A szmektikus kék fázisok (BPSm2, BPSm1) az új típusú folyadékkristályos fázisok közé tartoznak, amelyek szűk hőmérsékleti tartományban (~1 ℃) érzékelhető textúrával rendelkeznek. E fázisok optikai és szerkezeti tulajdonságai egyedülállóak, és fontos szerepet játszanak az új generációs kijelzők, fotonikus eszközök és egyéb technológiai alkalmazások kifejlesztésében. A klasszikus BPII fázishoz hasonlóan, a harmadik szmektikus kék fázis (BPSm3) amorf szerkezettel rendelkezik, ami különbözteti meg a többi, hagyományos kék fázistól.

A BPSm2 fázisban észlelt mozaik textúra különböző orientációjú tartományok Bragg-reflexióinak eredményeként jön létre. A fényes szürke és fekete közötti színváltozás a birefringenciának köszönhető, ami az optikai anizotrópiát és a nem-köbös szimmetriát jelzi. Ez a fázis optikai szempontból nem egy tipikus, chirális nematikus kék fázis, hanem egy új típusú mesofázis, amely különböző optikai aktivitásokkal rendelkezik. A BPSm1 fázis kék színe az optikai aktivitásának köszönhető, amely szintén a kék fázisok egyedi tulajdonsága.

A BPSm fázisok rácsparamétere az UV tartományba esik, ezért túl kicsi ahhoz, hogy a hagyományos kék fázisokhoz hasonló módon szelektíven visszaverje a látható fényt. Az optikai aktivitás azzal növekszik, hogy csökken a hullámhossz, amely szintén kiemeli ezen fázisok különlegességét. A szmektikus kék fázisok (BPSmx1, BPSmx2 és BPSmx3) hasonlóak a klasszikus kék fázisokhoz, mint a BPI, BPII és BPIII, de a BPsmiso egy új típusú kék fázis, amely teljesen izotróp optikai tulajdonságokkal rendelkezik, és polarizáló mikroszkóppal semmilyen textúrát nem mutat. Az ilyen típusú fázisok az optikai rendszerekben különleges alkalmazásokhoz nyújtanak lehetőséget, mivel a színük nem változik, bárhogy is forgassák a mintát.

A különféle kutatások és kísérletek azt mutatják, hogy a kék fázisok stabilitása és hőmérsékleti tágulása kulcsfontosságú a kereskedelmi alkalmazások szempontjából. A BPLCs (Blue Phase Liquid Crystals) stabilizálása érdekében különféle stratégiákat dolgoztak ki, amelyek akár 60 ℃-os hőmérsékleti tartományt is képesek biztosítani. Ezek a fejlesztések lehetővé teszik, hogy a kék fázisokat fotonikai eszközökben és kijelzőkben alkalmazzák, ahol a szmektikus kék fázisok más mesofázisokkal szembeni előnyöket kínálnak, mint például az alacsony hajtó feszültség, magas optikai aktivitás és a nagy optikai érzékenység.

A kék fázisok hőmérsékleti stabilitásának javítása érdekében különféle módszereket alkalmaznak, mint például arany nanorészecskék (GNP-k) vagy fémszemcsék (például CdSe) keverése a folyadékkristályos anyagokkal. Ezek az anyagok segítenek növelni a kék fázisok hőmérsékleti tartományát és javítani az optikai tulajdonságaikat, ami kulcsfontosságú tényező lehet az alkalmazhatóságuk szempontjából. A kísérletek kimutatták, hogy a CdSe nanorészecskék és a GNP-k hatására a kék fázisok stabilitása növekszik, és a hőmérsékleti tartomány jelentősen szélesedhet, ezáltal javítva az alkalmazások hatékonyságát.

