A különböző irányultságú dipólusokkal rendelkező antiferroelektromos folyadékkristályok felfedezése komoly érdeklődést váltott ki a folyadékkristályos anyagok kutatásában. Az elsőként felfedezett ferroelektromos Sm C* fázis például alapot biztosított olyan újabb anyagok vizsgálatához, amelyek hasonlóan komplex szerkezettel rendelkeznek. A három legismertebb vegyület, mint például a MHPOBC, MHTAC és a második generációs anyagok, mint a Goodby és Chin által szintetizált új vegyületek, az antiferroelektromos viselkedést és fázisokat mutattak.

A MHPOBC vegyület esetében például a fázisok közötti váltások, mint a háromállapotú kapcsolás (tristable switching) és a dupla hiszterézis, a klasszikus ferroelektromos fázisokhoz képest egy új, különleges viselkedést jeleztek, amely az antiferroelektromos rendszerek sajátos tulajdonsága. Az antiferroelektromos folyadékkristályok (AFLC) fázisai rendszerint egy vagy több szubfázist tartalmaznak, amelyek a hagyományos ferroelektromos Sm C* fázis alatt helyezkednek el.

Az egyik alapvető megfigyelés az volt, hogy a folyadékkristályos rendszerek szomszédos rétegeiben az elektronszerkezetek 180 fokos elforgásokat végeznek, szemben a ferroelektromos fázisok szinklinikus rétegelrendezésével. Az antiferroelektromos struktúrákban a molekulák szögeltolódása ellentétes irányban történik az egyes rétegek között, ami alapvetően eltérő tulajdonságokat ad a rendszernek. Ennek eredményeként ezek a rendszerek képesek különböző elektromos tulajdonságokkal, például szimmetrikus fényerősség-változásokkal (bright-dim) működni, ha elektromos mezőt alkalmazunk rajtuk.

A másik kiemelkedő jellemző az, hogy az antiferroelektromos fázisok, mint az AFEC, képesek a hiszterézis-jelenségekhez hasonlóan több szimmetrikus állapotot is felvenni, miközben különböző irányú polarizációval rendelkeznek. Az ilyen fázisok megértése kulcsfontosságú az elektrokémiai és optikai alkalmazások terén, mivel ezek az anyagok különösen alkalmasak különböző kijelző- és fényérzékelő rendszerekhez, ahol a jelenségek gyors váltakozására van szükség.

Az antiferroelektromos folyadékkristályok egy másik különleges jellemzője, hogy a két komponens keverésével gazdagabb fázisképek és al-fázisok alakulnak ki, ami növeli a különböző mikroszkópos megfigyelések és a szabadalmi fejlesztések lehetőségeit. A hőmérséklet és az elektromos tér hatására végbemenő fázisváltozások, amelyek a Sm A, Sm C* és AF fázisok közötti átmeneteket tartalmazzák, fontos szerepet játszanak a további fejlesztésekben és az ipari alkalmazásokban.

A molekulák szerkezete is kulcsszerepet játszik a különböző fázisok megjelenésében. A vegyületekben általában három aromás vagy heterociklusos gyűrűből álló központi szerkezet található, amelyhez chiral csoportok kapcsolódnak. Ezen csoportok elhelyezkedése és a szimmetria mellett a molekulák hosszú oldalú láncai is hozzájárulnak az antiferroelektromos tulajdonságok megjelenéséhez. A molekulák közötti kölcsönhatások és a különböző fázisok stabilitása szoros összefüggésben állnak a kémiai szerkezettel.

Fontos figyelembe venni, hogy az ilyen típusú anyagok viselkedése és tulajdonságai nemcsak a hőmérsékleti változások, hanem az alkalmazott elektromos mezők, valamint a keveredett rendszerek esetében is alapvetően különböznek. A fázisdiagramok segítségével jól nyomon követhetőek az anyagok viselkedése, és ezek az adatok rendkívül fontosak a további kutatások és a gyakorlati alkalmazások szempontjából.

