这种特殊的有序性，有望掀起一场技术革新
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液晶是一种物态 ， 顾名思义 ， 它是同时具有固体和液体性质的分子晶体 ， 结合了类似液体和固体的行为 。 事实上 ， 液晶这个词本身包含着矛盾 ， 因为晶体代表着有序和规则 ， 而液体则被熵“主宰” ， 液体中的原子或分子是完全无序的 。 （详见《它是如何做到集有序与无序于一身的？》 。 ）
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氯化钠分子结构（左 ， 绿色代表氯原子 ， 紫色代表钠原子）与液体中原子（右）的理想化描绘 。由于液晶的这种有序性与无序性共存的特殊性质 ， 液晶具有独特的光学性质 ， 液晶已经成为我们生活中不可或缺的一部分 。 从笔记本电脑到电视 ， 再到手机 ， 液晶显示器（LCD）已经成了许多电子设备的“标配” 。
20世纪70年代以来 ， 向列相液晶一直是液晶材料研究的热点 。 想象你手上握着一把“针” ， 但这些“针”其实是向列相液晶具有极性的杆状分子 ， “针”的头部（钝端）带有正电荷 ， 尾部（尖端）带有负电荷 。 现在 ， 松手把这些“针”丢在桌子上 ， 在传统的向列相液晶中 ， 一半的“针”指向左边 ， 另一半指向右边 ， 方向是随机的 。
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向列相液晶分子示意图 。 |图片来源：IAS然而 ， 铁电向列相液晶则会更有秩序 。 在这样一种液晶中 ， 液晶样品里会形成斑块 ， 或者叫“畴”（domain） ， 斑块内的分子都指向同一个方向 ， 要么都向左 ， 要么都向右 。 用物理学的术语来说 ， 这些材料是极性有序的 。
近日 ， 科罗拉多大学博尔德分校软材料研究中心（SMRC）的研究人员就发现了这样一种液晶的“铁电向列相” 。 这项新发现背后是科学家一个多世纪的寻找 ， 它打开了一扇通往新材料世界的大门 ， 从新型显示屏到全新概念的计算机储存器 ， 它有望开启大量的技术创新 。
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20世纪初 ， 诺贝尔奖得主PeterDebye和MaxBorn提出 ， 如果正确地设计液晶 ， 它的分子可以自发地进入极性有序的状态 。
不久之后 ， 研究人员开始发现 ， 固体晶体中有类似的现象 ， 它们的分子也会指向相同的方向 。 在施加的电场的作用下 ， 分子也可以反转 ， 从右向左或从右向左地转向 。 由于这些固体晶体看起来与磁铁很相似 ， 它们被称为“铁电体” 。 在此后的几十年间 ， 科学家一直在努力寻找一种能表现出相同行为的液晶相 。
几年前 ， 一组英国科学家创造了一种有机分子 ， 名为RM734 。 先前的研究已经发现 ， RM734在更高的温度下显示出传统的向列相液晶相 。 在较低的温度下 ， 它出现了另一个不寻常的相 。
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RM734的结构和在铁电向列相中的分子排列示意图 。 P和箭头代表分子极性方向 。 |图片来源：[2]SMRC主任、物理学家NoelClark带领团队开始仔细研究RM734 。 当他们试图在显微镜下观察那个奇怪的相时 ， 他们注意到了一些新的东西 。 在弱电场下 ， 一些醒目的颜色朝着含有液晶的单元边缘显现出来 。 就好比是 ， 将灯泡通电进行测试 ， 但发现插座和连接线反而更亮 。
研究人员进行了更多测试 ， 发现RM734的这个相 ， 对电场的响应是普通的向列相液晶的100到1000倍 。 这表明构成液晶的分子表现出很强的极性有序性 。 Clark介绍 ， 这就好像是 ， 当所有分子都指向左边 ， 它们都看到了一块区域 ， 指示显示“向右走”的时候 ， 这些分子的反应非常明显 。
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在新发现的液晶相中 ， 当研究人员施加小的电场 ， 颜色会产生变化 ， 这可以简化地理解成由于电场变化 ， 区域中极性方向产生了变化 。 |图片来源：SMRC团队还发现 ， 当液晶从更高的温度冷却下来时 ， 似乎会自发形成不同的畴 。 换言之 ， 在他们的样品中出现了一些斑块 ， 这些斑块中所有的分子都朝着一致的方向排列 。 这种一致性大大超出了团队的预期 。 这些结果证实了 ， 这个新发现的相确实是一种铁电向列相液体 。
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在显微镜下观察液晶的新发现的相 。 菱形是“畴” ， 其中的几乎所有分子都具有箭头所示的方向 。 |图片来源：SMRC
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Clark说：“现在有大约4万篇关于向列相液晶的研究论文 ， 在其中找任何一篇 ， 如果是铁电向列相 ， 你都能看到有趣的新可能性 。 ”
【这种特殊的有序性，有望掀起一场技术革新】这项研究表明 ， 还有其他铁电液体隐藏在人们的视线之外 。 令人兴奋的是 ， 现在像人工智能这样的技术正在出现 ， 能够帮助有效地进行搜索 。 研究人员下一个阶段的目标是发现RM734是如何实现这种罕见的行为的 。 目前研究人员正在使用计算机模拟来解决这个问题 。
参考来源：[1]https://www.colorado.edu/today/2020/06/10/after-century-searching-scientists-find-new-liquid-phase[2]https://www.pnas.org/content/early/2020/06/09/2002290117封面图来源：SMRC
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