A fotokromikus vegyületek érzékenyek a megfelelő hullámhosszú fény hatására, képesek két különböző kémiai formában váltakozni, melyek eltérő abszorpciós spektrumokkal rendelkeznek. A fotokromikus folyadékkristályos polimerek (LCP) előállítása gyakran a mesogén monomerek és a fotokromikus mesogén vagy nem-mesogén monomerek kopolimerezésével történik. Ezen anyagok koncentrációja jellemzően 10 és 60 mol% között mozog. A fotokémiai izomerizációs folyamatok során az abszorpciós spektrum, dielektromos állandó, törési mutató, oxidációs/redukciós potenciál, szerkezet és egyéb jellemzők változása figyelhető meg. E változások a molekuláris tulajdonságokban alkalmazásra találhatnak a különböző fotonikus eszközök készítésében.

A fotoreaktív LCP-k előállítása alapvetően három fő módszerrel történhet: az első módszer során a polimerek speciális fotokromikus doppingalapú keverékek formájában készülnek, ahol a polimerek a mátrixként szolgálnak, míg a fotokromikus anyag a hozzáadott vendégkomponens. Ebben az esetben a mátrix tulajdonságai fény hatására változhatnak anélkül, hogy a mátrix szerkezete megváltozna. A második módszer bonyolultabb, de hatékony, ahol a fotoreaktív molekulák vagy azok fragmentumai beépülnek a makromolekulákba. A harmadik módszer a fotokromikus doppingok nem kovalens kötések, hidrogénkötések vagy ionos kötések révén történő kapcsolódása a polimárixhoz.

A fotoreaktív LCP-kkel kapcsolatos kutatások jelentős érdeklődést váltottak ki, mivel ezen anyagok a fotoreverzibilis transz-cisz izomerizációja révén új fejlett anyagok tervezésére adnak lehetőséget. Ezen anyagok potenciális alkalmazásai közé tartozik az optikai tárolás és egyéb optikai eszközök fejlesztése. Az izomerizációs folyamatok révén a fotokromikus anyagok különböző mechanikai és optikai tulajdonságai változhatnak, ami új jelenségek felfedezésére ad lehetőséget.

A fotokémiai izomerizációk egyik aktív kutatási területe az azobenzol típusú fotoreaktív LCP-k vizsgálata. Ezen anyagok képesek a fény hatására átmeneti szerkezetváltozásokat végrehajtani, például a transz- és cisz izomerek közötti váltakozást. A fotokromikus folyamatok során a fény hatására bekövetkező molekuláris átmenetek, például az izomerizáció, hatással vannak az anyagok optikai és mechanikai jellemzőire, például a hőmérsékleti viselkedésre (Tg), az optikai törési mutatóra, valamint a makroszkopikus orientációra is.

Ezek az anyagok különböző hőmérséklet-tartományokban különböző izomerizációs tulajdonságokkal rendelkeznek, és egyes esetekben a fény hatására stabilabb vagy instabilabb folyadékkristályos fázisokat képeznek. A fotokromikus anyagok és az általuk képzett különböző folyadékkristályos fázisok, mint például a szmektikus A fázis, valamint a különböző rendi paraméterek, például a helyi rendparaméter és a TNI (a folyadékkristályos fázis átmeneti hőmérséklete) alakulása a fő kutatási irányok.

A folyadékkristályos elasztomerek, különösen a nematikus liquid crystalline elastomerek (NLCE), új lehetőségeket kínálnak a fotoreaktív rendszerek kombinálására. Az azobenzol származékok alkalmazása, mint pendens komonomerek vagy keresztkötők, lehetővé teszi a fotoreaktív és önszerveződő tulajdonságok egyesítését. A molekuláris izomerizáció hatása a helyi rendparaméterre, a makroszkopikus orientációra és a fázisátalakulásra lehetőséget biztosít az optikai eszközök új típusainak kifejlesztésére, mint például az optikai tároló rendszerek.

Fontos megérteni, hogy a fotokémiai izomerizáció nem csupán az optikai tulajdonságok módosítását eredményezi, hanem hatással van az anyagok mechanikai tulajdonságaira is. A különböző molekulák közötti térbeli orientációk változásai befolyásolják az anyagok rugalmasságát, nyújthatóságát és mechanikai viselkedését is. Az ilyen rendszerek tervezésekor figyelembe kell venni a fotoreaktivitás mellett az anyagok stabilitását is, mivel egyes fotokémiai reakciók hosszú távon is megváltoztathatják a polimerek szerkezetét és tulajdonságait. A fotoreaktív anyagoknak a különböző környezeti hatásokkal, például hőmérséklet-ingadozásokkal, UV fény hatásával szembeni stabilitása kulcsfontosságú tényező a fejlesztésük során.

