A diszk-formájú molekulák folyadékrendszereinek fázisviselkedése komplex és többféle fázistípus jelenlétét vonja maga után. A különböző hőmérsékletek és sűrűségek hatására az ilyen rendszerekben három különböző fázis figyelhető meg: a smektikus, a nematikus és az izotróp fázisok, amelyeket az átmeneti tartományok karakterizálnak. Az achirális rendszerek esetén a smektikus fázisból való átmenet a nematikus fázisba, majd onnan az izotróp fázisba, hőmérséklet- és sűrűségfüggő módon következik be. Ezen fázisok közötti átmenetek (Sm-N, NI) 1,4 ≤ T* ≤ 1,45, illetve 1,7 ≤ T* ≤ 1,75 között találhatóak. A különbség a szimmetria és a szimmetriamentesség között figyelemre méltó, mivel az achirális rendszerek és a chiralitást mutató rendszerek fizikája alapvetően eltér egymástól.

A chiral rendszerek esetében az intermedier hőmérsékleti tartományban egy új fázis, az N* fázis jelenik meg, amely a nematikus fázis különböző variációit jelenti. Ez a fázis a smektikus (Sm) és az IL (izotróp) fázisok között alakulhat ki, ahol a fázisátmenetek (Sm-N*, N*-IL) 1,35 ≤ T* ≤ 1,4 és 1,7 ≤ T* ≤ 1,75 között figyelhetők meg. Érdekes módon, ugyanazon hőmérsékleten, a chiral rendszerek sűrűsége általában magasabb, mint az achirális, nem smektikus fázisoké, ami a chiral potenciál jelenlétére és a r−7 típusú csillapodásra vezethető vissza.

A rendszerek szerkezeti tulajdonságait orientációs rend paraméterek segítségével vizsgálták. Az orientációs rend paraméterek mérésére végzett számítógépes szimulációk során megfigyelhető, hogy az achirális rendszerekben a Sm-N átmenet körül egy enyhe csökkenés mutatkozott az orientációs rend paraméterében, míg a NI átmenet esetén jelentős csökkenés következett be. Ezzel szemben a chiral rendszerekben az orientációs rend paramétere a Sm-N* átmenetnél enyhén csökkent, míg a N*I átmenetnél markáns csökkenés volt tapasztalható. Az angol nyelvű szimulációk grafikai eredményei, melyek az orientációs rend, translációs rend és a hatoldali kötési rend paramétereinek változását ábrázolják, rávilágítanak az átmeneti fázisok természetére és az őket körülvevő hőmérsékleti határokra.

A kemikális rendszerek szimulációja során számos olyan jellemző is megfigyelhető, amely az anyagok folyadékos viselkedését illeti. A diszkformájú molekulák által alkotott rendszerek, mint például az éles határral rendelkező kemikáliák, a nehezen alakítható, kemikálisan zárt rendszerek esetén is új fázisokat és jelenségeket hozhatnak létre. A diszk-formájú, kemikálisan zárt rendszerekben végzett Monte Carlo (MC) szimulációk különösen hasznosak voltak, mivel lehetővé tették az ilyen rendszerek fázisátmeneteinek részletes vizsgálatát.

A cut sphere (vágott gömb) modellek alkalmazása különösen érdekes eredményeket hozott. Az ilyen modellek szimulációi során a sűrűség növekedésével különböző fázisátmenetek figyelhetők meg. A rendszerben különböző fázisok (izotróp, nematikus, smektikus, oszlopos) alakulnak ki a megfelelő hőmérsékleti és sűrűségi tartományban. A cut sphere típusú modellek alkalmazása különösen hasznosnak bizonyult az oszlopos fázisok és azok rendezettségi struktúráinak megértésében.

A rendszer viselkedése a vágott gömbök és az azok közötti kölcsönhatások révén új lehetőségeket biztosít a koloniális rendek és az új fázisok előrejelzésére. A különböző fázisátmenetek, például a N-Col és a N-IL átmenetek elsőrendűek, és az ezek közötti átmenetek szoros összefüggésben állnak a diszk-formájú molekulák orientációs és translációs rendjével.

Az eddigi szimulációk és kísérletek megerősítik, hogy az egyes geometriai formák, mint a vágott gömbök és a diszk-formájú molekulák alkalmazása alapvető fontosságú az anyagi rendszerek fázisátmeneteinek megértésében. A számítógépes szimulációk során alkalmazott állapotegyenletek is új perspektívát adtak ezen rendszerek termodinamikai viselkedésének megértésében.

A jövőbeli kutatások során figyelembe kell venni az anyagok szimmetriáját, valamint a kémiai potenciált, amely az orientációs és translációs rend paramétereket befolyásolja, mivel ezen tényezők együttes hatása alapvetően formálja a rendszer viselkedését a különböző fázisok között.

Hogyan befolyásolják a szomszédos molekulák kölcsönhatásai a 2D-s neomatikus folyadékkristályok fázisrendjét?

