A fényre aktiválódó folyadékkristályos polimerek (LCP-k) és az azokból készült hálózatok az egyik legígéretesebb irányvonalat képviselik az intelligens anyagok kutatásában. Az ezekből készült anyagok kiemelkedő előnye, hogy a fény segítségével, amely egy környezetbarát, vezeték nélküli energiát képvisel, makroszkopikus méretüket képesek változtatni. Ez a folyamat tiszta és teljesen reverzibilis izomerizációval történik, így rendkívül ígéretesek különféle mesterséges izmokhoz hasonló alkalmazásokban. A fény, mint inger, lehetővé teszi, hogy ezeket az anyagokat precízen és kontrollált módon alakítsuk át, és mindezt távolról, anélkül, hogy közvetlen fizikai érintkezésre lenne szükség.

A folyadékkristályos polimerek, különösen azok, amelyek fényre érzékeny funkcionális csoportokat, mint az azobenzol vagy a szinámsav tartalmaznak, képesek arra, hogy meghatározott módon reagáljanak a különböző külső ingerekre, például fényre, hőre vagy elektromos mezőkre. Az ilyen anyagok két fő csoportba sorolhatók: az alakmemóriás polimerek (SMP-k) és az alakváltozó polimerek (SCP-k). Az SMP-k esetében a polimerek képesek visszanyerni eredeti alakjukat egy külső inger, például fény vagy hő hatására, míg az SCP-k folyamatosan változtatják alakjukat, amíg az ingert alkalmazzák, és az inger eltávolítása után visszatérnek eredeti formájukba.

A fényre érzékeny folyadékkristályos hálózatok (LCN-k) az izomerizáció révén képesek jelentős alakváltozásokat végrehajtani, amelyeket a fény irányának, polarizációjának és intenzitásának változtatásával lehet precízen szabályozni. A legelső fényre érzékeny polimert Eisenbach szintetizálta, amely ultraviola fény hatására körülbelül 0,2%-kal zsugorodott, majd látható fény hatására visszanyerte eredeti formáját. Ez az izomerizációs folyamat az azobenzol cisz-transz átalakulásával magyarázható. Finkelmann és munkatársai azt találták, hogy a fényre aktiválódó LCN-ek gyors és nagy mértékű alakváltozást képesek végrehajtani az áramlási irány mentén.

A fényre érzékeny alakmemóriás LCN-ek szintén egy izgalmas kutatási területet képviselnek. Az első áttörő kutatásokat Lendlein és munkatársai végezték, akik szinámsavval funkcionált polimereket szintetizáltak. Az általuk alkalmazott módszerben először mechanikai erővel nyújtották meg a polimereket, majd UV-fénnyel rögzítették a kinyújtott formát. Ez a módszer lehetővé teszi, hogy a polimerek visszanyerjék eredeti alakjukat, amikor UV fény hatására a hálózat keresztkötései újraaktiválódnak.

A fényre érzékeny folyadékkristályos filmek és gélek mechanikai viselkedésének tanulmányozása során érdekes megfigyeléseket tettek. Kondo és munkatársai például azt találták, hogy az azobenzol-tartalmú LCE-k (liquid crystal elastomers) UV-fény hatására képesek hajlítani a filmeket a fényforrás irányába, míg az irányított polarizált fény használata képes volt ezt az irányt megváltoztatni. Ezen kívül azt is megfigyelték, hogy a filmek hajlása az azobenzol-összetevők arányának csökkentésével fokozható.

A fényre érzékeny LCP hálózatok felületi dinamikája szintén jelentős kutatási területet képvisel. A felületek tulajdonságai, mint például a simaság vagy a durvaság, alapvetően befolyásolják a mechanikai és kémiai interakciókat. Liu és Broer munkáikban bemutatták, hogyan lehet a fény segítségével dinamikusan változtatni a felület topográfiáját, és hogyan lehet szabályozni a vízcseppek adhézióját egy olyan polimerek segítségével, amelyet mikroméretű nanostruktúrával kombináltak. Ezen kutatások célja, hogy megértsük, hogyan reagálnak a különböző fényingerekre a szabadon álló LCP filmek, és hogyan lehet ezeket a reakciókat optimalizálni a valós alkalmazásokban.

