A folyékony kristályok (LC-k) felfedezése és kutatásuk története több mint egy évszázados múltra tekint vissza, és a tudományos közösség számára rendkívüli felfedezéseket és vitákat eredményezett. A folyékony kristályok olyan anyagok, amelyek a szilárd kristályok és a folyadékok közötti állapotot képviselik, és mikroszkopikus szinten rendkívüli tulajdonságokkal rendelkeznek. Ezen anyagok megértése kulcsfontosságú volt nemcsak a fizikai kémia, hanem a modern kijelzőtechnológia fejlődésében is.

A folyékony kristályokkal kapcsolatos kutatások egyik mérföldköve 1888-ra tehető, amikor Otto Lehmann, német tudós, felfedezte, hogy egyes anyagok, mint például a koleszteril-benzoát, olyan rendkívüli viselkedést mutatnak, amely több olvadásponttal rendelkezik. Lehmann az áramló kristályok, illetve a "folyékony kristály" kifejezéseket kezdte használni az új jelenség leírására. Az első publikációja, amely 1889-ben jelent meg, hatalmas érdeklődést váltott ki a tudósok körében. Ludwig Gattermann 1890 márciusában írta neki, hogy felfedezéseket tett olyan anyagokkal, amelyek hasonló viselkedést mutattak, és megerősítette, hogy az áramló kristályok nem csupán keverékek.

A további kutatások során Gattermann és Ritchke 1890-ben előállították az első folyékony kristályos anyagot, a p-azoxianizolt. Az ő munkájuk megalapozta a folyékony kristályok tudományos kutatását, azonban az 1890 és 1906 közötti években viták robbantak ki, mivel egyes tudósok, például Quincke és Tammann, azt állították, hogy Lehmann megfigyelései inkább keverékek eredményeként magyarázhatók.

Az 1900-as évek elején Vorländer csoportja szintén jelentős hozzájárulást tett a folyékony kristályok kutatásához, amikor 1900-ban először szintetizáltak egy hőmérsékletfüggő smektikus vegyületet. Ők fedezték fel a polimorfizmus jelenségét is, amely azt jelenti, hogy egy adott vegyület több különböző folyékony kristályos fázist is képes kialakítani. Vorländer csoportja a kalamitikus vegyületek szerepét is megvilágította, amelyek folyékony kristályokat képezhetnek.

A 20. század első felében az elméleti megközelítések is fejlődtek. 1922-ben George Friedel bemutatta a folyékony kristályok osztályozásának alapjait, és kifejtette a különböző fázisok közötti átmeneteket, mint a nematikus, koleszterikus és smektikus fázisokat. A következő évtizedekben Oseen és Zocher, valamint Maier-Saupe új elméleteket dolgoztak ki a folyékony kristályok elméleti leírására, amelyek alapvető fontosságúak voltak a folyékony kristályok tudományának további fejlődésében.

A folyékony kristályok kutatásában az 1950-es években új lendületet kapott a tudományos munka. 1958-ban Frank újraértékelte Oseen elméletét, és bemutatta a görbületi elaszticitás elméletét, amely új szemléletet adott a folyékony kristályok működésére. Ezen kívül a Kent State University-n kifejlesztett Maier-Saupe elmélet segített megérteni a nematikus átmenetet, amelyben a molekulák között kizárólag vonzó kölcsönhatások lépnek fel, anélkül, hogy állandó dipólusokkal rendelkeznének. Ezen elméletek és felfedezések elengedhetetlenek voltak a folyékony kristályok működésének megértésében, különösen az LCD-technológiák fejlődésében.

A folyékony kristályos kijelzők (LCD) története 1962-ben indult, amikor Williams felfedezte, hogy a folyékony kristályok érdekes elektro-optikai tulajdonságokat mutatnak. 1964-ben Heilmeier felfedezte a vendég-hoszt módot és a dinamikus szóródás módját, amelyek alapját képezték a modern LCD-technológiának. Az 1980-as évek elején Clark és Lagerwall az első ferroelectric folyékony kristályos kijelzőt (FLC) szabadalmazták, amely új irányt adott a technológia fejlődésének. A 20. század végére a folyékony kristályos kijelzők, mint a TN (twisted nematic) és az STN (supertwisted nematic) technológiák, széles körben elterjedtek, és az LCD technológia forradalmasította az elektronikai ipart.