A 2D-s neomatikus folyadékkristályok fázisrendjének dinamikáját a Monte Carlo (MC) szimulációk segítségével tanulmányozták, amelyek a legközelebbi szomszédok kölcsönhatását figyelembe véve zajlottak. Az ilyen típusú szimulációk lehetővé teszik, hogy megértsük a rendszerek viselkedését a hőmérséklet-változások és a termikus ingadozások hatására. A kutatás egyik kulcsfontosságú eredménye, hogy a legközelebbi szomszédos kölcsönhatások figyelembevételével a fázisrend dinamikája diffúziós növekedést követ, mely logaritmikus korrekciót tartalmaz.

A kutatás során egy 4096×4096-os négyzetes rácson elhelyezett molekulákból álló rendszert szimuláltak, ahol minden molekula az adott rácsponton egy fej nélküli spin formájában jelenik meg. Ez a modell, amely a Maier és Saupe (MS) elméletének rácsos változata, figyelmen kívül hagyja a translációs és rotációs szabadságfokok közötti kölcsönhatásokat. Az ilyen típusú modellek, bár nem tartalmazzák az összes fontos kölcsönhatást, alapvető betekintést nyújtanak a folyadékkristályok viselkedésébe, különösen azokban az esetekben, amikor a molekulák az alapvető kölcsönhatások révén rendeződnek.

A szimulációk során a rendszer állapota egy kezdeti, izotróp, rendezetlen fázisból indult, majd a hőmérséklet hirtelen csökkentésével (quenching) fokozatosan átment a rendezettség egy magasabb fázisába. Az energiát minden egyes kezdeti konfigurációban kiszámolták, és a Monte Carlo algoritmus segítségével a szimuláció során a spinek egy véletlenszerűen kiválasztott irányban elforogtak, amelyeket aztán a Metropolis szabályai szerint elfogadtak vagy elutasítottak.

A szimulációk eredményei azt mutatták, hogy a kezdeti rendezetlen állapotban a hibák (defektusok) sűrűsége végtelen volt, és ezek a hibák idővel „annealálódtak”, azaz fokozatosan eltűntek, miközben egy jellemző hosszúságú skálázódás, L(t), alakult ki, amely a defektusok közötti távolságot vagy azok nagyságát jellemzi. A szimulációk eredményei azt mutatták, hogy a hibák jellemzően ±1/2-es vonali defektusokból álltak.

A 2D-s folyadékkristályok fázisrendjének fejlődése az idő függvényében logaritmikusan korrigált diffúziós növekedést követett, ami jól illeszkedik a standard fázisrend-átalakulás modellekhez, mint amilyen a Lebwohl-Lasher modell. A Monte Carlo szimulációk eredményei és az analitikus korrelációs függvények egybevágnak, ami megerősíti a modellek helytállóságát.

A szimulációkat dimenzió nélküli egységekben végezték, amelyek leegyszerűsítik a számításokat és csökkentik a lehetséges hibák mértékét, mivel a kvantitatív adatok közvetlen összehasonlítására van lehetőség anélkül, hogy az abszolút értékek túl kicsik vagy túl nagyok lennének. Ez lehetővé teszi, hogy a kutatás egyetlen modellt használjon különböző típusú problémák vizsgálatához. Az eredmények az adott fizikai egységekhez való skálázás után alkalmazhatóak, és mivel az egyes paraméterek beépülnek az egységekbe, a mozgási egyenletek is leegyszerűsödnek.

A kutatások során nemcsak a fázisrend fejlesztését vizsgálták, hanem azt is, hogyan befolyásolják a szomszédos molekulák közötti kölcsönhatások és az extra szimmetriák, mint például az inverziós szimmetria, a folyadékkristályos rendszerek hibáinak (defektusainak) típusát és azok fejlődését. Az inverziós szimmetria a fázisrend dinamikáját is módosíthatja, mivel a folyadékkristályok molekulái nemcsak a szokásos térbeli rotációkkal rendelkeznek, hanem az inverziós szimmetriával is, amely további topológiai hibákat eredményezhet.

Az ilyen típusú kutatások segítenek megérteni, hogyan alakulnak a fázisrendek a folyadékkristályos rendszerekben, és hogyan befolyásolják a különböző típusú molekulák közötti kölcsönhatások a rendszerek viselkedését. Ezen ismeretek birtokában lehetőség nyílik a további kutatásokra, amelyek célja a folyadékkristályos anyagok és azok különféle alkalmazásainak jobb megértése és kihasználása.

A folyadékkristályok alkalmazása a termográfiában

A folyadékkristályok (LC-k) különleges tulajdonságai az optikai alkalmazások széles spektrumát kínálják. Különösen figyelemre méltóak a hőmérséklet függvényében változó optikai jellemzőik, amelyek különböző termográfiai technikákban való alkalmazásukat tették lehetővé. Az LC-k legelterjedtebb alkalmazása a termográfiában a királis (vagy csavart) nematikus folyadékkristályok (NLC-k) révén vált népszerűvé. E technológia alapja a N fázis szelektív reflexiójának kritikus hőmérséklet függése. Az LC-k alkalmazása ezen a területen rendkívül sokrétű, és számos iparágban hasznosítható, beleértve az orvosi diagnosztikát, az anyagvizsgálatokat és a környezetvédelmet.

