A nematikus folyadékkristályok fázis rendeződésének kinetikai problémája az egyik legbonyolultabb és még mindig kevéssé feltárt terület a lágy kondenzált anyagok és statisztikai fizika világában. A nematikus folyadékkristályok rendkívül érzékenyek a külső körülmények változásaira, és azok viselkedése a fázis átmeneteken, a nukleációs és a későbbi növekedési szakaszokon keresztül mutatkozik meg. A kutatás célja, hogy jobban megértsük ezeket a dinamikai folyamatokat, és hogyan lehet szimulálni őket különböző határfeltételek és interakciós modellek mellett.

A nematikus folyadékkristályokban a fázis rendeződés dinamikája akkor kezdődik el, amikor a rendszert egyensúlyi, rendezetlen (magas hőmérsékletű) fázisból gyorsan alacsonyabb hőmérsékletre „quench-elik”. Ekkor a rendszert nem találjuk egyensúlyban: a hőmérsékletcsökkentés hatására a rendszerben spontán szimmetria törések jelennek meg, amelyek fokozatosan vezetnek a végső rendezett állapothoz. Az ilyen rendszereket „távol az egyensúlytól” álló rendszereknek nevezhetjük, és ezek evolúciója erősen nemlineáris dinamikai egyenletekkel és tér-idő mintázatokkal jellemezhető.

A nematikus rendszerekben a legkorábbi szakaszok rendkívül gyorsak, és a rendszer különböző nanométeres tartományokból áll. Ezt követően a tartományok mobilitása megnövekszik, a tartományok összeolvadása és növekedése válik a legfontosabb mechanizmussá. A későbbi fázisokban, amikor a tartományok sokkal nagyobbak, mint a mikroszkopikus méretek, a kritikus jelenségekhez hasonló skálázódó viselkedés figyelhető meg. A tartományok idővel növekednek, és egy olyan időfüggő hosszúságskálát alkotnak, amely L(t)-vel van kifejezve, ahol t az idő, ami a gyors hőmérsékletcsökkentés óta eltelt.

A tartományok növekedési törvénye általában valamilyen hatványkörű formát követ, L(t) ~ tn, ahol n egy univerzális kitevő. A rendszerek szimmetriája és az interakciók hatása az evolúció végső állapotára kulcsfontosságú tényezők, amelyek meghatározzák, hogyan fejlődnek a tartományok az idő előrehaladtával. A rendszerek növekedését segítik az egyes tartományok közötti hibák és határfelületek, amelyek lehetőséget adnak az analitikus eszközök alkalmazására és a mintázatok dinamikájának megértésére.

Egyes kutatók, mint Chiccoli et al. (159), a dinamikai jelenségeket, például a molekulák hosszú tengelyének ingadozásait és a transzlációs diffúziót is figyelembe vették a 2H NMR spektrumok értékelésekor, amelyek kulcsszerepet játszanak a nematikus folyadékkristályos cseppek orientációs molekuláris rendjének és dinamikájának tanulmányozásában. A spektrumok szűküléséből az rend paraméterének értéke származtatható, amely kitűnően egyezik a szimulált értékkel.

A fázis rendeződés dinamikájának számítógépes szimulációja különösen fontos, mivel lehetővé teszi, hogy a nematikus folyadékkristályok rendezetlen állapotból a rendezett állapotba történő evolúcióját, és az egyes dinamikai szakaszokat, például a nukleációs fázist, a szpinodális dekompozíciót, valamint a későbbi növekedési és koarszkodási fázist modellezzük. Ezen szimulációk során a legfontosabb kérdések közé tartozik, hogy miként alakulnak a tartományok az idő előrehaladtával, hogyan befolyásolják a különböző interakciók a tartományok morfológiáját, és hogy hogyan változnak az order paraméter korrelációs függvényei, szerkezeti tényezői és más statisztikai jellemzői az idő függvényében.