A folyékony kristályos kijelzők fejlesztésében azonban számos kihívás merült fel. A mai LCD-k, amelyek gyakran TN-alapúak, számos hátránnyal küzdenek, mint például az alacsony kontraszt, a szűk látószög, és a lassú válaszidő alacsony hőmérsékleten. Az új technológiák, mint például a deformed helix ferroelectric (DHF) LCD-k, célja, hogy kiküszöböljék ezeket a problémákat, és jobb képminőséget biztosítsanak.

A folyékony kristályok és a kijelzők tudományának fejlődése egy új korszakot nyitott a vizuális technológiák terén. A jövőbeli fejlesztések, mint például a PDLC (polimerek eloszlatott folyékony kristályok) és a más típusú LCD-k, tovább bővíthetik az alkalmazások körét, például az állítható ablakok és az intelligens kijelzők területén.

A folyékony kristályos rendszerek viselkedésének megértéséhez elengedhetetlen a különböző generikus potenciálmodellek használata. Az olyan modellek, mint az Onsager-féle alak-anizotropia elmélet, segítenek megérteni, hogy a molekulák alakja és a kölcsönhatások hogyan alakítják a folyékony kristályok szerkezetét és tulajdonságait. Az ilyen egyszerűsített modellek lehetőséget adnak arra, hogy a folyékony kristályos rendszerek viselkedését olyan szempontból vizsgáljuk, amely nem igényli a molekuláris szintű részletek figyelembevételét, de mégis pontos predikciókat adhat a makroszkopikus viselkedésről.

Milyen módszerek alkalmazhatók a nematikus folyadék kristályok elasztikus konstansainak mérésére?

A nematikus folyadékokban a fény terjedését és polarizációját különböző tényezők, például az elektromos és mágneses mezők, valamint a hőmérsékleti hatások befolyásolják. A nematikus kristályok egyes alapvető fizikai tulajdonságait, például a hajlítási és csavarási elasztikus konstansokat, többféle mérési módszerrel lehet meghatározni. Az egyik alapvető kérdés, hogy milyen mezőt alkalmazzunk a nematikus irányító réteg elhajlítására: az elektromos mező vagy a mágneses mező közötti választás nem csupán a mérés pontosságát, hanem a mért adatok értelmezését is befolyásolhatja.

A folyamat során az elektromos mező előnyben részesíthető, mivel a mágneses mező hatásait gyakran nehezebb pontosan mérni, figyelembe véve a mezők inhomogenitását és a Hall-probák hőmérsékletfüggését. Ezzel szemben az elektromos mező esetén a vezetőképesség, amely a hőmérséklet függvényében exponenciálisan növekszik, fontos tényező, és ennek mérésekor gondosan kell kezelni a hőmérséklet-változások hatásait.

A nematikus anyagok fényelnyelése és szóródása szoros kapcsolatban állnak az anyag viszkozitásával és elasztikus tulajdonságaival. A fény szóródásának intenzitása, amelyet az orientációs fluktuációk generálnak, információt adhat a nematikus anyagok elasztikus konstansainak meghatározásához. Az elmélet szerint a szórt fény intenzitása két különböző módusra bontható, amelyek különböző elasztikus konstansokhoz tartoznak.

A mérési elrendezésben egy polarizált fényt használnak, amely a nematikus anyagon áthaladva változtatja a fény polarizációját. A szórás különböző irányokba történik, és az intenzitás mérésével, amelyet egy fotodiódával rögzítenek, meghatározhatók a különböző elasztikus konstansok, mint a csavarási (K2) és hajlítási (K3) konstansok. A szóródás szögétől függően az intenzitás változása alapján az elasztikus konstansok meghatározására alkalmas adatokat gyűjthetünk.

