A folyadékkristályos (LC) rendszerekbe diszpergált nanorészecskék (NP-k) számos érdekes fizikai és kémiai változást idéznek elő. A diszpergált nanorészecskék különböző típusai, például mágneses nanorészecskék (MNP-k) és nem mágneses nanorészecskék (NMNP-k), jelentős hatással vannak a folyadékkristályos anyagok dielektromos, optikai és elektromos tulajdonságaira. Az egyik érdekes jelenség, hogy a nanorészecskék jelenléte változtatja a Fredericksz átmenet viselkedését, amely a folyadékkristályos molekulák orientációját szabályozza, különösen erős mágneses tér hatására.

A BaTiO₂ NPs és a 5CB neimatikus folyadékkristályos keverék diszperziója esetén hasonló következtetéseket vonhatunk le, mint a MNP-k és NMNP-k diszperziójának hatására. Mouhli és munkatársai vizsgálták, hogy a γ-Fe₂O₃ és cerium-oxid (CeO₂) nanorészecskék hatása hogyan befolyásolja a mágneses Fredericksz átmenetet a 5CB-ben. Azt találták, hogy az NMNP-k jelentős csökkenést okoznak a mágneses Fredericksz küszöbértékében, az elasztikus állandóban és a viszkozitásban, míg a MNP-k kisebb mértékben csökkentették ezeket az értékeket. A jelenség oka eltérő volt mindkét esetben: az MNP-k körül jelentős orientációs változások történtek, amelyeket a nanopartikula mágneses dipólusa indukált.

A multiferroikus BiFeO₃ NPs diszperziója nematikus E7-ben azt mutatta, hogy az NPs jelenléte csökkenti a NI átmeneti hőmérsékletet és módosítja a dielektromos állandót. Az első alkalommal sikerült kimutatni, hogy a ferroelectromos és ferromágneses tulajdonságok együttese fokozza a diszpergált folyadékkristályok dielektromos anizotrópiáját, amikor gyenge mágneses tér alkalmazásával lehűtjük a LC sejteket.

Pandey és munkatársai részletes vizsgálatokat végeztek a cink-ferrit (ZnFe₂O₄) NPs diszperziójának hatásairól a nematikus LC 4′-heptyl-4-biphenylcarbonnitrile (7CB) rendszerében. Az NPs különböző koncentrációival kapcsolatos eredmények azt mutatták, hogy a permittivitás értékei növekedtek, amikor az NPs koncentrációja elérte a 0,15 wt%-ot, majd az NPs aggregációja miatt csökkentek, amikor a koncentráció meghaladta ezt az értéket. A nanorészecskék jelenléte erősen befolyásolta a rendszer dielektromos anizotrópiáját, a küszöb feszültséget (Vth), az elasztikus konstansot (K₁), az ac vezetőképességet (σ) és a válaszidőt.

Pandey és munkatársai azt is megfigyelték, hogy a memóriahatás a tiszta NLC-ben is jelen volt, de az NPs jelenléte jelentősen fokozta azt, különösen a 0,3 wt%-os koncentráció esetén. A zeta potenciál és az elektroforetikus mobilitás mérései szerint az NPs diszperziója csökkentette a vezetőképességet és az ionos mobilitást, ami a nanorészecskék és a molekulák közötti kölcsönhatások változásait eredményezte.

A nematikus keverékekbe diszpergált különféle nanorészecskék, mint a GNP-k, TiO₂ NPs, ZnO NPs és MNP-k mellett más típusú NPs is kifejezett hatásokat gyakorolnak. Például a gyémánt NPs és a szilícium (Si) NPs diszperziója a E7 nematikus keverékben olyan érdekes változásokat hozott, mint a dielektromos állandók csökkenése alacsony frekvencián, illetve az elektródákon történő ionos csökkentés, amely a rendszer vezetőképességére és optikai tulajdonságaira is hatással volt.

A szilícium NPs hatására a mobil ionok száma csökkent, mivel az ionok a nanorészecskékre tapadtak. Ezzel párhuzamosan a cella ionkoncentrációja csökkent. Az Ag NPs diszperziója, különösen a 0,02 és 0,05 wt%-os koncentrációban, megnövelte a TNI értéket, míg magasabb koncentrációkban csökkentette azt, ami az Ag NPs és a nematikus folyadékkristályos keverékek közötti kölcsönhatásokra utal.