A nematikus folyadékkristályok fázis rendeződésének kinetikai jellemzőit a különböző határfeltételek és szimulációs modellek alkalmazásával lehet a legjobban megérteni. A különböző szimulációs technikák, mint a Metropolis algoritmus vagy a véletlenszerű keverési algoritmusok, mind hozzájárulnak ahhoz, hogy a rendszer mikroszkopikus dinamikáját megfigyelhessük és elemezhessük. Az ilyen típusú kutatások alapvetően hozzájárulnak a nematikus folyadékkristályok viselkedésének jobb megértéséhez, különösen azokban az alkalmazásokban, ahol a rendszerek fázisainak kinetikai rendeződése kulcsfontosságú, például optikai eszközök vagy kijelzők esetében.

A fázis rendeződés dinamikájának megértése nemcsak elméleti szempontból fontos, hanem a gyakorlati alkalmazások számára is. A különböző rendszerek közötti interakciók, a fázisátmenetek időbeli és térbeli változásai kulcsszerepet játszanak abban, hogy pontosan hogyan tudjuk szabályozni és alkalmazni a nematikus folyadékkristályokat különböző ipari és tudományos területeken. A kutatások tehát nemcsak a rendszerek elméleti modellezésére összpontosítanak, hanem annak megértésére is, hogy milyen tényezők befolyásolják a tartományok fejlődését és végső állapotát.

Milyen hatásai vannak a nanorészecskék és kvantumpontok diszpergálásának a ferroelectromos folyadékkristályos rendszerekre?

A szilícium alapú nanorészecskék (NP-k) koncentrációja és azok diszpergálása ferroelectromos folyadékkristályos (FLC) rendszerekben jelentős hatással van azok optikai és dielektromos tulajdonságaira. A γR és optikai kontraszt növekedését figyelték meg a szilícium-dioxid koncentrációjának növekedésével. 0,1 tömeg% nanorészecske koncentrációval alacsonyabb küszöb és működési feszültség, jobb optikai kontraszt és alacsonyabb dőlésszög mutatkozott. A Raina-csoport is kutatta a Si NP-k-FLC KCFLC 10R kompozit dielektromos tulajdonságait és memóriahatását, melyekben 0,01, 0,02 és 0,03 tömeg% NP volt. Az eredmények azt mutatták, hogy a dielektromos permittivitás csökkent, mivel a magasabb koncentrációjú szilícium-dioxid erősebb kötődési erőket hozott létre a FLC molekulák és az NP-k között. Az alacsony frekvenciájú Goldstone-mód ~250 Hz-en megfigyelhető volt, és a hőmérséklet növelésével, a szobahőmérsékletről a Sm C* átmeneti hőmérsékletre, a relaxációs frekvencia növekedett. A dielektromos permittivitás a bias feszültségtől is függött, ami memóriahatás kialakulását jelezte.

Az FLC KCFLC 7S anyagokban különböző nanorészecskék, például Al NP-k, szelén-dokozán (SD) burkolt Pd NP-k, CdS NP-k, SiO2 NP-k, ZrO2 NP-k és CeO2 NP-k kerültek diszpergálásra. Ezen rendszerek esetében megfigyelték, hogy a nanorészecskék koncentrációja, a hőmérséklet növekedése és a bias feszültség alkalmazása hasonló módon befolyásolja a material paraméterek viselkedését: a PS, γR, ε′ és a kapcsolási idő csökkentek, míg a dőlésszög nőtt. Az ε′ bias feszültségfüggése memóriahatást jelzett. A fotolumineszcencia intenzitása növekedett és csökkent, a spektrális energiaelmozdulás nagy volt. Az NP-FLC kompozitokban a nem kívánt ionikus hatásokat sikerült elnyomni, amit a nanorészecskék felületén lévő ionos szennyeződések erős abszorpciójával magyaráztak.