Egy másik elterjedt módszer a Freedericksz-deformáció, amely a nematikus folyadékokban lévő irányított rétegek elhajlítását vizsgálja elektromos mező alkalmazásával. Az alkalmazott elektromos mező intenzitása és a folyadék viselkedése közötti kapcsolat elemzésével meghatározhatók az elasztikus konstansok. A Freedericksz-deformáció elmélete szerint az alkalmazott elektromos mező erőssége és a nematikus anyag reakciója közvetlen összefüggésben állnak egymással, és az alapvető elasztikus konstansok mérésére használhatók.

A nematikus anyagok elasztikus konstansait továbbá más módszerek segítségével is mérhetjük. Például a ferde beesésű fény alkalmazása a csavarási és hajlítási elasztikus konstansok mérésére alkalmas módszert kínál. Az elektromos és optikai mezők hatása a nematikus anyagok Freedericksz-transzformációjára szintén fontos adatokat szolgáltat a különböző elasztikus konstansok meghatározásához. Az optikai mező segítségével az elhajlított réteg polarizációját mérhetjük, és a szórt fény intenzitásának vizsgálata lehetővé teszi a splay (K1), csavarás (K2) és hajlítás (K3) konstansok meghatározását.

Mindezek a mérési módszerek segítenek megérteni a nematikus folyadékok fizikai viselkedését, és olyan alapvető információkat szolgáltatnak, amelyek a nematikus rendszerek alkalmazásának és fejlesztésének alapját képezhetik. A mért konstansok és a megfelelő elméletek segítségével a jövőbeli fejlesztések elősegíthetik a folyadékkristályos anyagok új alkalmazási területeit, mint például a kijelzők, optikai eszközök és érzékelők fejlesztését.

Azonban az eredmények helyes értelmezéséhez és alkalmazásához figyelembe kell venni a nematikus anyagok hőmérsékleti és elektromos hatásokra adott reakcióit. Az elektromechanikai jellemzők pontos mérése és a hőmérsékleti hatások figyelembevétele elengedhetetlen a helyes és megbízható eredmények eléréséhez. Ezen kívül a mérési módszerek közötti választásnak tisztában kell lennie az alkalmazott elméleti modellekkel és az anyag viselkedésével, hogy a legpontosabb eredményeket érhessük el.

Hogyan mérhető a folyadékkristályok optikai anizotrópiája és fényáteresztése?

A folyadékkristályok optikai tulajdonságainak vizsgálata különös jelentőséggel bír az anyag belső szerkezetének és az elektromágneses térrel való kölcsönhatásának megértésében. Az optikai anizotrópia, amely a birefringencia (kettős törés) jelenségében nyilvánul meg, különféle módszerekkel mérhető, attól függően, hogy milyen hullámhosszúságú fényt alkalmazunk és hogyan orientáljuk a mintát.

Az egyik legismertebb módszer az optikai transzmittancia mérése, amelyhez polarizációs mikroszkópot használunk keresztbe állított polarizátorokkal. A minta egy forrósítható tárgyasztalon helyezkedik el, és a mérés során kamerával rögzíthető a textúraváltozás. A kilépő fény intenzitását fotodetektor érzékeli, amely az elektromos jelet egy digitális oszcilloszkópra továbbítja. Az optikai transzmittancia értékét ezen jelek intenzitása alapján számítjuk. A minta elforgatásával a fény elnyelése akkor maximális, amikor az optikai tengely a polarizátor vagy analizátor tengelyével párhuzamos. Más szögállásoknál a fény áthalad a mintán, és színe információt nyújt a birefringenciáról és a minta vastagságáról.

A transzmittált fény intenzitása I = I₀ sin(2ϑ) sin(πΔnd/λ) összefüggéssel írható le, ahol I₀ a beeső fény intenzitása, ϑ az optikai tengely szöge, Δn az anizotrópia mértéke, d a minta vastagsága, λ pedig a fény hullámhossza. A folyadékkristály vékonyrétegének hőmérséklet-változása megváltoztatja az intermolekuláris kölcsönhatásokat, így az optikai textúrát is. Ez az effektus kihasználható a Δn(z) profil integrálásával történő fázistolás számítására. A fáziskülönbség Δφ = (2π/λ) ∫₀ᵈ (nₑ(z) − n₀) dz, és a kilépő fény intenzitása I = I₀ sin²(Δφ/2) képlettel számítható. Külső elektromos vagy mágneses tér hatására a folyadékkristály igazítási iránya, és így Δn és Δφ is megváltozik, ami oszcillációkat okoz az analizátoron kilépő fényjelben. Az oszcillációk amplitúdója akkor maximális, ha a polarizációs vektor és az igazítási irány szöge 45°, a maximális oszcillációk száma pedig közelítőleg n⊥·d/λ.