Az NPs beépítése a nematikus folyadékkristályokba általában javítja az optikai kontrasztot, növeli a reakciósebességet és csökkenti a szükséges feszültségeket a molekulák orientációjának vezérléséhez. Azonban a túlzott koncentrációk nem kívánt aggregációkat okozhatnak, amelyek csökkenthetik az NPs és a nematikus keverék közötti interakciók hatékonyságát.

A nanorészecskék hatásának további megértése elengedhetetlen ahhoz, hogy optimalizáljuk a különböző nanokompozit rendszerek teljesítményét, különösen a jövőbeli alkalmazásokhoz, mint az optikai kijelzők, szenzorok és memóriaelemek.

Hogyan működnek a TN-LCD képernyők és mik a legfontosabb tulajdonságaik?

A kijelzők kezelése során fontos szerepet kap az információ vagy kép megfelelő feszültségimpulzusokká történő alakítása, hogy az egyes pixelek aktiválódhassanak, ezáltal újraalkotva a kívánt tartalmat. A folyadékkristályos kijelzők (LCD) esetében minden egyes pixel úgy kapcsolódik be és ki, hogy alkalmazunk és eltávolítunk egy elektromos teret. A TN-LCD (Twisted Nematic LCD) esetében az elektromechanikai jellegzetességek egy viszonylag lapos görbét mutatnak, amely lehetővé teszi a jó kontrasztot alacsony energiafogyasztás mellett.

A TN-LCD kijelzők címzési módszerei közé tartozik a közvetlen címzés, a multiplex címzés és az aktív mátrixos címzés. Az egyszerű kijelzők, mint az órák vagy a számológépek, alacsony információtartalommal bírnak, ezért a közvetlen címzés elegendő, ahol minden pixel dedikált elektróda által van vezérelve. Ez az eljárás lehetővé teszi, hogy a kikapcsolt feszültség nulla legyen, míg a bekapcsolt feszültség több alkalommal is meghaladhatja a küszöbértéket. Így, amikor az elektromos jellemzők viszonylag laposak, alacsony energiafogyasztással és jó kontraszttal érhetünk el működő kijelzőt.

Amikor a kijelzők információtartalma magasabb, mint például az aktív mátrixos kijelzők esetében, sokkal több pixel szükséges. Minden egyes pixel címzése külön-külön szükséges, így a szükséges kapcsolatokat növekvő számú oszlop és sor révén lehet elérni. Az ilyen kijelzőknél a multiplex címzés módszere használatos, amely M oszlop és N sor segítségével képes M x N pixel aktiválására, így jelentősen csökkenti az elektróda szükségességét. Ez a módszer lehetővé teszi, hogy a sorokhoz kiválasztó impulzust (Vs) rendeljenek, míg az oszlopokhoz adatimpulzusokat (Vd), amelyek a megjelenítendő információt tartalmazzák. A TN-LCD multiplex címzési módszere így jelentős előnyökkel bír, mivel csökkenti az összes szükséges elektróda számát, ugyanakkor képes kezelni a komplexebb tartalmakat.

Az aktív mátrixos címzés, amely az LCD-k újabb generációinál jellemző, még tovább csökkenti a sorok és oszlopok számát, mivel minden egyes pixelhez egy vékony réteg tranzisztor (TFT) vagy dióda tartozik. Ezáltal a kijelzők lehetővé teszik a nagyfelbontású, dinamikus tartalmak megjelenítését, miközben nem szükségesek sor- és oszloptengelyek. Az aktív mátrixos TN-LCD-k közvetlenül az amorf szilícium háttérre épülnek, így kiküszöbölik a hagyományos táblák és vezetékek korlátozásait.

A TN-LCD előnyei közé tartozik a gyártás egyszerűsége és alacsony költsége. A kijelzők alacsony energiafogyasztással működnek, és gyors válaszidővel rendelkeznek, ami lehetővé teszi alkalmazásukat például fényáteresztő rendszerekben, hegesztő sisakokban és játékmonitorokban is. A TN-LCD képes működni széles hőmérsékleti tartományban, ~-40 °C és 90 °C között, és könnyen készíthetők olyan változatai, amelyek napsütéses környezetben is olvashatók.

