como nunca antes.
Por Daniel Strain - 10/02/2021


Cristais monoclínicos sólidos, como o gesso, são compostos de átomos dispostos em forma de coluna inclinada - o que os cientistas chamam de estado de "baixa simetria". Crédito: Pixabay

Uma equipe da University of Colorado Boulder projetou novos tipos de cristais líquidos que espelham as estruturas complexas de alguns cristais sólidos - um grande passo à frente na construção de materiais fluidos que podem corresponder à diversidade colorida de formas vistas em minerais e pedras preciosas, de lazulita a topázio.

As descobertas do grupo, publicadas hoje na revista Nature , podem um dia levar a novos tipos de janelas inteligentes e telas de televisão ou computador que podem dobrar e controlar a luz como nunca antes.

Os resultados se resumem a uma propriedade dos cristais sólidos que será familiar a muitos químicos e gemologistas: simetria.

Ivan Smalyukh, professor do Departamento de Física da CU Boulder, explicou que os cientistas categorizam todos os cristais conhecidos em sete classes principais, além de muitas outras subclasses - em parte com base nas "operações de simetria" de seus átomos internos. Em outras palavras, de quantas maneiras você pode colocar um espelho imaginário dentro de um cristal ou girá-lo e ainda ver a mesma estrutura? Pense neste sistema de classificação como os 32 sabores de Baskin-Robbins, mas para minerais.

Até o momento, no entanto, os cientistas não foram capazes de criar cristais líquidos - materiais fluidos encontrados na maioria das tecnologias de display modernas - que vêm com esses mesmos sabores.

"Nós sabemos tudo sobre todas as possíveis simetrias de cristais sólidos que podemos fazer. Existem 230 deles", disse Smalyukh, autor sênior do novo estudo que também é membro do Instituto de Energia Renovável e Sustentável (RASEI) da CU Pedregulho. "Quando se trata de cristais líquidos nemáticos, o tipo na maioria das telas, temos apenas alguns que foram demonstrados até agora."

Isto é, até agora.

Em suas últimas descobertas, Smalyukh e seus colegas descobriram uma maneira de projetar os primeiros cristais líquidos que se assemelham aos cristais monoclínicos e ortorrômbicos - duas das sete classes principais de cristais sólidos. As descobertas, disse ele, trazem um pouco mais de ordem ao mundo caótico dos fluidos.

"Existem muitos tipos possíveis de cristais líquidos, mas, até agora, muito poucos foram descobertos", disse Smalyukh. "Essa é uma ótima notícia para os alunos porque há muito mais para descobrir."

Um cristal líquido tradicional "nemático" visto ao microscópio. Crédito: Smalyukh Lab

Simetria em ação

Para entender a simetria nos cristais, primeiro imagine seu corpo. Se você colocar um espelho gigante no meio do rosto, verá um reflexo que se parece (mais ou menos) com a mesma pessoa.
 
Os cristais sólidos têm propriedades semelhantes. Cristais cúbicos, que incluem diamantes e pirita, por exemplo, são feitos de átomos dispostos na forma de um cubo perfeito. Eles têm muitas operações de simetria.

"Se você girar esses cristais em 90 ou 180 graus em torno de muitos eixos especiais, por exemplo, todos os átomos permanecem nos lugares certos", disse Smalyukh.

Mas também existem outros tipos de cristais. Os átomos dentro dos cristais monoclínicos, que incluem gesso ou lazulita, são dispostos em uma forma que se parece com uma coluna inclinada. Vire ou gire esses cristais o quanto quiser e eles ainda terão apenas duas simetrias distintas - um plano de espelho e um eixo de rotação de 180 graus, ou a simetria que você pode ver girando um cristal em torno de um eixo e observando que ele parece o mesmo a cada 180 graus. Os cientistas chamam isso de estado de "baixa simetria".

Cristais líquidos tradicionais, entretanto, não exibem esses tipos de estruturas complexas. Os cristais líquidos mais comuns, por exemplo, são feitos de pequenas moléculas em forma de bastonete. Sob o microscópio, eles tendem a se alinhar como macarrão seco jogado em uma panela, disse Smalyukh.

"Quando as coisas podem fluir, geralmente não exibem essas simetrias baixas", disse Smalyukh.

Gráfico que mostra o arranjo das moléculas em forma de disco em um cristal líquido
monoclínico com duas simetrias. Créditos: Smalyukh Lab

Pedido em líquidos

Ele e seus colegas queriam ver se podiam mudar isso. Para começar, a equipe misturou dois tipos diferentes de cristais líquidos. A primeira era a classe comum composta de moléculas em forma de bastonete. O segundo era feito de partículas em forma de discos ultrafinos.

Quando os pesquisadores os reuniram, eles notaram algo estranho: sob as condições certas no laboratório, esses dois tipos de cristais empurravam e apertavam um ao outro, mudando sua orientação e disposição. O resultado final foi um fluido nemático de cristal líquido com simetria que se parece muito com a de um cristal monoclínico sólido. As moléculas internas exibiam alguma simetria, mas apenas um plano de espelho e um eixo de rotação de 180 graus.

O grupo havia criado, em outras palavras, um material com as propriedades matemáticas de um cristal de lazulita ou gesso - mas o deles podia fluir como um fluido.

"Estamos fazendo uma pergunta muito fundamental: quais são as maneiras pelas quais você pode combinar ordem e fluidez em um único material?" Smalyukh disse.

E as criações da equipe são dinâmicas: se você aquecer ou resfriar os cristais líquidos, por exemplo, poderá transformá-los em um arco-íris de estruturas diferentes, cada uma com suas propriedades, disse Haridas Mundoor, principal autor do novo artigo . Isso é muito útil para engenheiros.

"Isso oferece diferentes caminhos que podem modificar as tecnologias de exibição, o que pode aumentar a eficiência energética no desempenho de dispositivos como telefones inteligentes", disse Mundoor, um associado de pesquisa de pós-doutorado na CU Boulder.

Ele e seus colegas ainda estão longe de fazer cristais líquidos que podem replicar todo o espectro de cristais sólidos. Mas o novo jornal os deixa mais próximos do que nunca - uma boa notícia para os fãs de coisas brilhantes em todos os lugares.

 

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