В Южно-Уральском государственном университете создана уникальная международная Лаборатория молекулярной электроники, которая изучает свойства и применение в современном мире самых загадочных субстанций — жидких кристаллов.
Жидкие кристаллы (ЖК) были открыты еще в 1888 году австрийским ботаником Ф. Рейнитцером, который обратил внимание на их два различных жидких состояния — мутное и прозрачное. Долгое время физики и химики не признавали существование жидких кристаллов, поскольку это напрочь опровергало теорию о трех состояниях вещества: твердом, жидком и газообразном. Однако именно комбинация особых физических свойств ЖК и выделяет их в поистине уникальный класс материалов.
«Жидкие кристаллы представляют собой уникальные состояния материи, которые характеризуются как ориентационным (в некоторых случаях и пространственным) упорядочением молекул, как у твердых кристаллов, так и свойством текучести, как у жидкостей, — поясняет руководитель Лаборатории молекулярной электроники ЮУрГУ Федор Подгорнов. — Кроме того, жидкие кристаллы — это единственный класс жидкостей, обладающий свойством упругости».
Все эти свойства плюс высокая чувствительность жидких кристаллов к слабым внешним полям (электрическим, магнитным, тепловым и др.) делают их наиболее конкурентоспособным материалом для применения в различных областях: от электроники и медицины до военной техники и даже космологии. Ученые уверены, что развитие технологий Индустрии 4.0 неразрывно связано с применением жидких кристаллов.
«Пока жидкокристаллические дисплеи имеют неоспоримые преимущества перед всеми остальными конкурирующими технологиями. Более того, уже найдены более совершенные технологии их применения. Обнаружено, что жидкие кристаллы могут применяться для создания так называемых гибридных ЖК-дисплеев, которые способны работать одновременно в двух режимах — в привычном нам активно-матричном и в электрофоретическом (когда дисплей работает, как электронная книга-читалка, эргономичная и комфортная для зрения). Другое перспективное направление развития ЖК-дисплеев — это голографические дисплеи, которые могут применяться от бытовых телевизоров до автомобилей и 3D визуализации томографических изображений», — рассказывает руководитель Лаборатории молекулярной электроники.
Другим важным приложением жидких кристаллов является их использование в качестве пространственно-временного модулятора в поляризационных устройствах. Данные приборы позволяют дистанционно и не инвазивно проанализировать, например, состояние глазного дна и выявить глаукому на ранних стадиях развития или рак кожи, проконтролировать состояние сельскохозяйственных посевов или идентифицировать закамуфлированные объекты (например, в сфере обеспечения государственной безопасности). Особое внимание сегодня уделяется применению жидких кристаллов в биологии.
«Клеточные мембраны состоят из лиотропных ЖК, а их ионные каналы, в свою очередь, содержат материалы, которые являются сегнетоэлектрическими* жидкими кристаллами. Таким образом, понимание физических процессов формирования фаз жидких кристаллов, а также их взаимодействиями с внешними полями позволяет контролировать организмы на клеточном уровне, — поясняет Федор Валерьевич. — Среди новых, перспективных направлений применения ЖК я бы выделил еще фотовольтаические устройства (сенсибилизированные красителями солнечные батареи). Ведь использование специфических жидких кристаллов в качестве электролита позволит человечеству вскоре производить экологически чистые, гибкие батареи, которые можно монтировать куда угодно».
Федор Валерьевич Подгорнов подчеркивает также перспективность использования металлоорганических жидких кристаллов (металломезогенов) в качестве элементов квантового компьютера. Металлосодержащие органические материалы обладают самым большим временем декогеренции**, что крайне необходимо для произведения квантовых вычислений.
Однако наибольший интерес у команды ученых Южно-Уральского государственного университета вызывает применение жидких кристаллов в электронике. Для исследования материалов будущего и их свойств в 2016 году в ЮУрГУ в рамках Проекта 5-100 была создана лаборатория мирового уровня с мощным оборудованием, не имеющим аналогов в России. Куратором Лаборатории молекулярной электроники стал один из признанных в мире ученых — специалист по жидким кристаллам, профессор Вольфганд Хаазе (Дармштадский Технический Университет, Германия) с Индексом Хирша-49, чьи научные работы имеют около 12000 цитирований. Руководителем лаборатории со стороны ЮУрГУ является последователь профессора Хаазе, доцент кафедры физической электроники Института естественных и точных наук Федор Подгорнов.
«Специализацией нашей лаборатории является изучение электрооптических свойств жидких кристаллов, в частности, сегнетоэлектрических жидких кристаллов, мы работаем над созданием жидкокристаллических нанокомпозитных материалов и их применением в оптоэлектронике, исследуем электрокинетические эффекты в жидких кристаллах, явления самоорганизации микро-и наночастиц в ЖК, — рассказывает Федор Валерьевич. — Также в область наших научных интересов входит импедансная спектроскопия и электрическая характеризация органических материалов и устройств на их основе. Идентификация релаксационных процессов, исследование эффектов, связанных с транспортом электрических зарядов в органических материалах».
Особое значение в Лаборатории молекулярной электроники отдается изучению перспективного направления — применению жидкокристаллических материалов в гибких фотовольтаических устройствах (солнечных батареях) в качестве электролита. В настоящее время ученые ЮУрГУ работают над исследованием физических эффектов, влияющих на перенос зарядов в жидких кристаллах и жидкокристаллических нанокомпозитах, с целью разработки эффективных электролитов для создания нового поколения гибких солнечных батарей.
Для справки
*Сегнетоэлектричество — явление возникновения в определенном интервале температур спонтанной поляризации в кристалле, даже в отсутствии внешнего электрического поля, которая может быть переориентирована его приложением.
**Декогеренция — это процесс нарушения когерентности (от лат. cohaerentio — сцепление, связь), вызываемый взаимодействием квантовомеханической системы с окружающей средой посредством необратимого, с точки зрения термодинамики, процесса. То есть система смешивается или запутывается с окружающей средой.