A kvantumpontok (QD-k) diszpergálása az FLC rendszerekben szintén jelentős hatással van azok elektromos-optikai tulajdonságaira. A kadmium alapú QD-k széles körben alkalmazottak az FLC anyagokban, hogy azok tulajdonságait módosítsák és a kompozit rendszereket megfelelővé tegyék különböző alkalmazásokhoz. A CdTe QD-k FLC-kben való diszpergálása révén a QD koncentrációjától és az FLC anyagtól függően figyelhető meg a memóriahatás. A memóriahatás a QD-k által tárolt töltés felhalmozódásával magyarázható, amely akkor is fennáll, amikor DC bias feszültséget alkalmaznak a mintára. A kísérletek azt mutatták, hogy alacsony koncentrációjú CdTe QD-k (1–3 tömeg%) jelenlétében a PS és γR értékek növekedtek, de a magasabb koncentráció (> 5 tömeg%) csökkentette a FLC molekulák orientációját. A QD diszpergálása viszont sok esetben homogén irányultságot indukált a molekulákban, míg az iránytalan orientációk és lassabb válaszreakciók a nagyobb koncentrációjú QD-k jelenlétében jelentkeztek.

A szelén-kadmium (CdSe) alapú QD-k diszpergálása is hasonló hatásokat váltott ki, mivel a QD-k jelenléte megváltoztatta a FLC molekulák dőlésszögét és a rendszer reakciósebességét. A sebességcsökkenés és a fotolumineszcencia intenzitásának csökkenése a QD-k által kiváltott ionos kontaminációt is jelezte. A különböző QD alapú FLC kompozitok optikai mikroszkópos képein a FLC molekulák kis aggregációval rendelkező, de mégis homogén orientációja figyelhető meg, ami jelentősen befolyásolja az elektrohoptikai tulajdonságokat és a kompozit átmeneti hőmérsékletét. Az elektronikus és optikai tulajdonságok változása, mint a PS csökkenés és a tilt szög lassulása, a QD-k és az FLC molekulák kölcsönhatásának közvetlen következménye.

A különböző diszpergált anyagok, mint a nanorészecskék és kvantumpontok, alkalmazása az FLC rendszerekben számos előnyt jelenthet, de ugyanakkor kihívásokkal is jár. A különféle anyagok megfelelő koncentrációja és a diszpergálás módja kulcsfontosságú a kívánt tulajdonságok elérésében. Bár a nanométeres méretű részecskék általában javítják a rendszer teljesítményét, túl nagy koncentrációban vagy nem megfelelő eloszlás esetén a molekuláris orientációs hibák, valamint a lassú reakciók és nem kívánt ionikus hatások jelentős problémát okozhatnak.

Az ilyen típusú rendszerek alkalmazásában figyelembe kell venni az interakciók természetét és az anyagok közötti szoros kapcsolatokat. Fontos, hogy a diszpergált nanorészecskék és kvantumpontok ne csak az optikai és dielektromos tulajdonságokat befolyásolják, hanem hozzájáruljanak a stabilitásukhoz is. Mindezek mellett az ilyen kompozit rendszerek további fejlesztéséhez elengedhetetlen a kísérleti paraméterek optimalizálása és az anyagok közötti kölcsönhatások részletes vizsgálata.

Hogyan jönnek létre a termotropikus biológiai folyadékkristályok (TBLC-k)?

A termotropikus biológiai folyadékkristályok (TBLC-k) azokat a molekulákat jelentik, amelyek képesek rendkívül rendezett struktúrákat képezni különböző hőmérsékleteken, a hőmérséklet változásával. Ezek a kristályok különböznek a lyotropikus (vagy oldatban lévő) biológiai folyadékkristályoktól, mivel a TBLC-k alapvetően nem oldószerben, hanem az anyagok saját hőmérsékleti és kémiai tulajdonságaik révén jönnek létre. A TBLC-k nagy jelentőséggel bírnak az alkalmazásokat illetően, különösen a kalamitikus és lemezes molekulák esetében, amelyek a legfontosabb szereplői a technológiai fejlődésnek.

A különböző biomolekulák és bio-inspirált molekulák, mint például a fúziós fehérjék, nukleinsavak, vírusok és polipeptidek, különböző módokon képesek TBLC-ket képezni. Liu et al. (2011) egy egyszerű módszert javasoltak, melynek során a negatív töltésű biomolekulák és bio-inspirált molekulák rigidebb részekként működnek, míg a kationos felületaktív anyagok a rugalmas egységeket képviselik. Az elektrosztatikus kölcsönhatások révén ezek az összetevők hibrid szerkezetekké rendeződnek, amelyek a TBLC fázisokat eredményezik. A megfelelő fázisokat gyakran a hőmérsékletváltozások vagy a molekulák térbeli elrendeződése okozza, és ezek az elrendeződések fontos szerepet játszanak az anyagok szerkezeti stabilitásában.

