A chiral rendszerek fázisátalakulása éles és gyors, ahogy azt a különböző szimulációs eredmények is mutatják. A folyadék állapota, amely kezdetben izotróp (IL) fázisból indul, különböző változásokon megy keresztül, amint a paraméterek, például a molekuláris alak és a hőmérséklet változnak. A c értékének növelésével, ami meghaladja az 1-et, a rendszer szerkezete éles átalakuláson megy keresztül. Az egyes konfigurációk három ortogonális dobozél mentén történő megtekintése azzal a megfigyeléssel jár, hogy a képek azonosak, látszólag nincs hosszú távú orientációs rend. Ezzel párhuzamosan a kék fázis megjelenése figyelhető meg, ami a c növelésének eredményeként alakul ki.

A fázis viselkedésének tanulmányozása a hőmérséklet függvényében, a c értékének rögzítése mellett (például 0,8-ra), arra utal, hogy alacsony hőmérsékleten először N* fázis, majd smektikus fázis alakul ki. A molekulák elrendezésének pillanatfelvételei alapján arra a következtetésre jutottak, hogy a rendszer egy csavaros szemcsés határfelületi (TGB) fázisba kerül, amelyben a smektikus fázis blokkjai úgy rendeződnek, hogy rétegeik normálja helikális pályát követ. Azonban annak biztosítása érdekében, hogy valóban TGB fázisról van szó, a szimulációkat sokkal nagyobb rendszereken kell elvégezni, mint a 256 molekula.

A kísérleti megfigyelések az irányított állapotok átalakulását mutatják be a képlátó chiral rendszerekben. A chiral molekulák közötti interakciók gyakran a fázisátalakulások kulcsfontosságú elemeivé válnak. A fényvisszaverő optikai rendszerek esetén az indukált homeotropikus állapot (H) a metastabil transziens planáris (TP) állapotba alakul át, amely hosszabb léptékre jellemző hullámhosszakkal rendelkezik, mint az egyensúlyi állapot. Ez a jelenség kísérleti úton könnyen megfigyelhető, és független a határfeltételektől.

Numerikus számításokkal végzett szimulációk szerint a H állapotból a TP állapotba való átmenet a bulk modulációk révén történik, amelyek a cholesterikus rétegek hajtogatódását és bukását eredményezik anélkül, hogy hibák keletkeznének. Ez a jelenség azt sugallja, hogy a rendezetlen rendszerekben is lehetséges a stabilitás biztosítása. A Dussi és Dijkstra által alkalmazott modell, amelyet az entrópiavezetésű N* fázisok stabilizálására dolgoztak ki, azt mutatta, hogy az entrópia önállóan képes stabilizálni mind a prolat (henger alakú), mind az oblat (korong alakú) N* fázisokat. A modell különböző, finoman hangolható alakjellemzőket tartalmaz, például a formai arányt, konvexitást, biazialitást, kezességet, csavart szöget és a poliedrikus oldalakat.

A szimulációk szerint az egyes részecskék viselkedése jelentős hatással van a fázisok stabilitására. Az előállított NPT MC szimulációk különböző konfigurációk és határfeltételek alkalmazásával azt mutatták, hogy a prolat chiral-nematikus fázis létrejötte összefügg a molekulák csavarásával és térbeli elrendezésével. A szimulációs eredmények az alábbiak szerint alakultak: a tömeges balra csavarodó makroszkopikus torzítás megjelenése figyelhető meg, amikor a rendszer sűrűsége nő, és a részecskék elhelyezkedése spirális szerkezetbe rendeződik.

A következő lépésként az oblat chiral-nematikus fázis stabilizálásához a részecske alakját módosították, miközben a h/ω arány rögzítve maradt, és a base szöget csökkentették. Ezzel a módosítással sikerült az oblat fázist létrehozni, amelyben a chiral elrendezés balra csavarodik, más paraméterekkel. A kísérleti és szimulációs eredmények egyaránt alátámasztják, hogy a chiral, dipoláris és diszperzív kölcsönhatások jelentős szerepet játszanak a smektikus kék fázisok (BPSm) és az új chiral bilayer fázisok kialakulásában.

A különböző szimulációs eljárások révén, mint például az NVT-MC és az NVT-MD szimulációk, részletesebben megvizsgálhatók azok az új fázisok, amelyek az entrópiavezetett jelenségek következményeként jelennek meg, mint például a chiral BPs és a chiral nematikus fázisok. Az új módszerek és a finomhangolt határfeltételek alkalmazásával pontosabb képet nyerhetünk a fázisátalakulások dinamikájáról és az anyagok mikroszkopikus viselkedéséről, amelyek alapvetően különböznek a klasszikus rendszerektől.