A kék fázisok különleges átmeneti állapotokat mutatnak, amelyek elsőrendű fázisátmeneteket eredményeznek. Például a cholesterikus fázisból a kék fázisba történő átmenet az entalpiaváltozás és a térfogatváltozás tekintetében hasonló a hagyományos elsőrendű fázisátmenetekhez. A DSC (Differenciális Szkálerometriás) mérések során a kék fázisokkal kapcsolatos átmenetek finom hőmérsékleti változásokat mutatnak, amelyek érzékelhetők a molekuláris szinten is, bár a változások gyakran túl kicsik ahhoz, hogy közvetlenül észlelhetők legyenek optikai módszerekkel.

Fontos, hogy a kék fázisok kutatásának és fejlesztésének megértése nemcsak az anyagok alapvető tulajdonságainak ismeretét igényli, hanem azok alkalmazásait is figyelembe kell venni. A kék fázisok optikai aktivitása és anisotrópiája új technológiai lehetőségeket kínál a jövő folyadékkristályos eszközeiben, például az okos kijelzőkben, optikai kommunikációs rendszerekben és fotonikai eszközökben. Az optimális hőmérsékleti tartományok elérése és a fázisok stabilitásának növelése új kihívásokat, de ugyanakkor nagy potenciált jelent a tudományos és ipari közösség számára.

Milyen tényezők befolyásolják a kék fázisú folyadékkristályok stabilitását?

A kék fázisú folyadékkristályok (BPLC) stabilitása számos tényezőtől függ, amelyek közül a legfontosabbak a csavart szerkezet, a hőmérséklet, a nyomás, a Frank-elasztikus konstansok és az orientációs rendparaméter S a N* fázisban. A stabilitás szempontjából a chirális tulajdonságok, vagyis a molekulák forgási iránya és mértéke tűnik a legdominánsabb tényezőnek. Azonban nemcsak a chirális jellemzők befolyásolják a stabilitást, hanem a struktúrával kapcsolatos feszültségek is szerepet játszanak a kék fázisok létrehozásában és fenntartásában.

Az első szisztematikus kutatásokat, amelyek a kék fázis stabilitását más paraméterek függvényében vizsgálták, Miller és Gleeson végezték el. Ők a hőmérséklet és az elasztikus konstansok közötti összefüggést, valamint az orientációs rendparaméterek hatását tanulmányozták. A kutatás során olyan keverékeket vizsgáltak, amelyek egyike egy chiralikus folyadékkristály, a CE2. Az eredmények azt mutatták, hogy a stabilitás nagyban függ az orientációs rendparaméterek értékétől és a keverékek összetételétől.

A mérési eredmények alapján a következő következtetéseket lehet levonni: a PCHn alapú anyagok nagyobb stabilitást mutattak a nCB alapú anyagokkal szemben. A homologikus sorozatokban azokon az anyagokon, amelyeknél a rendparaméterek értéke magasabb volt, stabilabb kék fázisokat figyeltek meg. Az anyagok stabilitására hatással van a csavarás elasztikus konstansának értéke is, de nem volt szoros összefüggés a csavarás elasztikus konstans és az alkil lánc szénatomjainak számával.

Hur és munkatársai további kutatásokat végeztek a kék fázis stabilitásával kapcsolatban, különös figyelmet fordítva a bent-core (BC) molekulák hatására. Különböző koncentrációjú BC molekulákat tartalmazó keverékeket vizsgáltak, és kimutatták, hogy a BC molekulák hozzáadása jelentős hatással van a kék fázis hőmérsékleti tartományára. Amikor a K3/K1 arány nagyobb volt, a stabilitás kisebb hőmérsékleti tartományban jelentkezett. Azonban, amikor a K3/K1 arány csökkent, a kék fázis stabilitása jelentősen nőtt, ami különösen a BC30 keverékek esetében figyelhető meg, ahol a stabilitás szélesebb hőmérsékleti tartományban jelentkezett, mint a hagyományos NLC keverékek esetében.