Hogyan alakulnak ki a micellák és mi befolyásolja azok szerkezetét?

A felületaktív anyagok, amelyek amphifil jellemzőkkel rendelkeznek, különböző aggregátumokat képesek kialakítani, mint például prolate ellipsoidális micellák, szferikus direkt micellák, szferikus inverz micellák, lamelláris és hullámszerű struktúrák. A micellák tipikus mérete körülbelül 9 mm. Az alacsony koncentrációjú felületaktív anyagok vizes oldatában (vagy oldószerben) a micellák monomerek formájában léteznek, és az ionos amphifil molekulák diszociálnak. Amikor a felületaktív anyag koncentrációja nő, micellák aggregálódnak, és egy jól meghatározott kritikus micella koncentrációnál (CMC) jelennek meg. Mivel a micellák kialakulása csak nagyon szűk koncentrációs tartományban történik, a gyakorlatban a CMC értéke egy konkrét számként ábrázolható. A CMC alatt az oldott felületaktív anyagok monomerként vannak jelen, míg felette micellák keletkeznek. Körülbelül 15-20 monomer aggregálódik micellává, de ez a szám akár 10^4 vagy több is lehet. Az aggregálódó monomerek száma függ a felületaktív anyag típusától, koncentrációjától, az aggregátum alakjától és a hőmérséklettől.

Kronberg és munkatársai számos tanulmányban foglalkoztak a micellák kialakulásának hidrofób hatásával. Ők két tényezőt azonosítottak a hidrofób hatás eredetében: az egyik a vízmolekulák rendezettsége, amelyek a szolvatált molekulák körül rendeződnek, a másik pedig az az energia, amely a vízben olyan üreget hoz létre, amely elegendő ahhoz, hogy befogadja a nem poláris oldószert. Az első tényező a negatív entrópiával és negatív entalpiával jár, míg a második hatás az a nagy energia, amely az üreg létrehozásához szükséges. Ez a mechanizmus arra a következtetésre vezet, hogy a hidrofób hatás nagysága arányos a víz és az oldószer közötti hidrofób érintkezési felülettel. Ennek következtében a CMC és az alkil lánc hossza között logaritmikus kapcsolat alakul ki, amelyet egy egyszerű egyenlettel fejezhetünk ki, ahol n az alkil lánc hossza, A és B pedig konstansok. Ezzel a megközelítéssel a CMC közelítő értéke meghatározható bármely új felületaktív anyagra.

A micellák képződéséhez szükséges, hogy a felületaktív anyag oldhatósága elérje vagy meghaladja a CMC értékét. A monomerek oldhatóságának határa akkor következik be, amikor a monomer kémiai potenciálja egyenlő a tiszta felületaktív anyaggal, amely általában kristályos formában van jelen. A Kraft pont felett az oldhatóság gyors növekedése figyelhető meg, mivel a felületaktív anyag micellák formájában oldódik fel. A CMC érték az egyik legfontosabb paraméter minden felületaktív anyag esetében. E koncentráció alatt a monomer koncentrációja nő, ahogy egyre több oldódik, és ennek következményeként a felületi kémiai potenciál is emelkedik. Ezzel szemben a CMC fölött a monomer koncentrációja és a felületi kémiai potenciál állandósul, így a felületaktív anyagok abszorpciója az interfészeken és az interfacialis feszültségek csak kis változásokat mutatnak a legtöbb körülmény között.

A folyadékkristályos közösség számára a CMC az a koncentráció, amely felett a felületaktív anyagok oldható mesofázisai (amelyek a micellák építőelemei) láthatóvá válnak. Részben oldódó felületaktív anyagok esetén a CMC az a koncentráció, amely felett a folyadékkristályos diszperzió vízben kialakul. A CMC értékei azonban jól megfigyelt szabályok szerint változnak az alkil lánc hosszának függvényében lineáris és mono-alkil felületaktív anyagok esetén. Továbbá léteznek CMC táblázatok is, amelyek segítenek a pontos értékek meghatározásában. A táblázatok alapján mindig becsülhető a CMC egy branched alkil láncú vagy di- (vagy több) alkil felületaktív anyagok esetében is. Vegyes felületaktív anyagok esetén a kevert micellák CMC értéke az egyes felületaktív anyagok CMC értékeitől és koncentrációiktól függ.