A birefringencia pontos meghatározásához több optikai módszer áll rendelkezésre. Az egyik legrégebbi és legismertebb az Abbe-féle kettős prizma módszer, amelyben homeotróp orientációjú folyadékkristályréteget helyeznek két derékszögű prizma közé. A prizmák törésmutatója nagyobb kell legyen, mint a folyadékkristályé. A teljes visszaverődési határszögek méréséből meghatározhatók a rendes (n₀) és rendkívüli (nₑ) törésmutatók.

Egy másik módszer az interferencia elvén alapul. Síkpárhuzamos cellák esetén a polarizátorok közé helyezett minta 45°-os szöget zár be az optikai tengellyel. A kilépő fény intenzitását Fresnel-törvény

Hogyan mérhetjük a rend paramétereit folyékony kristályokban? A deuterium NMR és más spektroszkópiás módszerek szerepe

A protonált aromás gyűrűk esetében fontos figyelembe venni, hogy a hozzájuk tartozó tíz vonal, amelyek szoros összefüggést mutatnak az elméleti AA,BB spektrummal, nem azonos szélességűek. A protonált aromás gyűrűk elemzéséhez a következő feltételezéseket tették annak érdekében, hogy meghatározzák az Sij elemeket: (i) négy proton kapcsolódik a gyűrű C2v szimmetriájához, (ii) a C2 tengely a 1-es és 4-es szénatomokon keresztül halad, (iii) a Z-tengely párhuzamos a C2 tengellyel, és az X tengely a gyűrű síkjában helyezkedik el, (iv) a deuteriumos gyűrű és az alkil lánc belső forgást végez úgy, hogy a forgási potenciál a Z-tengely körül legalább C2v szimmetriát mutat, és a mozgás gyorsabb, mint a dipólus kölcsönhatások változása, valamint (v) a relatív proton pozíciók fixek maradnak, kivéve a vibrációs mozgást, a molekula minden lehetséges konformációjában. E feltételezések alapján a dipólus kölcsönhatás konstansainak képlete a protonokra a következőképpen alakítható:

Dij=−hγiγj8π2Szz<d−3(3cos⁡2θij−1)>+(Sxx−Syy)<d−3(cos⁡2θij−cos⁡θij)>D_{ij} = - \frac{h \gamma_i \gamma_j}{8 \pi^2} S_{zz} \left< d^{ -3} \left( 3 \cos^2 \theta_{ij} - 1 \right) \right> + \left( S_{xx} - S_{yy} \right) \left< d^{ -3} \left( \cos^2 \theta_{ij} - \cos \theta_{ij} \right) \right>

Ahol a zárójelek <> az átlagolást jelentik a vibrációs mozgásra.

A deuterium NMR spektroszkópiás mérések kiemelkedő szerepet játszanak a folyékony kristályok konformációs és szerkezeti tulajdonságainak, molekuláris dinamikájának és orientációs rendjének a tanulmányozásában. A deuterium NMR spektroszkópiát különösen hasznosnak találjuk, mivel a fő hozzájárulás a Hamilton-operátorhoz a quadrupólus kölcsönhatás, amelyet az alábbiakban fejezhetünk ki:

H=Hz+HQH = H_z + H_Q

A quadrupólus Hamilton-operátort az alábbiak szerint definiáljuk:

HQ=I⋅Q⋅I=eQ2I(2I−1)I⋅V⋅IH_Q = I \cdot Q \cdot I = \frac{eQ}{2I(2I-1)} I \cdot V \cdot I