A kék fázisok stabilitása nemcsak a csavart szerkezettől, hanem az elasztikus konstansoktól és az alkotóelemek molekuláris szerkezetétől is függ. A magasabb stabilitású kék fázisok különböző fizikailag jelentős jellemzőkkel rendelkeznek, amelyek a kijelzők és egyéb optikai alkalmazások szempontjából fontosak lehetnek. Az optikai tulajdonságok, mint például az optikai forgatási teljesítmény (ORP), szintén alapvető szerepet játszanak a BPLC alkalmazások fejlesztésében. Az ORP az optikai tulajdonságok mérésére szolgál, és segít meghatározni a chiralikus szerkezetet. Az ORP mérése a kék fázisú folyadékkristályok stabilitásának és optikai viselkedésének megértéséhez elengedhetetlen eszközként szolgál.

A kék fázisú folyadékkristályok optikai tulajdonságait, mint például a polarizáció forgatását, a diffrakcióval indukált körkörös dichroizmust és a Mauguin forgást, a Kramers-Kronig egyenletek segítségével is lehet modellezni. A kék fázisú folyadékkristályok, mivel hasonló dielektromos eloszlással rendelkeznek, az N* fázissal kapcsolatos eredmények segítségével előrejelezhetők. Ez a szimuláció segíthet jobb kijelző tulajdonságok elérésében, különösen, ha a kevert polarizátorok alkalmazása révén csökkenthetjük az optikai forgatás hatását.

A kék fázisú folyadékkristályok másik fontos jellemzője az elasztikus nyírási modulus, amely lehetővé teszi a kék fázisoknak, hogy ellenálljanak a statikus nyírási hatásoknak. Ez a tulajdonság különösen érdekes, mivel a kék fázisok, bár folyadékkristályos anyagok, képesek a szilárd anyagokhoz hasonló viselkedést mutatni bizonyos körülmények között. Bár az elasztikus nyírási modulus értéke a szilárd anyagokéhoz képest rendkívül kicsi, mégis biztosítja, hogy a kék fázisok stabilak maradjanak a különböző mechanikai hatások alatt.

A fent említett tulajdonságok és a stabilitási tényezők figyelembevételével a kék fázisú folyadékkristályok egyre fontosabb szerepet játszanak az optikai és kijelzőtechnikai alkalmazásokban. Az újabb kutatások és a mérési eredmények folyamatosan bővítik tudásunkat ezen anyagok viselkedéséről és alkalmazásuk lehetőségeiről, amely a jövőbeli fejlesztéseket segítheti elő.

Hogyan befolyásolják a külső mezők a liootropikus folyadékkristályokat?

A grafén-oxid (GO) egy olyan anyag, amely a grafén különböző funkcionális csoportokkal való díszítésével jön létre. Ez lehetővé teszi számára, hogy vízben és más oldószerekben oldódjon. A GO nem vezeti az elektromos áramot, mivel a grafénre jellemző sp2 kötési hálózat sérült. Azonban a GO sajátos tulajdonsága az, hogy képes kolloidális rendszert alkotni, ahol egy fázis (például szilárd) el van oszlatva egy másik fázisban. Ezen kívül a GO-lapok különböző mechanikai és fizikai hatásokra reagálhatnak, és képesek elérni egy úgynevezett lyonematikus fázist, amely az oldat koncentrációjának növekedésével jön létre.

A lyonematikus fázisok elmélete, amelyet Kim és munkatársai is kutattak, egy különleges rendezettséget jelent a GO oldatokban, és jellemzően akkor figyelhetők meg, ha az oldat koncentrációja meghaladja egy kritikus szintet. Az ilyen rendszerek kétfázisú viselkedést mutatnak, amelyet különböző GO-források különböző viselkedése jellemezhet. A GO lapocskák átlagos mérete, a polidiszperzitás és az oldószer dielektromos állandója mind hatással vannak a GO fázisának megjelenésére és viselkedésére. A GO-ot mágneses mező alkalmazásával is orientálni lehet, amely segíthet a kívánt rendezettség elérésében, például a GO síkját párhuzamosan a szubsztrátokkal.