A TN-LCD hátrányai közé tartozik a gyenge kontraszt és a szűk látószög. A panel egyik irányban teljesen használhatatlan, és a passzív TN-LCD-k multiplexálási képessége is korlátozott. Emiatt ezek a kijelzők leginkább alacsony költségű eszközökben találhatók, mint például karórákban, számológépekben vagy mérőműszerekben.

A TN-LCD-ket nemcsak a hagyományos alkalmazásokban, hanem a színelmélet és a látáskutatás területén is használják. A TN-LCD-ket Didion és munkatársai módosították annak érdekében, hogy széles színskálát jeleníthessenek meg anélkül, hogy a hagyományos RGB foszforokra korlátozódnának. Ezen módosításokkal a kijelzők színkép érzékenységét és színmegkülönböztetési képességét vizsgálták, miközben a kijelzők polarizációra vonatkozó érzékenységét is tesztelték LED háttérvilágítás alkalmazásával.

A Super-Twisted Nematic (STN) kijelzők további fejlesztései még összetettebb képeket képesek megjeleníteni, mivel a twist szög növelésével a kontraszt és a válaszidő javul. Az STN kijelzők válasz görbéje meredekebb, ami lehetővé teszi a szélesebb fényerő tartományt. A gyakran alkalmazott twist szög 240°, de ennél nagyobb szögek is alkalmazhatók a fokozott kontraszt és multiplexálási képesség elérése érdekében.

A szögek és egyéb paraméterek finomhangolása révén elérhető, hogy a TN-LCD-k és STN-LCD-k fokozott stabilitással és hatékonyabb működéssel bírjanak, miközben a különböző szempontok, mint a cella távolsága, a pretilt szög és az elektrosztatikus paraméterek is meghatározzák az elérhető fényerő és kontraszt mértékét.

Hogyan működnek a fotonikus késleltetési vonalak FLC polarizációs forgatók segítségével?

A fotonikus késleltetési vonalak alkalmazása különféle optikai és informatikai rendszerekben jelentős szerepet játszanak, különösen akkor, ha az időzítés és az adatátvitel precíz irányítása szükséges. Egy egyszerű, de hatékony módszert kínálhat a polarizációs forgatókat alkalmazó fotonikus késleltetési blokk, mely az optikai jeleket különböző úton vezeti, beiktatva ezzel a szükséges késleltetést.

A fotonikus késleltetési vonalak egyik alapvető eleme a változtatható késleltetést biztosító blokk, amelyet úgy építenek fel, hogy különféle útvonalakon vezesse át a jeleket. Az alkalmazott változó késleltetést a késleltetési blokkok egymás utáni összekapcsolásával érhetjük el, ahol minden blokk külön-külön vezérelhető, és az egyes késleltetéseket ki- és bekapcsolhatjuk.

Egy ilyen késleltetési blokk működése a FLC (folyékony kristály) polarizációs forgatók használatán alapul. Az optikai jelek polarizációja az FLC eszközök állapotától függően változik, így az incoming fény polarizációja (például s-polarizációból p-polarizációvá) módosulhat, miközben a fény jelek nem változnak, ha az FLC eszköz ki van kapcsolva.

A FLC polarizációs forgatókat úgy használják, hogy az optikai fényt két fő úton irányítsák. Amikor az első FLC (FLC1) bekapcsolt állapotban van, míg a második (FLC2) kikapcsolt, az incoming fény polarizációja átváltozik és az optikai jelek az első polárizátor (PBS1) és a második polárizátor (PBS2) segítségével áthaladnak, majd végül az utolsó fix polárizátor (P2) révén kilépnek. Ez az ún. egyenes út. Ha a FLC1 és FLC2 beállítása felcserélődik, akkor egy másik útvonal jön létre, amely késleltetést vezet be a fény útjában.

