Ciekłe kryształy

Ewa Górecka – Ciekłe kryształy: od klasycznych faz nematycznych do nowych faz polarnych i chiralnych

przez

Ciekłe kryształy: od klasycznych faz nematycznych do nowych faz polarnych i chiralnych

Ewa Górecka (UW)

19 listopada o godz. 1800 Gmach Technologii Chemicznej, Aula Czochralskiego, ul. Koszykowa 75.

Ciekłe kryształy stanowią stan materii pośredni między cieczą a kryształem, łącząc płynność z uporządkowaniem molekularnym. Materiały te znalazły szerokie zastosowanie w technologii wyświetlaczy ciekłokrystalicznych (LCD), wykorzystywanych między innymi w monitorach komputerowych i telewizorach. Ich znaczenie technologiczne wynika przede wszystkim z silnej zależności właściwości optycznych od orientacji molekularnej. Nawet stosunkowo niewielkie zmiany orientacji cząsteczek mogą prowadzić do istotnych zmian w sposobie propagacji światła w materiale. W zależności od charakteru uporządkowania molekularnego wyróżnia się kilka podstawowych faz ciekłokrystalicznych. W klasycznej fazie nematycznej cząsteczki wykazują dalekozasięgowe uporządkowanie orientacyjne: ich osie molekularne są statystycznie zorientowane wzdłuż wspólnego kierunku, opisywanego przez tzw. director. Jednocześnie ich środki mas nie wykazują dalekozasięgowego uporządkowania pozycyjnego. W fazach smektycznych uporządkowanie orientacyjne współistnieje natomiast z jednowymiarowym uporządkowaniem pozycyjnym,  cząsteczki tworzą struktury warstwowe. Przez wiele lat klasyczna faza nematyczna była postrzegana przede wszystkim jako układ o dobrze poznanych właściwościach, którego znaczenie wynikało głównie z zastosowań technologicznych. W ostatnich latach badania nad nowymi materiałami ciekłokrystalicznymi pokazał jednak, że nawet w fazach pozbawionych uporządkowania pozycyjnego mogą pojawiać się złożone struktury przestrzenne, spontaniczna polaryzacja elektryczna oraz zjawiska związane z łamaniem symetrii lustrzanej.

Jednym z pierwszych przełomowych odkryć podważających tradycyjne wyobrażenie o fazie nematycznej było zaobserwowanie fazy nematycznej typu twist-bend, NTB [1]. W fazie tej director nie pozostaje jednorodny w przestrzeni, lecz tworzy strukturę helikonikalną, w której współwystępują deformacje typu skręcania (twist) i zginania (bend). Szczególnie interesujący jest fakt, że struktura ta może powstawać w układach zbudowanych z achiralnych cząsteczek. Kolejnym istotnym krokiem było odkrycie ferroelektrycznej fazy nematycznej, NF w której występuje spontaniczna polaryzacja elektryczna [3, 4]. Faza charakteryzuje się uporządkowaniem polarnym: wektory momentów dipolowych cząsteczek wykazują preferowany wspólny zwrot. Niezwykłość tego odkrycia polega na wykazaniu, że uporządkowanie polarne występuje w układzie pozbawionym dalekozasięgowego uporządkowania pozycyjnego. W takich materiałach orientacja molekularna, polaryzacja i odpowiedź na pole elektryczne są ze sobą ściśle powiązane, co otwiera nowe możliwości badania sprzężenia między właściwościami mechanicznymi, elektrycznymi i optycznymi materii miękkiej. Szczególnie interesującym rozwinięciem tych badań było odkrycie w 2024 roku helikonikalnej, ferroelektrycznej fazy nematycznej, NTBF [5]. W fazie tej współwystępują uporządkowanie polarne oraz helikalna modulacja orientacji molekularnej. Jest to wynik nieoczekiwanego połączenia dwóch zjawisk, które wcześniej rozpatrywano przede wszystkim oddzielnie: spontanicznego łamania symetrii lustrzanej oraz spontanicznego uporządkowania polarnego. Dalsze badania wykazały, że spontaniczne łamanie symetrii lustrzanej i uporządkowanie polarne mogą współwystępować również w bardziej złożonych fazach ciekłokrystalicznych.

  1. Cestari, M. et al. (2011). Phase behavior and properties of the liquid-crystal dimer 1′′,7′′-bis(4-cyanobiphenyl-4′-yl) heptane: a twist-bend nematic liquid crystal. Physical Review E, 84, 031704. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.84.031704
  2. Luckhurst, G. R. et al. (2012). The chirality of a twist-bend nematic phase identified by NMR spectroscopy. The Journal of Physical Chemistry B, 116, 7940–7951. https://doi.org/10.1021/jp302705n
  3. Chen, X. et al. (2020). First-principles experimental demonstration of ferroelectricity in a thermotropic nematic liquid crystal: Polar domains and striking electro-optics. Proceedings of the National Academy of Sciences, 117, 14021–14031. https://doi.org/10.1073/pnas.2002290117
  4. Sebastián, N. et al. (2020). Ferroelectric-Ferroelastic Phase Transition in a Nematic Liquid Crystal. Physical Review Letters, 124, 037801. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.037801
  5. Karcz, J. et al. (2024). Spontaneous chiral symmetry breaking in polar fluid-heliconical ferroelectric nematic phase. Science, 384, 1096–1099. https://doi.org/10.1126/science.adn6812

Prof. Ewa Górecka (Uniwersytet Warszawski) kieruje Laboratorium Materii Miękkiej na Wydziale Chemii Uniwersytetu Warszawskiego. Jej zespół specjalizuje się w badaniach struktury materii miękkiej. Jest autorką lub współautorką ok. 330 publikacji naukowych, cytowanych ponad 9500 razy,  HI=51 (Scopus).

