Światło przestawia ciekły kryształ bez zasilania. Nowy efekt opisali badacze z IChF PAN
Słaba wiązka światła wystarczy, by obrócić cząsteczki ferroelektrycznego ciekłego kryształu – bez przykładania napięcia z zewnątrz. Zjawisko opisał międzynarodowy zespół, w którym pracowali ukraińscy fizycy związani z Instytutem Chemii Fizycznej PAN w Warszawie oraz badacze z Kent State University w USA. Praca ukazała się 16 października 2026 r. w „Science Advances”.
Jak działa zwykły ciekły kryształ?
Ciekłe kryształy to substancje pośrednie między cieczą a kryształem: płyną, ale ich wydłużone cząsteczki układają się w jednym kierunku. W najprostszej fazie, nematycznej, cząsteczki są równoległe, lecz nie odróżniają „głowy” od „ogona”. Na tym opierają się ekrany LCD – cienką warstwę nematyka zamyka się między szybkami pokrytymi przezroczystymi elektrodami z tlenku indu i cyny (ITO). Napięcie przyłożone do elektrod obraca cząsteczki i zmienia wygląd piksela. Potrzebne pole jest jednak spore – rzędu miliona woltów na metr.
Kilka lat temu odkryto nematyki ferroelektryczne. W nich cząsteczki ustawiają się nie tylko równolegle, ale i „w tę samą stronę”, przez co materiał ma spontaniczną polaryzację elektryczną. Taka faza reaguje na pola elektryczne o kilka rzędów wielkości słabsze – według autorów wystarczą pola rzędu 100 V/m.
Co zrobiło światło?
Badacze zamknęli warstwę nematyka ferroelektrycznego o grubości 3–6 mikrometrów między szybkami z elektrodami ITO, ale niepodłączonymi do żadnego zasilania. Następnie oświetlali komórkę laserem o małej mocy – światłem widzialnym lub ultrafioletem. W oświetlonym miejscu polaryzacja materiału odchylała się od pierwotnego kierunku, tworząc pod mikroskopem polaryzacyjnym charakterystyczne dwa „płatki” – w jednym cząsteczki obracały się zgodnie z ruchem wskazówek zegara, w drugim przeciwnie. Zmiana narastała w ciągu sekund.
Efekt był silniejszy przy krótszych falach i większej mocy. Przy ultrafiolecie o długości fali 385 nm wystarczało natężenie ok. 0,0018 W na milimetr kwadratowy. Dla porównania: obrócenie zwykłego nematyka samym światłem wymaga zwykle ok. 10 W/mm² i grubych warstw. Zwykły nematyk w tych samych warunkach nie reagował wcale. Nie działało to też bez elektrod ITO ani w innych fazach tego samego materiału.
Skąd bierze się pole elektryczne?
ITO jest półprzewodnikiem i pochłania kilka procent światła – warstwa o grubości 100 nm absorbuje ok. 5 proc. przy 500 nm i ok. 10 proc. przy 400 nm. Autorzy rozważyli dwa wyjaśnienia: miejscowe nagrzewanie albo powstanie pola elektrycznego. Doświadczenia z celowo wytworzonym gradientem temperatury nie dały podobnego efektu. Zespół wnioskuje, że światło wytwarza w ITO pary elektron–dziura, a rozdzielone ładunki tworzą słabe, promieniste pole elektryczne – rzędu dziesiątek woltów na metr. To za mało dla zwykłego nematyka, ale wystarczająco dla ferroelektrycznego. O tym, jak światło wzbudza elektrony w materii, piszemy w artykule „Czy człowiek może świecić?”.
„Niezwykła czułość pary ITO/NF na oświetlenie tworzy platformę do optycznego sterowania polaryzacją ferroelektryczną” – piszą autorzy w streszczeniu (tłum. Biomist).
Czym różni się to od wcześniejszych prób?
Ciekłe kryształy obracano światłem już wcześniej, ale wymagało to albo bardzo silnych wiązek, albo dodatkowego, stałego napięcia z zasilacza, którego działanie światło jedynie wzmacniało. Niedawno inny zespół uzyskał wzory polaryzacji w nematyku ferroelektrycznym, zamykając go między grubymi kryształami niobianu litu domieszkowanego żelazem, które pod wpływem światła wytwarzają napięcie. Autorzy nowej pracy podkreślają, że cienkie elektrody ITO – takie jak w zwykłych wyświetlaczach – pozwalają na bardziej zwartą konstrukcję i łatwiejsze kontrolowanie ułożenia cząsteczek przy powierzchni.
Do czego mogłoby się to przydać?
Ponieważ pole powstaje tylko w oświetlonym miejscu, wzór polaryzacji można by „rysować” światłem, bez przewodów, generatorów i układów sterujących. Autorzy wskazują na fotonikę, czujniki, inteligentne okna i urządzenia całkowicie optyczne. Polscy fizycy także szukają materiałów reagujących na światło – pisaliśmy niedawno o czujniku, który „pamięta” światło.
Ograniczenia
To wynik laboratoryjny, na małych komórkach i dwóch materiałach (mieszaninie FNLC919 i związku DIO). Faza ferroelektryczna mieszaniny FNLC919 istnieje mniej więcej w zakresie 8–32°C. Przestawianie polaryzacji trwa sekundy, czyli wolno jak na zastosowania wyświetlaczowe – autorzy piszą wprost, że wymaga to dalszych badań. Proponowany mechanizm ze wzbudzeniem ładunków w ITO jest najlepiej pasującym wyjaśnieniem, ale nie bezpośrednim pomiarem samego pola. O praktycznym zastosowaniu jest jeszcze za wcześnie mówić.
Źródła i daty
- S. Paladugu, O. Kurochkin, R. Kravchuk, M. Kravets, V. Sashuk, B. Basnet, V.G. Nazarenko, S.V. Shiyanovskii, O.D. Lavrentovich, „Realignment of ferroelectric nematic by photoinduced electric field”, Science Advances – online 16.10.2026 – doi:10.1126/sciadv.aei1336; pełny tekst w Europe PMC.
- Afiliacje: Instytut Fizyki Narodowej Akademii Nauk Ukrainy (Kijów) i Instytut Chemii Fizycznej PAN (Warszawa) – w ramach programu wsparcia ukraińskich zespołów badawczych w PAN; Advanced Materials and Liquid Crystal Institute, Kent State University (USA).
Zdjęcie wyróżniające: tekstura termotropowego ciekłego kryształu nematycznego z defektami typu Schlieren w mikroskopie polaryzacyjnym, 1998 – zdjęcie poglądowe, nie z opisanego badania. Fot. Ingo Dierking, licencja CC BY-SA 4.0, Wikimedia Commons; kadrowanie Biomist.