A micellák alakja az egyik legfontosabb tényező a micellák jelenlétének meghatározásában oldatban a CMC fölött. A micellák három fő formában jelenhetnek meg: gömbök, rudak és tányérok. A csomagolási korlátozások koncepciói alapján a formák leírhatók. Egy egyszerű kapcsolatot lehet kifejteni a molekulák formája és a micellák alakja között. A három fő forma közül a szferikus micella esetében a molekula hidrofób része a micella belsejében helyezkedik el, míg a hidrofób alkil láncok az oldat felé mutatnak. A legnagyobb molekula által elfoglalt terület határozza meg, hogy melyik forma fog dominálni. A legkisebb lehetséges aggregátum kialakulását a CMC-nél (szférák a rudak felett, rudak a szférák felett) az entrópia segíti elő.

A micellák alakja tehát kulcsfontosságú szerepet játszik az aggregáció folyamatában. Az alábbiakban említett különböző folyadékkristályos fázisok, mint például a lamelláris fázis (Lα), hexagonális fázisok (H1 és H2), kubikus fázisok, és különböző gélszerkezetek mind olyan rendszerek, amelyekben a micellák és más aggregátumok szerepe elengedhetetlen. Az ilyen rendszerek alkalmazása széleskörű, a gyógyszerhordozó rendszerek fejlesztésétől kezdve a különböző vegyipari alkalmazásokig.

Miért alakulnak ki visszavonható chiral nematikus és smektikus fázisok?

A chiral nematikus fázisok és a különböző chiral keverékek tanulmányozása számos érdekes és hasznos jelenséghez vezetett, amelyek a molekulák és azok térbeli elrendeződéseinek bonyolultságát tükrözik. Tinh et al. [9] tiszta optikai aktivitású p-cianobifenil származékot készítettek, amelyet az optikailag aktív benzil-klorid és a 4-hidroxi-4′-cianobifenil reakciójával állítottak elő. A hőmérséklet-függő fázisátmeneti pontokat differenciál szkennelő kalorimetria (DSC) és polarizáló mikroszkóp segítségével határozták meg. A fázisátmenetek vizsgálata a következő fázissorrendet mutatta a hűtési ciklusban: IL 231 °C N* 178 Sm A 99 74 Cr. A kutatás során megfigyelték, hogy a chiral anyag teljesen keverhető az achirális komponens NR fázisával, amely újabb lehetőségeket kínál a keverékek tulajdonságainak módosítására.

Vaz et al. [10] a 6OCB és 8OCB keverékéhez különböző koncentrációjú chiral CE2 anyagot adtak hozzá, és a fázisátmeneteket a 6OCB és CE2 koncentrációjának függvényében vizsgálták. A chiral CE2 hozzáadása célja a nematikus fázis csavarása volt, hogy elérjék az N* fázist. A hűtési ciklusban a következő fázissorrend figyelhető meg: IL-N*-Sm A- -Cr. Érdekes módon a CE2 koncentrációjának növelésével az N*-Sm A fázisátmenet hőmérséklete nőtt, míg a Sm A- fázis hőmérséklete csökkent. Ezenkívül a CE2 koncentrációjának növekedésével a tisztulási pont emelkedett, míg a kristályosodási hőmérséklet csökkent.

