材料科学：熱的に再構成可能な単斜晶系ネマチックコロイド流体
Nature 590, 7845 doi: 10.1038/s41586-021-03249-0
構成要素の対称性と、そうした構成要素が形成する凝縮物質相の間には、基本的な関係が存在すると考えられている。例えば、ディスプレイなどに用いられているネマチック液晶では、構成要素の棒状や円盤状の分子やコロイドによってそれらの一軸対称性が与えられる。棒と円盤の混合物では、対称性の低い組織化が生じる可能性があるが、エントロピーによって混合物が分子レベルやコロイドのスケールで相分離する傾向があり、一方で、ネマチックコロイドでは、弾性が媒介する強い相互作用によって鎖や結晶の形成が駆動される。自明な対称操作は別として、対称操作をほとんどあるいは全く伴わない構造を持つことは固体だけの性質であり、その固体に対応する完全な液体凝縮物質では、そうした対称性が理論的に考察されて磁性コロイドで観測されているにもかかわらず、この性質は存在しないことがこれまでに実証されている。今回我々は、棒状分子でできたネマチックなホストに、異方性の高い帯電した円盤状コロイドを分散させると、対称性の低い多くの相を観測するためのプラットフォームが得られることを示す。円盤の温度、濃度、表面電荷に依存して、一軸対称性から斜方晶系や単斜晶系までさまざまな対称性を持つ、ネマチック構造、スメクチック構造、柱状構造が見いだされた。また、温度上昇とともに、秩序のより低い状態からより高い状態への異常な転移とリエントラント相が観測された。さらに重要なことに、再構成可能な単斜晶系コロイドネマチック秩序の存在だけでなく、対称性の低い自己組織化の熱的制御や磁気的制御の可能性も実証された。今回の実験的知見は、ネマチックなホストにおける円盤間のコロイド相互作用の理論的なモデリングによって裏付けられており、構成要素の形状やサイズが似ていない系における、対称性の低い多くの凝縮物質相や、それらの技術的応用を実現する道筋をもたらす可能性がある。