A kísérletek és szimulációk eredményei megerősítik, hogy a chiral folyadékrészecskék fázisának irányítása nemcsak a molekulák alakjától és kölcsönhatásaitól függ, hanem a rendszer hőmérsékletétől és sűrűségétől is. Az új, komplex rendszerekben való vizsgálat segít jobb megértést nyerni a folyadékrészecskék rendezettségének és szerkezetének kialakulásában, valamint az új fázisok létrehozásában, amelyek az anyagok egyedi optikai és mechanikai tulajdonságait befolyásolják.

Hogyan befolyásolják a CNT-k a ne­matikus folyadékok tulajdonságait és alkalmazásaikat?

Az utóbbi két évtizedben hatalmas munkák születtek a CNT (szén nanotubus) − NLC (nematikus folyadék) kompozitok területén. A kutatások jelentős részét különböző alkalmazásokra irányították, és sokféle eredményt publikáltak a CNT-k és NLC-k közötti kölcsönhatásokkal kapcsolatban. Ezen eredmények közül néhány kiemelkedő és alapvető következtetést most ismertetjük.

Rahman és Lee egy átfogó áttekintésükben [258] bemutatták a CNT-k diszpergálásának módszereit NLC-ben, az orientációs rendet, az elektromos mezőre adott válaszokat és az E7−CNT kompozit alkalmazási potenciálját. Kutatásaik szerint a CNT-k E7-ben való diszpergálása növelte a rendszer orientációs rendjét, anélkül hogy külső mezőt alkalmaztak volna. A CNT-k jelenléte csökkentette a nem kívánt iontöltési hatást, csökkentette a rotációs viszkozitást, ami gyorsította a válaszidőt és csökkentette a hiszterézis szélességét. Dolgov és munkatársai [259] részletesen ismertették, hogyan befolyásolta a CNT-k diszpergálása a 5CB és EBBA típusú NLC-k dielektromos, elektro-optikai és struktúráis tulajdonságait. A vizsgálatok szerint a CNT-k diszpergálása jelentős hatással volt a dielektromos spektrumokra, amelyeket különböző frekvenciákon mértek.

A CNT-k jelenléte növelte az NLC-k elektrikus vezetőképességét, és a hőmérséklet növekedésével párhuzamosan fokozódott a vezetőképesség, ugyanakkor hőmérséklet-függő hiszterézis jelenségeket is megfigyeltek. Az elektro-optikai memóriahatást olyan kompozitokban demonstrálták, amelyek negatív dielektromos anizotrópiával rendelkeztek (Δε < 0).

A CNT-k hatása a nematikus fázisok hőmérsékleti átmeneteire szintén kiemelkedő figyelmet érdemel. Duran és munkatársai [275] az MWNT/E7 és (C60−Ih)/E7 bináris rendszerek fázisdiagramját tanulmányozták, és azt találták, hogy a MWNT-k jelenléte fokozta az NI átmeneti hőmérsékletét. Amikor a CNT-ket izotróp töltőanyagokkal, például fullerennel helyettesítették, nem figyeltek meg jelentős változást a TNI hőmérsékletében. Az E7-ben diszpergált CNT-k ilyen módon való alkalmazása arra utal, hogy az NI átmenet hőmérsékletének növekedése elsősorban entrópikus eredetű, és a CNT-k és az NLC molekulák kölcsönös orientációja révén jön létre.

Shah és munkatársai [276] visszafordítható fázisátmenetet figyeltek meg, amelyet az elektromos mező indukált 5CB−CNT kompozitokban. A CNT-k elektromos vezetőképessége és a kapcsolódó jelenségek, mint például a Joule-fűtés és az NI átmenet, széleskörű érdeklődést váltottak ki, különösen azokban a rendszerekben, ahol az NLC-k CNT-kel voltak keverve.

Lisetski et al. [277] az optikai transzmittanciát és az elektromos vezetőképességet vizsgálták négy különböző kémiai osztályba tartozó MWCNTs−NLC rendszeren, és azt találták, hogy a CNT-k mélyebb integrálódása az orientált rendű nematikus szerkezetbe jelentős hatással volt a dielektromos anizotrópiára és az elektromos vezetőképességre. Az NLC-ben diszpergált CNT-k alkalmazásakor a vezetőképesség növekedése egyértelmű volt, különösen magas feszültség alkalmazása esetén.

A CNT-k és NLC-k közötti kölcsönhatásokat tovább vizsgálták a térbeli orientációra és az optikai tulajdonságokra gyakorolt hatásuk alapján is. A CNT-k növekvő koncentrációjával a pi−pi* elektronrendszerben bekövetkező gerjesztési csúcsok vöröseltolódását és az abszorbancia növekedését figyelték meg UV-Vis spektroszkópiával. Emellett az FTIR spektrumok is azt mutatták, hogy a CNT-k minimálisan befolyásolják a nematikus fázis szerkezetét, miközben az abszorbanciát és az anizotrópiát növelik.