A lamelláris, smektikus vagy oszciláló smektikus fázisok kialakulása jól látható példákra épül, ahol a biomolekulák egy szubréteget alkotnak, míg a felületaktív anyagok interdigitált réteget alkotnak a két molekula között. Az elektrosztatikus interakciók olyan típusú rendeződést eredményeznek, amely az összes komponens tökéletes kölcsönhatásának eredményeként valósul meg. A ssDNS és ssRNS foszfátcsoportjai, az ELP (szuperkémiai elasztin-szerű polipeptidek) glutamát-maradékai, valamint a pVIII fehérjék N-terminális glutamát- és aszparaginsav-maradékai mind ilyen módon képesek reagálni a kationos fejcsoportra, ami kulcsfontosságú a TBLC-k kialakulásában.

Az egyes biomolekulák és felületaktív anyagok kölcsönhatása mellett figyelembe kell venni a keverési arányokat és a hőmérsékleti viszonyokat is, mivel ezek döntően befolyásolják a képződő fázisokat. A PBLG (polibenzilglutamát) például különböző hőmérsékleten más-más szerkezeti elrendeződéseket eredményezhet. A PBLG esetében jobb- és balkezes cholesterikus fázisok, valamint nematikus fázisok alakulhatnak ki, amelyek szoros kapcsolatban állnak a hőmérsékletváltozásokkal és az oldószerek jelenlétével.

A nucleinsavak és polipeptidek alapú TBLC-k viselkedésének vizsgálata számos izgalmas eredményt hozott, különösen a polimerekkel történő komplexálás hatásait tekintve. Az oligonukleotidok és kationos felületaktív anyagok, mint a DOAB (dimetildioctil-ammonium-bromid), képesek olyan rendezettségi szinteket előidézni, amelyek széles körű alkalmazásokat eredményezhetnek a biotechnológia és anyagtudomány területén.

Az X-ray szórás és a mikroszkópos vizsgálatok, például a poláros optikai mikroszkópiás és a hagyományos elektronmikroszkópos (TEM) technikák lehetővé tették a rétegzett struktúrák részletes tanulmányozását. A DNS-DOAB komplexekben például jól láthatóak a smektikus rétegek, amelyek hosszú távú rendezett szerkezeteket alkotnak. Ezenkívül a görbült és modulált smektikus fázisok is megfigyelhetők, amelyek további információt nyújtanak a biomolekulák és a felületaktív anyagok közötti kölcsönhatásról.

A TBLC-k ezen komplex összetevői nemcsak a molekulák közötti kölcsönhatások, hanem azok térbeli elrendeződése és a molekulák hosszú távú stabilitásának kulcsfontosságú elemei is. A különböző biomolekulák és felületaktív anyagok közötti kölcsönhatások megfelelő optimalizálása tehát létfontosságú a TBLC-k sikeres előállítása és alkalmazása érdekében.

A biológiai eredetű molekulák, mint a DNS, a polipeptidek és a vírusok felhasználása a termotropikus folyadékkristályok előállításában új lehetőségeket nyújt a nanotechnológiai alkalmazások számára. Ezen biomolekulák különleges fizikai és kémiai tulajdonságai lehetővé teszik a rendkívül specifikus és sokoldalú funkcionális anyagok előállítását, amelyek széles körű technológiai alkalmazásokban hasznosíthatók.