Ezen kívül a liootropikus folyadékkristályok (LLC-k) külső mezők (például elektromos és mágneses mezők, gravitációs tér és elektrosztatikus hatások) hatására rendkívüli módon reagálnak. Az elektromos és mágneses mezők alkalmazása a liootropikus folyadékkristályok esetében lehetőséget ad a fázisok finomhangolására, a molekulák orientálásának irányítására, a hibák csökkentésére, valamint új fázisok létrehozására. A külső mezők alkalmazása segíthet a különböző LLC-domaének előállításában és a polidiszperzitás csökkentésében.

A liootropikus folyadékkristályok elektromos mezőre adott válaszát számos kutató vizsgálta. Monzen és munkatársai DC és AC elektromos mezők alkalmazásával figyelték meg a transzienst sávos textúrák kialakulását. Az elektromos mező irányának megváltoztatása hatással volt az LC oldatok textúrájára, és azt találták, hogy az indukált sáv szélessége fordítottan arányos volt az elektromos mező erősségének négyzetgyökével. A reorientációs sebesség pedig közvetlenül arányos volt az elektromos mező négyzetével.

Ezeket a jelenségeket kiegészítik az olyan kísérletek, amelyek a GO diszperziók birefringenciáját vizsgálják, elektromos mező hatására. Shen és munkatársai mértek egy magas Kerr-együtthatót a GO vizes diszperzióiban, ami rendkívül magas értéket mutatott, összehasonlítva más anyagokkal. Az elektromos mező hatására előállt birefringencia csökkent a GO koncentrációjának növekedésével, ugyanakkor figyelembe kell venni, hogy a különböző oldószerek másképp befolyásolják a birefringenciát.

A mágneses mezők hatása különösen érdekes a GO-ra, mivel az irányított rendeződést lehetővé teszi. Draude és Dierking kísérletei során például kiderült, hogy a GO lapocskák nem igazodtak a mágneses mező irányához, ami arra utal, hogy a mágneses mezők hatására a GO struktúrája nem volt könnyen manipulálható. Ugyanakkor Song és munkatársai az utóbbi években sikeresen alkalmaztak mágneses mezőt a GO irányított rendezésére, amely lehetővé teszi a magas teljesítményű nanokompozitok előállítását.

A liootropikus folyadékkristályok külső mezőkkel való manipulálása tehát egy izgalmas és sok lehetőséget rejtő terület. Az elektromos és mágneses mezők hatására az anyagok tulajdonságai finomhangolhatók, és új struktúrák, fázisok kialakítása válik lehetővé, amely lehetőséget ad a jövőbeli nanomateriálok fejlesztésére.

Hogyan befolyásolják a hibák a biaxiális nematikus fázist és a rendelési paramétereket?

A nematikus fázisok tanulmányozása során, különösen a rendelt paraméterek szempontjából, előnyös a nematikus tenzor rendelési paraméter alkalmazása a direktornál, mivel a rendelési paraméter értéke a hibák magjában nullává válhat, míg a tenzor Q értéke továbbra is jól definiált. A hibák viselkedésének vizsgálata során a Landau-de-Gennes szabadenergia helyettesíti a Frank-energiát, mely lehetővé teszi a nematikus rendelt paraméterek és hibák kölcsönhatásának részletesebb modellezését. A nematikus fázisok, legyenek azok egydimenziós vagy bonyolultabb biaxiális fázisok, érdekes optikai textúrákat és bonyolult energiaállapotokat mutatnak.