A fényre érzékeny polimerek területe rendkívül izgalmas, és egyre bővülő alkalmazási lehetőségeket kínál. A legújabb kutatások azzal foglalkoznak, hogy miként lehet a fény hatására előidézett deformációkat gyorsabban és pontosabban szabályozni, valamint hogyan lehet integrálni ezeket az anyagokat az új generációs technológiai rendszerekbe, például az orvosi eszközökben vagy a robotikai alkalmazásokban. Ahogy a kutatások előrehaladnak, úgy válik egyre világosabbá, hogy a fényre érzékeny anyagok nemcsak a tudományos világban, hanem a mindennapi életben is komoly szerepet játszhatnak.

Hogyan befolyásolják a polimerek a folyadékkristályos anyagok előferdülési szögét és jellemzésüket?

A pre-ferdülési szög generálásának módszere magában foglalja a polimerek (amidek) filmjeinek megfelelő dörzsölését. Ebben az esetben figyelembe kell venni az orientált nematikus folyadékkristályos (LC) anyag kémiai szerkezetét is. Az alkilágak hiánya alacsony pre-ferdülési szöget (~2°) eredményez, míg a polyimide filmek alacsony alkilág sűrűsége közepes elő-ferdülési szöget (~5°) eredményez. A magas alkilág sűrűségű filmek esetében a pre-ferdülési szög akár ~20°-ra is nőhet. Ennek oka nyilvánvaló: az alkilágok jelenléte fokozza a homeotrop orientáció iránti hajlamot, mivel azok a polyimide felületén hasonló módon hatnak, mint a felületaktív anyagok. Az orientált nematikus LC molekulák ferde elrendezése surfactantok alkalmazásával is elérhető.

A pre-ferdülési szög irreverzibilisen növekszik a hőmérséklet emelkedésével, mivel a polimerek oldalláncainak hajlékonysága nő. Ez a hatás erőteljesebben mutatkozik meg magasabb dielektromos állandójú LC anyagok esetén. Az LC molekulák elő-ferdülési szögének magas értékét (~200°) SiO2 ferde párolgási technikával is elérhetjük. Jelenleg a gyakorlati dörzsölési módszerek által kiváltott elforgatási szög mindössze néhány fok. Ezért olyan technika szükséges, amely nagyobb elforgatási szögeket indukál. A monodomainok és a homogén, valamint a vertikális elrendezésű polyimide anyagok keverésének ötlete, amely magas pre-ferdülési szögeket eredményez, szintén kifejlesztésre került.

Alacsony és magas LC elő-ferdülési szögek szintén elérhetők fény-alignment technikával, különösen nem-polarizált, ferde beesésű fény segítségével. Az ilyen technikák fontosak, mivel lehetőséget adnak az LC molekulák optimális beállítására anélkül, hogy bonyolult mechanikai dörzsölést kellene alkalmazni. A fény-alignment módszerek széles körű alkalmazása lehetővé teszi a különböző LC anyagok számára a kívánt orientáció elérését anélkül, hogy komolyabb technológiai igényeknek kellene megfelelniük.

Az LC anyagok jellemzésének legfontosabb része a megfelelő tulajdonságok mérésének ismerete, amelyeket rendkívül pontosan kell meghatározni a megfelelő alkalmazások kiválasztásához. Ehhez különböző méréseket alkalmaznak, például dielektromos, elektro-optikai és textúra vizsgálatokat. A megfelelő eszközök közé tartoznak a következők: tiszta levegős munkafolyamat (lamináris áramlású egység), forgó bevonógép, polírozó gép, elektromos sütő, forró színpad, polarizáló optikai mikroszkóp, automatikus folyadékkristály teszter, impedancia analizátorok és sok más mérőeszköz.