A Govindaiah és Sreepad [23] által végzett kutatás során a koleszteril nonanoát (5-65 wt% koncentrációval) és p-metoxibenzilidén-p-etil-anilin (MBEA) bináris keverékeinek hőmérsékleti és optikai tulajdonságait vizsgálták. Különböző CN koncentrációk esetén (25 különböző koncentráció) azt találták, hogy a keverékek fázissorrendje erőteljesen függ a CN koncentrációjától. Különösen érdekes, hogy az újra belépő Sm AR és TGB fázisok 22-48 és 50-65 wt% CN koncentrációk mellett jelentek meg.

Destrade et al. [11] három különböző chiral széria viselkedését vizsgálták, hogy meghatározzák a chiral lánchossz és a merev mag szerkezetének kapcsolatát a reentráns fázisok kialakulásával a chiral nem-ferroelektromos rendszerekben. A három széria közül a 1a és 1b sorozat bizonyos vegyületeinél figyeltek meg visszavonható nematikus fázisokat, míg a 3* sorozat egyetlen vegyületén sem figyeltek meg ilyen jelenséget.

Vill és Tunger [12] a 8-(4′-alkoxifenil)-3-(4″-cianofenil)-2,4,7-trioxa-3-borabiciklo[4,4,0]dekanes mesogén vegyületet szintetizálták, és különböző lánchosszúságú laterális csoportokat tartalmazó vegyületeket készítettek. E vegyületek hűtési ciklusainak fázissorrendjei különböző reentráns fázisokat mutattak, amelyek a hőmérsékleti tartományoktól függtek.

Vill et al. [53] két keverék fázisdiagramjait tanulmányozták, ahol az egyikben a CN-B-10 és CCH7, míg a másikban a CN-B-10 és CN-C-12 keverékek fázisátmeneteit figyelték meg. A CN-B-10 és CCH7 keverékében megfigyelhető volt a Sm A fázis indukciója, és érdekes módon a reentráns N* fázis, míg a CN-B-10 és CN-C-12 keverékében a Sm A fázis mellett az N* fázis és más érdekes fázisok jelentek meg.

A fázisdiagramok és a különböző keverékek viselkedésének tanulmányozása hozzájárult a chiral rendszerek, különösen a reentráns fázisok megértéséhez. A kutatások azt mutatják, hogy a chiral komponensek koncentrációjának változása jelentősen befolyásolja a fázisátmeneteket, amelyek a hőmérséklet és a koncentráció függvényében alakulnak ki. A keverékekben tapasztalható reentráns fázisok új lehetőségeket kínálnak a folyadékrendszerek, például a kijelzők vagy optikai eszközök fejlesztésében, mivel ezek a fázisok hozzájárulhatnak az anyagok optikai és hőmérsékleti tulajdonságainak javításához.

Endtext

A diszlokációk és hibák szerepe a folyékony kristályos fázisokban

A pozitív szingularitás (pozitív diszklináció) a kefék forgását jelenti a polarizátorok irányába, míg a negatív szingularitás (negatív diszklináció) két, egymással ellentétes irányba történő forgást jelent. Ha a diszklináció 4 kefével rendelkezik, akkor a forgás sebessége körülbelül megegyezik a polarizátorok sebességével, míg ha csak 2 kefe van, akkor a forgás kétszer gyorsabb. Egy mintában az összes s-érték összege mindig nulla kell, hogy legyen. Az ellentétes előjelű szingularitások vonzzák egymást, és végül összeolvadnak. Ha két szingularitás ugyanakkora erősséggel, de ellentétes előjellel van jelen, akkor azok kioltják egymást. Az eltérő erősségű szingularitásokból új szingularitás képződik, melynek s-értéke a két eredeti szingularitás erősségeinek összegeként jelenik meg.