A PS-BPLC alapú szabályozható 3D fotonikus kristály eszközök fejlődése és elektro-optikai hatások

Az elektro-optikai hatások (EOE) a kristályoptikában olyan jelenségeket jelentenek, amelyek során az alkalmazott elektromos tér hatására megváltozik a törésmutató. Az ilyen hatások két fő összetevőből állnak. Az egyik a tisztán elektro-optikai komponens, amely az alapvető hatás, míg a másik a másodlagos vagy fotoelasztikus hatás, amely a kristály szimmetriájának változásából ered. Bár a BP-k (Birefringens Photonic Crystals) kristályszerkezete sokkal nagyobb, mint a tipikus atomokból felépülő kristályoké, nem jelentenek kivételt, és elméleti eredmények alapján mindkét hatás jelen van bennük. A kísérleti kutatások azonban nem mindig tesznek különbséget a két elektro-optikai hatás között. Néhány esetben viszont mindkét hatást külön mértek. Ebben a szakaszban csak néhány kísérleti eredményt mutatunk be.

A chiral folyadékkristályok (CLC) elektro-optikai tulajdonságait több hőmérsékleten vizsgálták, különösen a BP-k stabilitásának tartományában. A 36 wt%-os R811 chiral adalékot tartalmazó NLC CHCA keverékben végzett vizsgálatok során megfigyelték, hogy az alkalmazott feszültség növekedésével a Bragg visszaverődés csúcsának hullámhossza (λmax) eltolódik, és a kezdeti állapothoz visszatérve ciklikusan változik. Ezen kívül, amikor a feszültséget 80 V-ra növelték, kékeltolódás figyelhető meg, amely a BP II fázisban jelentkező elektro-optikai jelenség. A magasabb feszültségnél (90 V) pedig a szelektív visszaverődés gyengülését és végül eltűnését tapasztalták.

A BP fázisok elektro-optikai hatásait további vegyületek alkalmazásával is fokozhatjuk. Például, ha más nematikus folyadékkristályokat használnak, vagy ha nem mesogén adalékokat adnak a CHCA-hoz, növelhető a dielektromos anizotrópia értéke, ami erősebb elektro-optikai választ adhat.

Egy másik kísérletben különböző chiral adalékokkal kevert LC keverékekben mértek elektro-optikai választ. A Kerr-állandó függése az LC keverékek chiral pitchen történő változásától a következő eredményeket hozta: a Kerr-állandó a chiral pitch harmadik hatványával arányos, miközben elméletileg négyzetes függést várnánk.

Az BPIII fázis EO tulajdonságai előnyösek a köbös BP-khez képest, például hiszterézis-mentes jellemzők, alacsonyabb küszöb- és telítettségi feszültségek, és magasabb stabilitás az elektromos tér ellenállással szemben. Az ilyen eszközök a jövőbeli alkalmazásokban, mint például a kijelzők vagy fotonikus eszközök, kulcsszerepet játszhatnak.

A PS-BPLCs elektro-optikai viselkedését már széleskörűen tanulmányozták a nagy sebességű kapcsolási idő és a szobahőmérsékleten megfigyelt válaszidők alapján. A Kikuchi et al. kísérletei során, amelyek egy polimerek és nematikus keverékekből készült PS-BP rendszert vizsgáltak, az alkalmazott elektromos tér hatására az incidens fény polarizációjának irányváltozása figyelhető meg, amely a köbös rács torzulásához vezetett. Az ilyen típusú rendszerek a különböző komponensek (nematikus gazda, chiral adalék és polimernet) együttese révén különleges stabilitást és kiemelkedő elektro-optikai tulajdonságokat mutatnak.

Fontos, hogy a PS-BPLC rendszerek alkalmazásában a polimernet stabilitása és az elektro-optikai válasz időszerűsége az egyik legfontosabb tényező, mivel a rendszerek megfelelő viselkedése a hőmérséklet és az adalék koncentrációk függvényében erősen változhat. Ezenkívül az alacsony hőmérsékleti stabilitás és a válaszidők minimalizálása további kutatásokat igényel, hogy ezek a rendszerek szélesebb körben alkalmazhatóak legyenek.

Hogyan válhatsz Super Ageré? A tudomány és a gyakorlat egyesítése a hosszú, egészséges életért
Miért fontos az önszeretet és hogyan segíthet a személyes fejlődésben?
Mi történik, ha a tudomány elveszíti az igazságot?
Hogyan csökkenhet a hatalom a politikai, gazdasági és társadalmi piacokon?