Az LC anyagok azonosítása során a legelterjedtebb technika a polarizáló optikai mikroszkópia (POM), amely lehetővé teszi, hogy a különböző LC fázisok sajátos optikai textúráikat mutassák. Az LC fázisok azonosítása POM segítségével gyakran nehézkes lehet, mivel tapasztalatot és szakértelmet igényel. A POM mellett a differenciál-észlelési kalorimetria (DSC) is alkalmazásra kerül, amely a fázisátmenetekhez kapcsolódó entalpia-változásokat méri. Noha a DSC nem képes meghatározni az LC típusokat, a fázisátmenet mértéke mégis információt ad arról, hogy az egyes fázisok mennyire rendezettek molekulárisan.

A legpontosabb azonosítási módszer az X-ray analízis, amely feltérképezi a molekulák elhelyezkedését a fázisban, így meghatározza a fázis szerkezetét és osztályozását. Ehhez az orientált minták szükségesek, hogy maximális információt nyújtsanak. A miscibilitási vizsgálat is hasznos lehet az LC anyagok azonosításában, mivel lehetőséget ad arra, hogy egy ismeretlen mesofázist egy ismert anyaggal keverjünk össze. Ha az ismeretlen anyag mesofázisa tökéletesen keveredik az ismert anyag mesofázisával, akkor azok hasonló szimmetriájúak.

A hőmérsékleti vizsgálatok során a legfontosabb feladat a fázisátmeneti hőmérséklet meghatározása, amely az egyik mesofázis átmenetét jelzi a másikba. Ez a hőmérsékleti átmenet általában egy bizonyos tartományban mozog, nem pedig egy éles értéken. A fázisátmenetek hőmérsékletének pontos meghatározásához különböző technikák állnak rendelkezésre. Az egyik legfontosabb a textúra megfigyelése, amely lehetővé teszi a fázisváltozások megfigyelését a hőmérséklet függvényében. Az isotróp fázisban a polarizáló mikroszkóp alatt az optikai átvitel nulla, függetlenül a minta orientációjától. Ahogy a hőmérséklet csökken, megjelennek a különböző LC fázisok optikai jellemzői, és a fázisátmeneti hőmérsékletek azonosíthatók.

A differenciál-észlelési kalorimetria (DSC) szintén hatékony eszköz a fázisátmenetek vizsgálatára. A DSC segítségével megfigyelhetjük a fázisátmenetek során bekövetkező entalpia-változásokat, amelyek segítenek az egyes fázisok típusainak meghatározásában.

Az LC anyagok vizsgálatakor a fázisátmenetek és azok hőmérsékleti jellemzői kulcsfontosságúak ahhoz, hogy megértsük, hogyan reagálnak az anyagok a különböző környezeti tényezőkre, és hogyan használhatók különböző alkalmazásokban, például kijelzőkben, optikai eszközökben és egyéb technológiai alkalmazásokban.

Hogyan válhatunk a Java fejlesztés mestereivé?
Miként lehet megörökíteni egy város szépségét a szavak segítségével?
Hogyan formálják a politikai beszédek a cselekvésre való felszólítást a társadalmi kontextusban?
Hogyan valósítható meg a Microsoft Dynamics 365 Business Central különböző iparágakban?
Hogyan befolyásolja a tényleges légáramlás az ACC ventilátorok hatékonyságát és teljesítményét a valós körülmények között?
Hogyan alakítják a kulturális normák a morális határokat és társadalmi igazságosságot?
V. A. Zsukovszkij: A kozákok táborának énekese — Platov és a partizánok
A hazafias nevelés fő irányainak és formáinak fejlesztése az oktatási intézményekben
A „Pedagógiai Nappali Szoba” foglalkozásai: A pedagógus közösségek „Tanuljunk együtt” című programját a Makaryev-i 2. számú középiskola „Alacsony akadémiai teljesítménnyel rendelkező gyermekek támogatásának rendszere 2017-2018” projekt keretében dolgozták ki.
A kozák mondások és bölcsességek
HARMADIK RÉSZ TÉMA9. Heterogén egyensúlyok