A folyékony kristályos fázisokban a diszlokációk két fő típusa a szél- és csavardiszlokációk. Az extra fél atom- vagy molekula réteg beillesztése egy szilárd fázisba szél diszlokációt hoz létre. Amennyiben az extra fél réteg a csúszó sík alatt van, negatív szél diszlokáció alakul ki, míg ha a réteg felette helyezkedik el, pozitív szél diszlokáció keletkezik. A szél diszlokációk gyakran előfordulnak a folyékony kristályos fázisokban, különösen a smektikus fázisokban, ahol a rétegek rendezettsége miatt kialakulhatnak. A csavardiszlokációk több kalamitikus fázisban is megtalálhatók, és mikroszkópos szinten jól megfigyelhetők, segítve a fázis típusának azonosítását.

A fókusz-konikus hibák a smektikus fázisok réteges struktúráinak, a hirális mezofázisoknak és egyéb kristályos fázisoknak a jellemzője, melyek képesek hajlítási deformációk fenntartására. A fókusz-konikus hibák természetes textúrája a réteges szerkezetekben jelenik meg, ha azok két felület között vagy egyéb kiindulási pontok körül helyezkednek el. A molekulák sugárzó, ventilátorszerű elrendeződést vesznek fel a kiindulási pont körül. Ebben az elrendezésben mind a réteg vastagságát, mind a rétegek párhuzamosságát megőrzik, miközben a rétegek a kiindulási pont körül görbülnek. A szomszédos nukleációs központok összenövekedése révén a rétegek Dupin-ciklideszeket formálhatnak, és amikor ezek találkoznak, a találkozási pontokon optikai diszkontinuitás vonala keletkezik.

A parabolikus hibák szoros kapcsolatban állnak a fókusz-konikus hibákkal. Az ilyen hibák stresszformálta jelenségek, amelyek a smektikus fázisokban a helyi feszültségek eredményeként alakulnak ki. A parabolák síkjai derékszögben keresztezik egymást, és számos smektikus fázisban megfigyelhetők. Az ilyen hibák gyakran kapcsolódnak a fázisátmeneti jelenségekhez, és képesek pontosan jelezni a fázisátmenetet. Például a Sm A és Sm Bhex fázisok texturális jellemzői azonosak, így a parabolikus hibák megjelenése segíthet az átmeneti pontok meghatározásában.

A sokszög-textúrák a fókusz-konikus hibák félig kifejlett formáját mutatják. A sokszög-alakú területekben az ellipszisek egyike érinti a támasztó üvegfelületet, míg a másik csúcsot érintik. Ezek a területek hatékonyan csomagolják a fókusz-konikus hibák fél-domaineit, és a sokszög-alakú területeken minden egyes ellipszis keresztmetszet érintkezik a sokszög oldalával. Az ilyen textúrák általában vastag mintákban jelennek meg, és a sokszög-alakú területekben a hiperbolikus vonalak találkoznak a felszínen.

A zigzag hibák minden folyékony kristályos rendszerben előfordulnak, kivéve azokat, amelyek "könyvspaletta" geometriával rendelkeznek. A zigzag hibák két fő típusa létezik: a hajtű típusú és a villám típusú hibák. A hajtű típusú hibák kerek fordulatokat tesznek, míg a villám típusú hibák éles kanyarokat írnak le. Az ilyen hibák minden fordulóval színváltozást mutatnak, ami fontos jellemzője ezeknek a diszlokációknak.

Fontos, hogy a folyékony kristályos fázisokban a diszlokációk és szingularitások nem csupán hibák, hanem alapvető szereplők a fázisok stabilitásának és dinamikájának megértésében. A hibák jelzik a fázisok közötti átmeneteket, és sok esetben segíthetnek a fázisok típusának meghatározásában mikroszkópos vizsgálatok segítségével. Továbbá, a diszlokációk és szingularitások kölcsönhatásai, mint az összeolvadás és kioltódás, elengedhetetlenek a folyékony kristályos anyagok fizikájának és optikai tulajdonságainak megértésében.

Mi volt a szerepe George Yard-nek a Jack Ripper ügyében és mi történt ott 1888-ban?
A félelem médiával való szórakoztató manipulálása és annak következményei
Miért vált lehetetlenné a feketék és fehérek együttélése az amerikai rabszolgaság után?