Метаморфические материалы - исследования жидких кристаллов в Институте Вейцмана

Что общего между уникальными жидкокристаллическими материалами и образованием морщин?

Мы привыкли думать о существовании материи в одном из трех состояний: газ, жидкость или твердое тело. Однако природа не любит таких школьных ограничений. Одно из её "нестандартных" творений - это жидкие кристаллы, состояние материи, структура которого более упорядочена, чем жидкость, но меньше, чем жесткая структура атомов в твердом кристалле.

Доктор Гилель Ахарони, исследователь отделения физики сложных систем в Научном институте им. Вейцмана в Реховоте, решил выяснить, что происходит, когда определенные виды жидких кристаллов добавляются в другие материалы, например, мягкие материалы, сделанные из полимеров.

Одна из этих групп материалов известна под именем "нематические эластомеры". Речь идет об эластичных материалах, в которых в каждой точке есть какое-то предпочтительное направление. Это может быть, например, полимерная сеть, содержащая молекулы жидких кристаллов. Каждая точка в структуре такого материала «запрограммирована» на сжатие или удлинение вдоль его предпочтительной оси в ответ на изменение условий окружающей среды. Эти изменения могут быть повышением температуры, воздействием магнитного поля, освещением или каким-либо другим видом изменений. В отличие от металла, который при нагревании равномерно расширяется во всех направлениях, нематический эластомер при нагревании расширяется только в одном направлении.

Если из такого материала изготовить большой лист, то при нагревании его неравномерное расширение приведет к деформации листа при расширении различных частей - каждая в своем направлении. Произойдет геометрическая метаморфоза - двумерная плоскость преобразится в трехмерную криволинейную поверхность. Ахарони вместе с коллегами разработал методы контроля ориентации нематических жидких кристаллов, встроенных в полимерную сетку для формирования заранее заданных геометрических форм, что открывает большое поле для применения таких материалов в будущем. 

Еще одна область исследований Аарони и его коллег - образование морщин - находится на стыке между физикой, биологией и медициной. Виды формирования морщин можно математически описать как сходные с поведением некоторых жидких кристаллов, и на этой базе, возможно, удастся смоделировать старение человеческой кожи. Программа, основанная на таких математических формулах, сможет, например, показать, как молодой человек будет выглядеть спустя десятилетия, или "состарить" фото давно разыскиваемого преступника, чтобы показать, как он может выглядеть сегодня.

Источник: MFA
Фото: Институт Вейцмана