Hogyan határozhatók meg a folyadékkristályos fázisok elasztikus szabadenergia-sűrűségei és egyes kapcsolódó jelenségek

A folyadékkristályos anyagok viselkedésének megértésében kiemelt szerepet kap az elasztikus szabadenergia-sűrűség, amely leírja a molekuláris rend és az alkalmazott deformáció közötti kapcsolatokat. Az ilyen rendszerekben a molekuláris rendek különféle típusai, mint például a uniaxiális vagy biaxiális oszlopos fázisok, alapvetően meghatározzák az anyag mechanikai tulajdonságait.

A uniaxiális oszlopos fázisban a szabadenergia-sűrűség kifejezése a következő formában adható meg:

(ΔAucol)≡12(∂ux∂x)2+12(∂uy∂y)2+12(∂2ux∂z2+∂2uy∂z2)+tovaˊbbi tagok.(\Delta A_{\text{ucol}}) \equiv \frac{1}{2} \left( \frac{\partial u_x}{\partial x} \right)^2 + \frac{1}{2} \left( \frac{\partial u_y}{\partial y} \right)^2 + \frac{1}{2} \left( \frac{\partial^2 u_x}{\partial z^2} + \frac{\partial^2 u_y}{\partial z^2} \right) + \text{további tagok}.

Ebben az egyenletben a splay és twist kifejezések, melyek ismertek a nematikus fázisok esetében, hiányoznak. Ez a típusú kifejezés elsősorban az olyan esetekben alkalmazható, amikor diszlokációk jelennek meg a rendszerben. A rendszerben két fontos hosszúságot lehet meghatározni: λ_B és λ_C, amelyek a rendszert jellemző hosszú távú kölcsönhatások mértékét mutatják. A paraméterek és az egyes kölcsönhatások figyelembevételével az egyensúly eléréséhez szükséges idő függvényében a rendszer további változókat is tartalmazhat, mint például a térfogat-tágulás (θ).

Amikor az idő, amely a rendszer egyensúlyi állapotba való eléréséhez szükséges, jelentősen nagyobb, mint a kísérletben résztvevő jellemző időskálák, akkor figyelembe kell venni a bulk tágulást is. Ebben az esetben a szabadenergia-sűrűséget egy másik formába kell átalakítani:

(ΔAucol)≡12(∂ux∂x)2+12(∂uy∂y)2+12(∂2ux∂z2+∂2uy∂z2)+tovaˊbbi tagok eˊs teˊrfogat-taˊgulaˊs.(\Delta A_{\text{ucol}}) \equiv \frac{1}{2} \left( \frac{\partial u_x}{\partial x} \right)^2 + \frac{1}{2} \left( \frac{\partial u_y}{\partial y} \right)^2 + \frac{1}{2} \left( \frac{\partial^2 u_x}{\partial z^2} + \frac{\partial^2 u_y}{\partial z^2} \right) + \text{további tagok és térfogat-tágulás}.

A biaxiális oszlopos fázisok esetében a szabadenergia-sűrűség kifejezésének struktúrája némileg összetettebb, de alapvetően hasonló módon kerül meghatározásra. A biaxiális oszlopos fázisok, mint a Drob (ferde téglalap alakú) és Dr (egyszerű téglalap alakú) fázisok, az alábbi kifejezést követik:

(ΔAbcol)=12(∂ux∂x)2+12(∂uy∂y)2+tovaˊbbi tagok.(\Delta A_{\text{bcol}}) = \frac{1}{2} \left( \frac{\partial u_x}{\partial x} \right)^2 + \frac{1}{2} \left( \frac{\partial u_y}{\partial y} \right)^2 + \text{további tagok}.

Ezen típusú fázisokban az elasztikus szabadenergia-sűrűség nem sokkal bonyolultabb, mint a uniaxiális fázisok esetében, de figyelembe kell venni az összes térbeli irányban jelentkező elmozdulásokat és azok hatásait.

A folyadékkristályos rendszerek elasztikus viselkedésének megértésében alapvető szerepe van a molekulák közötti korrelációknak is. Az egyes fázisok, mint a nematikus és smektikus A fázisok, elasztikus konstansai (mint a K1, K2, K3) az alábbi módon kaphatók meg:

ΔA[ρ]=−∫∫ρ(x1)ρ(x2)c(x1,x2) dx1 dx2.\Delta A[\rho] = -\int \int \rho(x_1)\rho(x_2) c(x_1, x_2) \, dx_1 \, dx_2.

Ez az integrált kifejezés az ideális gáz szabadenergiájának és a deformált fázisok közötti különbségét reprezentálja, figyelembe véve az egyes molekulák közötti közvetlen korrelációkat. A pontosabb meghatározás érdekében a nem homogén rendszerek esetében a közvetlen korrelációs függvényeket is figyelembe kell venni, amelyeket szimulációs módszerekkel vagy integrálegyenlet-technikákkal lehet meghatározni.