Amikor a FLC1 nem módosítja a bejövő fényt (azaz passzív marad), a fény a PBS1-től visszaverődik, és tükrök (M1 és M2) segítségével a PBS2-n keresztül eléri a FLC2-t, amely a fényt p-polarizációba alakítja, így a végén a P2 polárizátor biztosítja a kimeneti jelet. Ezt az útvonalat nevezhetjük a kerülő útnak, amely a késleltetést biztosítja. Az FLC2 és a P2 egy aktív zajszűrőként is működnek, csökkentve a polarizációs szivárgás hatásait, amelyeket a FLC eszközök nem tökéletes 90°-os polarizációs forgatásai okozhatnak.

A polarizációs forgatók alkalmazásának egyik fontos előnye az, hogy azok képesek jelentősen javítani a fényátszűrés és a polarizációs szivárgás csökkentése terén. A FLC eszközök egyedülálló képességei lehetővé teszik, hogy az optikai rendszerek számára precíz és rugalmas vezérlést biztosítsanak, melyekben a késleltetés be- és kikapcsolható a jelek irányításához.

A polarizációs forgatók és a fotonikus késleltetési vonalak egyesítése tehát kulcsszerepet játszik a jövő optikai rendszereiben, különösen azokban, ahol a fény áramlásának időbeli pontossága és a különböző útvonalak kezelése kiemelt fontosságú. Ahogy a technológia fejlődik, úgy az ilyen rendszerek alkalmazási lehetőségei egyre szélesebb körben elérhetők lesznek.

Miért fontos a kéken fázisdiagramok megértése a kémiai rendszerekben?

A kéken fázisok (blue phases, BP) a chiral rendszerekben előforduló, ritka és rendkívül érdekes struktúrák, amelyek különleges optikai és mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek. Ezen fázisok viselkedését különféle kísérletek és modellalkotások segítségével vizsgálják, hogy megértsük, hogyan hatnak a különböző paraméterek, mint a hőmérséklet vagy a chirális nematikus lépés (pitch), a rendszerek állapotára. A kéken fázisdiagramok tehát kulcsszerepet játszanak abban, hogy előrejelezhetővé váljanak ezek a fázisok különböző körülmények között, és segítsenek abban, hogy a tudósok tovább finomíthassák az elméleteket.

A BPIII-IL fázisátmenet rendkívül erősen dominálja a hőmérsékleti viselkedés alapján. A hőmérséklet függésében megfigyelhető, hogy a BPIII-IL átmenet az egyik legmeghatározóbb, míg a hőkapacitás és entalpia méréséből következik, hogy mind a négy fázisátmenet gyengén elsőrendű. A Kleiman et al. által javasolt BPIII-IL kontinuus (másodrendű) átmenet tehát elvetésre került. Azonban ezek a kísérletek nem adtak információt a kék fázisok struktúrájáról, ami továbbra is egy nyitott kérdés marad.

A fázisdiagramok rendkívül hasznosak, mert segítenek megérteni, milyen állapotban van az anyag adott körülmények között. A fázisdiagramok különböző változókat vizsgálnak, mint például a hőmérséklet vagy a chirális nematikus lépés, és meghatározzák, hogyan befolyásolják ezek a tényezők az anyag állapotát. A fázisdiagramok kísérleti meghatározása előre jelezheti, hogy egy elméleti modell sikeres-e a rendszer viselkedésének megértésében, és így segítheti a modell finomítását. Ha a kísérleti adatok és az elméleti eredmények összehasonlítása alapján a modell módosítható, akkor lehetőség nyílik a helyes modellek kidolgozására.

A kék fázisok fázisdiagramja a polarizáló mikroszkópiás, reflexiós mérési és optikai rotációs diszperziós vizsgálatok segítségével készült el, amelyet Blümel et al. végeztek. A BPI, BPII és BPIII kék fázisok fázisdiagramjai a hőmérséklet és a chirális nematikus lépés függvényében két különböző chirális rendszer esetében kerültek ábrázolásra. Az első esetben a két különböző kézirányú koloszteril-klorid (CC) és koloszteril-nonanoát (CN) keverékét vizsgálták, míg a második esetben a tiszta koloszterikus eszter (CE) fázisdiagramját mutatták be. Az ábrák alapján mindkét rendszerben a rövid lépések (nagy chirális jelleg) mindhárom kék fázist tartalmazzák. A lépés növekedésével (kisebb chirális jelleg) a fázisok eltűnnek a következő sorrendben: BPIII, BPII és BPI. A két fázisdiagram összehasonlítása azt mutatja, hogy a kék fázisok sorrendje azonos, de a létezésük tartományai jelentősen eltérnek egymástól.