Ahol eQeQ az elektromos quadrupólus momentum és VV a helyi mező gradiens tenzora, amely szimmetrikus és a C–D koordinátarendszerben átlós. A quadrupólus szétválás, Δν\Delta \nu, amelyet az orientált LC minta 2H NMR spektrumában mérnek egyetlen és izolált C–D kötés esetén, az alábbi képlettel adható meg:

Δν=3eQ2h[Vaa−Vbb]Sbb+(Scc−Saa)⋅Vcc\Delta \nu = \frac{3 eQ}{2h} \left[ V_{aa} - V_{bb} \right] S_{bb} + (S_{cc} - S_{aa}) \cdot V_{cc}

Itt Vaa−Vbb/VccV_{aa} - V_{bb} / V_{cc} az aszimmetrikus paraméter.

Az orientációs rend paramétere ezen képleten keresztül hatékonyan mérhető, azonban fontos megjegyezni, hogy az összefüggés a quadrupólus szétválás és az orientációs rend paraméterek között jóval bonyolultabb, mint azt elsőre gondolnánk.

Az orientációs rendet más módszerekkel is mérhetjük, mint például a Raman szórás vagy az ESR spektrumok analízise. A Raman szórás segítségével például a molekula polarizálhatóságának négyzetét mérhetjük, és ezek az adatok alapot adnak a rend paraméterek, például a S és D rend paraméterek meghatározásához. A Raman szórás során a minta egy meghatározott rezgési módjának polarizálhatósága fontos szerepet játszik, amely alapján a következő polarizálhatósági tenzort kapjuk:

α=∂α∂qi\alpha = \frac{\partial \alpha}{\partial q_i}

A szórás intenzitása arányos a Raman tenzor négyzetével, és ennek elemzésével megadható az orientációs eloszlás. A Raman szórás intenzitásának arányait a következő képlettel fejezhetjük ki:

R1=IYZIZZ,R2=IZYIYY,R3=IYXIXXR1 = \frac{I_{YZ}}{I_{ZZ}}, \quad R2 = \frac{I_{ZY}}{I_{YY}}, \quad R3 = \frac{I_{YX}}{I_{XX}}

Az intenzitások arányait a Raman tenzor négyzetének megfelelően transformálhatjuk a laboratóriumi koordinátarendszerbe, majd az orientációs eloszlás meghatározásához szükséges ⟨cos⁡2θ⟩\langle \cos^2 \theta \rangle és ⟨cos⁡4θ⟩\langle \cos^4 \theta \rangle értékeket használhatjuk.

Fontos azonban, hogy a folyékony kristályokban a rend paramétereinek pontos meghatározása nemcsak a quadrupólus szétválás vagy a polarizálhatóság mérésén alapul, hanem a kísérletek körülményeitől, például a minta hőmérsékletétől és koncentrációjától is függ. A legjobb eredmények eléréséhez a mérési körülményeket optimalizálni kell, különösen a hőmérsékletet és a lézer intenzitását.

Hogyan kezeljék a rendőrök az online zaklatásokat és a bűnözők felelősségét?
Miként függ össze a Bolzano-Weierstrass-tulajdonság a normák ekvivalenciájával és a teljes tér fogalmával?
Milyen tényezők vezethetnek a szélsőjobboldali terrorista radikalizációjához?
Mikor gyanakodjunk cellulitisre, és hogyan kezeljük helyesen?
Hogyan lehet tökéletes süteményeket készíteni egyszerű trükkökkel?
Kémia tanterv: Óraterv és tematikus útmutató a tanév során
Mit érdemes tudni az első osztályba való beiratkozás előtt?
A „Figyelem, gyerekek!” országos közlekedésbiztonsági kampány keretében tartott rendezvények beszámolója a MBOU Iskolában, Sztarokajpánovo településen és a Novokajpánovo, Bul-Kajpánovo és Mamatajevo falvak iskoláiban a 2016-2017-es tanévben
Technikai tantárgyak olimpiáira való felkészítő feladatok (gondozási munka) változat
A földrajz tantárgy munkaprogramjainak annotációi az 5–11. évfolyam számára