A termográfia alapvetően azon a jelenségen alapul, hogy a N* fázis hőmérsékleti változása a reflexió és a kettős törés fokának változását eredményezi. Az N* fázis közeli lehűlésekor a rendszer hirtelen divergens reflexiót mutat, míg a hőmérséklet csökkenésével a pitch (a molekulák közötti távolság) gyorsan megnövekszik. A folyamat során az alacsonyabb hőmérsékletű környezetben a vörös fény reflexiója válik dominánssá, míg magasabb hőmérsékleten a kék fény válik szelektíven visszaverté. A termikus expanzió és a molekulák közötti szögletes elválasztás növekedésére irányuló hajlam két versengő mechanizmus révén határozza meg az LC anyagok optikai tulajdonságait a hőmérséklettől függően.

A N* fázis alkalmazása számos területen elterjedt, mint például az újszülöttek fürdő- és étkezési hőmérsékletének indikátorai, orvosi szűrővizsgálatok, nem destruktív tesztelés, hűtőszekrények és akváriumok hőmérsékletmérése, akkumulátortesztek stb. Mivel a folyadékkristályok folyékonyak, a legtöbb alkalmazásukhoz valamilyen típusú kapszulázás szükséges, amely lokalizálja a mesogént és védi a környezettől. A mikrokapszulázási eljárások számos előnnyel rendelkeznek, például lehetővé teszik az LC anyagok védelmét a szennyeződésektől, és használatukat biztonságosabbá teszik különböző környezetekben, például vízalatti vizsgálatok során.

A mikrokapszulázás során a folyamatot úgy alakítják, hogy az egyenletesen diszpergált kapszulák optimális méretűek legyenek (~5 μm átmérő), miközben a kapszulák védelmet kapnak az oldószerektől, például akrilpolimerekkel való bevonattal. Az így kapott védett LC anyagokat például víz alatti turbulens áramlások vizsgálatához alkalmazzák, mivel a hőátadás gyorsabb a zavaros áramlás területein. A termokromikus folyadékkristályok különösen hasznosak a hőátadási vizsgálatokban, mivel képesek elkülöníteni a hideg és meleg területeket, bár a pontos hőmérséklet meghatározására nem alkalmasak.

A mikrokapszulázott LC-k orvosi alkalmazásai kiemelkedőek. A termográfia lehetőséget ad számos betegség diagnosztizálására és nyomon követésére, beleértve a daganatos megbetegedéseket, bél- és tüdőgyulladást, a bőrteszteket (pl. allergiás reakciók), a sérüléseket és más orvosi állapotokat. A gyermekek számára különösen előnyös, mivel nem invazív, megbízható és gyors módszer, amely minimális kellemetlenséget okoz. A rák szűrése terén az LC termográfiás módszerek különösen fontosak, mivel az alatti daganatok 0,9–3,3 °C-kal magasabb hőmérsékleten jelennek meg, mint a környező szövetek.

Az LC filmek alkalmazhatók sugárzás detektálására is. A N*LC filmek képesek vizualizálni az láthatatlan sugárzást, amennyiben az elnyelő közeg képes az incidens sugárzást hővé alakítani. Ezen elv alapján működnek a mikrohullámú detektorok is, amelyek thermokromikus LC-ket használnak érzékelőként, hogy láthatóvá tegyék az elektromágneses sugárzást.

Ezen túlmenően az LC anyagok alkalmazása az ún. teljes térbeli hőmérsékletmérésben is elterjedt. Az LC-k a hőmérséklet és a megfigyelési szög függvényében változtatják meg a fényhullámhossz-törést, ami lehetővé teszi a hőmérsékleti vizualizációkat. A TLC-k válaszideje körülbelül 3 ms, ami lehetővé teszi az olyan gyors változásokat is, amelyek az ipari és kutatási alkalmazásokban hasznosíthatók, mint például a termikus konvekciók vizsgálata vagy a hőmérsékleti eloszlás térbeli ábrázolása.

A folyadékkristályok tehát nemcsak a kijelzőtechnológia világában nyújtanak új lehetőségeket, hanem a termográfia, az orvosi diagnosztika, a sugárzásmérés és a hőmérsékleti vizsgálatok területén is forradalmi áttörést jelentenek. Az LC-k rendkívüli sokoldalúsága és adaptálhatósága új kutatási irányokat és alkalmazásokat nyitott meg, amelyek még szélesebb körben hasznosíthatók a jövő technológiai fejlődésében.

Hogyan készíthetünk tápláló, vegán ropogtatnivalókat otthon?
Miért a Trump-i kivételesség más, mint a korábbi elnökök esetében?
Miért fontos megérteni a nyelvet és a kommunikációt az antropológiai kutatásban?
Mi a következő lépés, ha a felső endoszkópia normális?