A hibák magjaiban a rendelési paraméter S = 0 értékre csökken, de az ilyen helyzetekben is jól meghatározható a tenzor Q. A nematikus fázisokban a szabadenergia különböző szempontok alapján változik, és ezek az energiaváltozások összefüggenek a hiba magjának sugara és a kezdeti csavarással, amely az egyensúlyi állapotok elérésére vezet. A hibák mozgásának és a csavarással kapcsolatos dinamikája finom részletezést igényel. A csavarás éles energiaváltozásokat okozhat, melyeket a hibák ellensúlyozása során tapasztalhatunk.

Például, amikor a rendszer két fix határ köré épül, a torziós deformációk úgy alakulnak, hogy azok a csavarástól megszabaduljanak, miközben egy újabb pár ellenkező töltésű hiba keletkezik. Ez a páros hiba a rendszer relaxációja közben körbejárja a határokat, és egymást eltüntetve törli a torziós feszültséget. Ilyen dinamikus folyamatok vezethetnek a rendszer stabil állapotához, de az energiaváltozások figyelemmel kísérésével az optimális állapotok elérhetők.

A Landau-de-Gennes szabadenergia használatával lehetőség nyílik arra, hogy a rendszerrel kapcsolatos információkat pontosabban modellezzük. A szabadenergia függvénye a hiba magjának sugara és a kezdeti torzítás mértéke között összefügg, és a torzió mértéke növekedésével egy bizonyos kritikus pont elérésekor az energia hirtelen csökkenhet. Ez a jelenség megfigyelhető a hibák és a rendelési paraméterek közötti kölcsönhatásban, és az ilyen típusú dinamika rendkívül fontos a nematikus rendszerek megértésében.

A biaxiális nematikus fázisok tanulmányozása sokkal bonyolultabb, mint a hagyományos uniaxiális rendszereké, mivel az optikai textúrák és a hiba típusok sokkal bonyolultabbak. A 2-ecset diszklínációk (∣s∣ = 1/2) figyelhetők meg a biaxiális fázisokban, míg az uniaxiális fázisokban mind a 2-ecset, mind a 4-ecset diszklínációk jelen vannak. A 4-ecset diszklínációk hiánya a biaxiális nematikus fázisban azt mutatja, hogy ezek a rendszerek nem kedvelik az egység erejű diszklínációkat. A diszklínációk és a rendezettség összefüggéseinek részletes megértése elengedhetetlen ahhoz, hogy a nematikus fázisokban jelentkező viselkedést és azok energiáját pontosan le tudjuk modellezni.

A biaxiális nematikus fázisok optikai textúrái olyan jelenségeket tükröznek, amelyek segítenek abban, hogy mélyebb megértést nyerjünk az ilyen rendszerek viselkedéséről. Azok az anyagok, amelyek biaxiális nematikus fázist képeznek, sajátos viselkedést mutatnak, ami a diszklínációk típusában és elhelyezkedésében tükröződik. Az ilyen rendszerekben a rendezettség kialakulása során a director vektorok különböző irányokba történő elmozdulása jelentős hatással van a rendezettség fenntartására.

Fontos megjegyezni, hogy a nematikus fázisokban a hiba magjainak jellege és azok kölcsönhatása az energiaszintek változásához vezet, amelyeken a rendszer relaxációja keresztülmegy. A hibák és a diszklínációk mozgása, valamint azok hatása a rendelési paraméterekre, alapvető szerepet játszanak a nematikus rendszerek viselkedésének megértésében. A csavarással kapcsolatos dinamikák, a hiba párok elhelyezkedése és azok energiaváltozásai segítenek a nematikus fázisok pontos modellezésében, amely a jövőbeli alkalmazások és anyagfejlesztések szempontjából is fontos lehet.

Hogyan formálódik a legjobb technológia és miért ragadunk bele az elavult rendszerekbe?
Hogyan befolyásolja a potenciál magassága a kémiai reakciók sebességét?
Miért tekintik Detroitra a konzervatív ideológia kollektív rémálmaként?
Milyen kihívásokat rejt a metrikus terek topológiája a matematikai analízis tanulásában?