A chirális-racemikus fázisdiagramok is fontos szerepet játszanak a kék fázisok kutatásában, hiszen segíthetnek az univerzális jellemzők feltárásában, amelyek az ilyen fázisok létezéséhez kapcsolódnak. A racemikus keverékekben nincs nettó optikai aktivitás, hiszen ezek olyan chirális molekulák keverékei, amelyek egyensúlyban vannak egymással. A racemizációs eljárás során két enantiomert azonos mennyiségben kevernek össze, ami szintén hatással van a kék fázisok megjelenésére és tulajdonságaira. A különböző chirális és racemikus vegyületek, mint a CE2, CE4, CE5 és CE6 mindhárom kék fázist képesek megjeleníteni. Ezeket az anyagokat a chirális koncentráció és hőmérséklet függvényében vizsgálták, és különböző fázisdiagramokat rajzoltak az egyes vegyületekhez.

A fázisdiagramok alapján látható, hogy a kék fázisok megjelenése szoros kapcsolatban áll a chirális koncentrációval. A chirális koncentráció növekedésével a BPI, BPII és BPIII fázisok jelennek meg, és ahogy a chirális jelleg erősödik, úgy a fázisok megjelenése egyre szélesebb hőmérsékleti tartományban valósul meg. Az ilyen diagramok hasznosak lehetnek az anyagok fejlesztésében, mivel segítenek előre jelezni, hogy mikor és hogyan jelennek meg ezek a fázisok, és milyen hatással vannak az anyag optikai és mechanikai tulajdonságaira.

Fontos megjegyezni, hogy a chirális koncentráció és a fázisok közötti kapcsolat nem mindig egyszerűen lineáris. Az egyes rendszerekben, például a CE2 vagy a TOBMB, eltérő viselkedést figyelhetünk meg. A különböző hosszúságú alkil-oxigén láncokkal rendelkező mesogének, mint a CE4, CE5 és CE6, másképp reagálnak a chirális koncentráció változásaira, ami új szempontokat ad a kék fázisok kutatásában.

A kék fázisokkal kapcsolatos további kutatások szükségesek ahhoz, hogy jobban megértsük ezen rendszerek komplex viselkedését, és hogy az ilyen fázisok felhasználhatók legyenek különböző technológiai alkalmazásokban, például optikai eszközökben vagy folyadékkristályos kijelzőkben.

Hogyan befolyásolják az elektromos mezők a Twist Bend Nematikus és más fázisok optikai textúráit?

A diszperzió összefügg a TGB struktúrával a mintában, nem pedig a Sm C* irányítók módosulásával a TG C struktúrában. A Novotna et al. [120] kutatásai alapján a N* és TGB fázisok, valamint a nKDDL(S) (n = 8, 10, 12) és 12KDDL (racém) minták mesomorfikus tulajdonságait, az X-ray diffrakciós intenzitást, a kétféle fénytörést, a permittivitást, a dielektromos szilárdságot, a relaxációs frekvenciát és az optikai textúrákat elemezték. Az alkalmazott elektromos mezők hatásait is vizsgálták. A polarizált fény mikroszkópos (POM) megfigyelések alapján nehéz megkülönböztetni a N* és TGB fázisok texturális jellemzőit. A kutatók rájöttek, hogy a N*-TGB A fázis átalakulásának helye nehezen meghatározható, mivel a N* fázis paramorfikus jellemzői továbbra is megmaradtak a TGB A fázisban. A TGB A sík textúrái irizáló színekkel voltak tele, és elmosódott kontúrokat mutattak. Azt is észlelték, hogy a hibaszerkezet rendkívül merev, és gyakran nem engedi megfigyelni a ferroelektromos viselkedést, ami rendkívül érdekesé teszi a folyadékkristályok elektromos mező alatti viselkedésének tanulmányozását.