A CNT-k és NLC rendszerek közötti kölcsönhatások és azok következményei tehát jelentős hatással vannak a kompozitok dielektromos és optikai tulajdonságaira. Az ilyen típusú rendszerek előnyös alkalmazása különösen az optikai eszközökben, kijelzőkben és egyéb, elektromos vagy optikai mezővel vezérelt alkalmazásokban rejlik, ahol a CNT-k alkalmazása javíthatja a reakcióidőt, csökkentheti a hiszterézist és fokozhatja a rendszerek stabilitását.

A CNT-k eloszlásának és interakcióinak jobb megértése és optimalizálása kulcsfontosságú a jövőbeli fejlesztések szempontjából, és ezáltal a ne­matikus folyadékok alkalmazásainak szélesebb körű elterjedését is elősegítheti.

Miért nem tudják a hagyományos modellek megfelelően leírni a folyadékkristályos kék fázisokat?

A folyadékkristályos kék fázisok (BP) a minta és az anyagi állapotok bonyolult szimmetriáival rendelkeznek, amelyek gyakran nehezen magyarázhatók a hagyományos elméletekkel. A Landau-de Gennes (LdG) és a hibás modellek nem képesek helyesen leírni a kísérleti fázisdiagramok alapvető tulajdonságait. Bár elméletileg a helikális, BPI és BPII fázisok, valamint az azoknak megfelelő tércsoportok megfelelően előrejelezhetők, a bcc O5 fázis, amelyet előrejeleztek, soha nem jelent meg kísérletekben. A kísérleti fázisdiagramokban a BPII fázis szélessége a csavarodás növekedésével tágul, ami ellentmondásban áll azokkal a kísérleti megfigyelésekkel, amelyek azt mutatják, hogy a BPII fázis eltűnik magas csavarodásnál. A kísérletileg megfigyelt BPIII fázis és az a kritikus pont, ahol a BPIII-IL koexisztencia vonal a magas csavarodásnál megszűnik, szintén nem szerepelnek egyetlen elméleti fázisdiagramban sem.

A probléma orvoslására Trebin és munkatársai [149] a köbös kötésorientációs (BOO) modellt javasolták, amelyet eredetileg kristályokhoz fejlesztettek ki. Ebben a modellben a kötések orientációs rendje megmarad, de az atomok helyzeti rendje elveszhet, mivel hibapárok vagy fluktuációk keletkeznek. A kék fázisok esetében az atomokat és a kötések helyett az egységsejt sarkai és élei szerepelnek. Az elgondolás az, hogy a magas hőmérsékletű O5 fázist egy olyan köbös fázissá alakítják, amelynek csak kötésorientációs rendje van, és ezt akkor amorf BPIII fázisként ismerhetjük fel. Ehhez egy további fluktuációs tagot adtak a szokásos LdG szabad energiához.

Trebin és munkatársai [149] egy másik fluktuáció-dominált modellt is javasoltak, amelyben a szabad energia két részből áll: egy középértékes (mean-field) és egy fluktuáló részből. Az eredményül kapott fázisdiagram nem tartalmazza az O5 fázist a nagy átmeneti hőmérsékletek esetén, és a BPII fázis eltűnik magas csavarodásnál.

A BPIII fázis és a kapcsolódó kritikus pontok kísérleti megfigyelései alapvetően újraértelmezik az eddigi elméletek működését. Az új modellek segítségével valószínűleg képesek leszünk pontosabban leírni a kék fázisok viselkedését és azok hőmérsékletfüggő változásait, amelyek elengedhetetlenek az alkalmazott folyadékkristályos technológiák továbbfejlesztésében.

A kék fázisok kutatásának e területén az egyik legfontosabb dolog, amit meg kell érteni, hogy ezek az anyagok nemcsak az elméleti modellek alapját képezik, hanem gyakorlati alkalmazásokban is kulcsszerepet játszhatnak, mint például a kijelzők vagy a fotonikus eszközök terén. Ahhoz, hogy ezeket az alkalmazásokat a valóságban is sikeresen hasznosítani lehessen, szükséges, hogy az elméleti és kísérleti kutatásokat továbbfejlesszük, figyelembe véve a fluktuációk és a rendezetlenség szerepét is a folyadékkristályos anyagok viselkedésében.

Hogyan mérjük a pénzügyi adatok integritásának és minőségének hatását?
Hogyan befolyásolja a földgáz a jövő energiatermelését és környezetvédelmét?
Hogyan kezelték az amerikai elnökök a faji kérdéseket 1964 óta?
Hogyan hozzunk létre sikeres kapcsolatokat a termékcsapat és az érintettek között?
A titkos ügynökök és a nyomozások világának mélyebb megértése