Najważniejsze publikacje: 2026-2016:

  • N. Tufaha, G. Stepanafas, E. Cruickshank, D. Pociecha, E. Gorecka, J. M. D. Storey, R. Walker, C. T. Imrie, Investigating room temperature ferroelectric nematogens and their structure-property relationships, Nat. Commun., (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69484-z
  • A. Pearson, A. Alshammari, G.J. Strachan, M. Majewska, D. Pociecha, J. M. D. Storey, C. T. Imrie, N. Vaupotič, R. Walker, E. Gorecka, Diverse helical structures made of achiral mesogenic dimers,  Nat. Commun. (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-72565-8
  • Strachan, G. J.; Górecka, E.; Hobbs, J.; Pociecha, D. Fluorination: Simple Change but Complex Impact on Ferroelectric Nematic and Smectic Liquid Crystal Phases. J. Am. Chem. Soc. 2025, 147 (7), 6058–6066. https://doi.org/10.1021/jacs.4c16802
  • Strachan, G. J.; Ramsay, S. J.; Juodka, M.; Pociecha, D.; Szydłowska, J.; Storey, J. M. D.; Vaupotič, N.; Walker, R.; Górecka, E. Interplay of Polar Order and Positional Order in Liquid Crystals – Observation of Re-entrant Ferroelectric Nematic Phase. Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e202516302. https://doi.org/10.1002/anie.202516302
  • Karcz, J.; Herman, J.; Rychłowicz, N.; Kula, P.; Górecka, E.; Szydłowska, J.; Majewski, P. W.; Pociecha, D. Spontaneous Chiral Symmetry Breaking in Polar Fluid–Heliconical Ferroelectric Nematic Phase. Science 2024, 384, 1096–1099. https://doi.org/10.1126/science.adn6812
  • Szydłowska, J.; Majewski, P.; Čepič, M.; Vaupotič, N.; Rybak, P.; Imrie, C. T.; Walker, R.; Cruickshank, E.; Storey, J. M. D.; Damian, D.; Górecka, E. Ferroelectric Nematic–Isotropic Liquid Critical End Point. Phys. Rev. Lett. 2023, 130, 216802. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.216802
  • Pociecha, D.; Vaupotič, N.; Majewska, M.; Cruickshank, E.; Walker, R.; Storey, J. M. D.; Imrie, C. T.; Wang, C.; Górecka, E. Photonic Band Gap in Achiral Liquid Crystals – A Twist on a Twist. Adv. Mater. 2021, 33, 2103228. https://doi.org/10.1002/adma.202103288
  • Lewandowski, W.; Vaupotič, N.; Pociecha, D.; Górecka, E.; Liz-Marzán, L. M. Chirality of Liquid Crystals Formed from Achiral Molecules Revealed by Resonant X-ray Scattering. Adv. Mater. 2020, 32, 1905591. https://doi.org/10.1002/adma.201905591
  • Salamończyk, M.; Vaupotič, N.; Pociecha, D.; Walker, R.; Storey, J. M. D.; Imrie, C. T.; Wang, C.; Zhu, C.; Górecka, E. Multi-Level Chirality in Liquid Crystals Formed by Achiral Molecules. Nat. Commun. 2019, 10, 1922. https://doi.org/10.1038/s41467-019-09862-y
  • Park, W.; Ha, T.; Kim, T.-T.; Zep, A.; Ahn, H.; Shin, T. J.; Sim, K. I.; Jung, T. S.; Kim, J. H.; Pociecha, D.; Górecka, E.; Yoon, D. K. Directed Self-Assembly of a Helical Nanofilament Liquid Crystal Phase for Use as Structural Color Reflectors. NPG Asia Mater. 2019, 11, 45. https://doi.org/10.1038/s41427-019-0146-6
  • Abberley, J. P.; Killah, R.; Walker, R.; Storey, J. M. D.; Imrie, C. T.; Salamończyk, M.; Zhu, C.; Górecka, E.; Pociecha, D. Heliconical Smectic Phases Formed by Achiral Molecules. Nat. Commun. 2018, 9, 228. https://doi.org/10.1038/s41467-017-02626-6
  • Górecka, E.; Vaupotič, N.; Zep, A.; Pociecha, D. From Sponges to Nanotubes – A Change of Nano-Crystal Morphology for Acute-Angle Bent-Core Molecules. Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 12238–12242. https://doi.org/10.1002/anie.201604915
  • Matraszek, J.; Topnani, N.; Vaupotič, N.; Takezoe, H.; Mieczkowski, J.; Pociecha, D.; Górecka, E. Monolayer Filaments versus Multilayer Stacking of Bent-Core Molecules. Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 3468–3472. https://doi.org/10.1002/anie.201510123