Elektromos mező hatására az N* fázisban megfigyelt sík textúrák homogén fekete karaktert mutattak, amelyek nem voltak megkülönböztethetők az IL fázistól. Az elektromos mező hatására a fekete, eredeti textúra otropikus, ventillált textúrává alakult a elektródák alatt. Az eredeti fekete textúra és az elektromos mező alatt kialakuló textúra közötti kontraszt jól látható volt. Amikor a mintát lehűtötték a TGB A fázisba, elektromos mező nélkül elmosódott, ventillált textúra figyelhető meg. Érdekes módon, alkalmazott elektromos mező hatására a TGB A fázisban homogén fekete textúra alakult ki. Amikor a mezőt kikapcsolták, a TGB A fázisban a természetes textúra helyreállítása nagyon lassú volt, de soha nem tért vissza teljesen.

A twist-bend nematikus (NTB) fázisban az irányítószálak periodikus csavarodásokat és hajlító torzulásokat képeznek nanométeres periódusban. Az NTB fázis obliquus helikoidális szerkezete folyamatosan fenntartja az állandó kúp szöget, ε, amely 0 ≤ ε ≤ π/2 közötti tartományban mozog. Abberley et al. [123] kutatásai alapján a szimmetrikus dimerek aszimmetrikus dimerek sorozatának hatására olyan fázisok, mint a NTB és a Sm CTB (helikoidális tiltott smektikus C) jönnek létre, és ezek a fázisok nanoszkálás helikális szerkezetet képeznek. A Hexl nevű alacsony hőmérsékletű smektikus fázis szintén létrejön, amely a nanoszkálás helikális szerkezetek kialakulásán keresztül alakul ki. A CB6OlBeO6 homológ esetében a N-NTB fázisátmenet texturális változásként volt megfigyelhető. A hőmérséklet csökkentésekor a NTB fázisban a szokásos egységes textúra csíkokkal helyettesítődött, amelyek a cella vastagságának periodicitását mutatták. Hasonló textúra jelent meg a Sm CTB fázisban is.

A kutatók arra a következtetésre jutottak, hogy a csíkok megjelenése alacsony hajlítási elasztikus konstansra utal az NTB és Sm CTB fázisokban. Ezen csíkok kialakulását nanoszkálás helical filamenteinként is megfigyelték a Hexl fázisban. Az optikai textúrák szoros vizsgálata, mint a polarizált fény mikroszkópos megfigyelésével, fontos információkat nyújtott a különböző fázisok optikai tulajdonságairól. Az elektromos mező hatására a twist-bend nematikus és a nematikus fázis közötti átalakulás is észlelhető, ahol az N fázis textúrája nem változott, amikor az irányítószál párhuzamos volt a mező irányával.

A nem szimmetrikus folyadékkristály dimer CB6OCB (1-(4-cianobiphenil-4'-yloxy)-6-(4-cianobiphenil-4'-yl) hexán) szintézise és jellemzése is hozzájárult a NTB fázis jobb megértéséhez. A POM segítségével a N-NTB fázisátmenetet megfigyelték. A textúrák, amelyeket a CB6OCB esetében figyeltek meg, szintén megerősítették a NTB fázis jelenlétét. Az ilyen típusú textúrák, mint az NTB fázisban kialakuló csíkos mintázatok, a hőmérséklet függvényében változnak.

Az elektromos mező hatására bekövetkező fázisátmenetek további fontos következményekkel járnak, mivel az ilyen típusú rendszerek a dielektromos tulajdonságok és a fázisátmenetek szoros kapcsolatát mutatják. Az elektromos mezőkkel végzett kísérletek segítségével az NTB és más fázisok viselkedése, valamint a textúrák fejlődése, különösen a cella vastagságának függvényében, egyre inkább előtérbe kerültek. Az ilyen vizsgálatok segítenek jobban megérteni a különböző folyadékkristályos fázisok közötti átmeneteket és azok optikai, illetve dielektromos tulajdonságait.

Miért váltunk tudatos lénnyé? Az emberi tudat fejlődése
Hogyan működik a gonosz nárcizmus és miért válhat politikai vezetővé?
Hogyan Alakulnak a Luxushotelek Személyre Szabott Illatai és Miért Olyan Fontosak a Vendégek Élményében?