A folyadékkristályos anyagok elasztikus szabadenergia-sűrűségének és a hozzá kapcsolódó jelenségek alapos megértése alapvetően szükséges ahhoz, hogy a különböző rendek és fázisok viselkedését és tulajdonságait sikeresen modellezzük. Ezen ismeretek birtokában a különféle fázisátalakulásokat, a mechanikai tulajdonságokat és a térbeli eloszlások vizsgálata lehetővé válik.

A rendszeres és pontos modellezés elengedhetetlen ahhoz, hogy az új típusú folyadékkristályos anyagok, illetve azok alkalmazása a gyakorlatban is sikeres legyen. Az elastikus konstansok és a molekuláris korrelációk ismerete segíti a tudományos közösséget abban, hogy új és jobb eszközöket fejlesszenek ki, amelyek különböző műszaki alkalmazásokban, mint például kijelzők, optikai eszközök vagy új típusú érzékelők, alkalmazhatók.

Hogyan befolyásolják a hőmérséklet és mágneses tér az optikai tulajdonságokat a nématikus folyadékkristályokban?

A nématikus folyadékkristályok fázisátmenetei és optikai tulajdonságai szoros összefüggésben állnak egymással, különösen akkor, amikor a hőmérséklet és mágneses tér hatását vizsgáljuk. A különböző típusú folyadékkristályok, mint a CBF9CBF és a CB7CB, eltérő optikai mintázatokat mutatnak, amikor a fázisátmenet bekövetkezik. Az optikai csíkok, amelyek a diffrakciót okozzák, rendkívül szabályosak a CBF9CBF-ben, míg a CB7CB-ben ezek bonyolultabb mintázatot mutatnak. Az effektív kéttörésű index (Δneff) hőmérséklet és mágneses tér szerinti változása nem monoton és meglehetősen komplex. Az elméletek szerint ezek a változások az orientációs rend fokának, a pre-transzicionális fluktuációknak, a helikonikus NTB struktúra kialakulásának, valamint az optikai csíkokkal együtt járó torzult helikoidális tengelyeknek az eredményei.

A Δneff hőmérsékletfüggése a 0 és 25 Tesla mágneses tér hatására a vizsgált mintákban különböző jellegzetességeket mutat. A CBF9CBF mintában a hőmérséklet 3–4 °C-kal a N-NTB fázisátmenet előtt eléri a maximális Δneff értéket, majd enyhén csökkenni kezd, egészen a fázisátmenetig. A CB7CB mintában a Δneff értékek hasonlóan viselkednek, de a csökkenés élesebben, 0.03-as értékkel következik be. Az ilyen mértékű csökkenés és az eltérő átmenetek azt jelzik, hogy a CBF9CBF-ben folyamatos (vagy gyenge elsőrendű), míg a CB7CB-ben elsőrendű fázisátmenet zajlik.

A hőmérséklet növekedésével az optikai csíkok megjelenése mellett az effektív kéttörésű index gyorsan csökken, ami a mágneses tér hatására történik. A magas mágneses tér alkalmazása elnyomja a N-NTB fázisátmenetet, és mindkét anyagban csökkenti az NTB fázisra jellemző Δneff értéket a N fázishoz képest.

A nématikus folyadékkristályok egyik kulcsfontosságú jellemzője az elasztikus viselkedésük, amely szoros kapcsolatban áll az anyagban lévő orientációs renddel és molekuláris struktúrával. Az elasztikus tulajdonságok alapvetőek mind az alapvető tudományos kutatások, mind pedig a folyadékkristály alapú eszközök, például a folyadékkristályos kijelzők (LCD) alkalmazásai szempontjából. A nyújtási és hajlítási tulajdonságok mellett a nématikus folyadékkristályok a torziós elasztikus tulajdonságokkal is rendelkeznek. A nématikus fázisok az orientációs rendnek köszönhetően képesek mechanikai stresszre reagálni, míg az smektikus fázisok a translációs rendet is tartalmazzák, amely lehetővé teszi a mechanikai deformációkat.

A nyújtási és hajlítási tulajdonságok mellett a folyadékkristályok elasztikus viselkedését a Hooke-törvény határozza meg, amely szerint a deformáció (strain) és az alkalmazott feszültség (stress) arányosak egymással. Az elasztikus energia a deformáció integrálásával számítható, és az egyes irányok mentén jelentkező deformációk jellemzik a viselkedést. A kisebb mértékű deformációk esetén az egyes részecskék elmozdulása is fontos szerepet kap a stressz és strain viszonyának megértésében.

Fontos, hogy a folyadékkristályos eszközök tervezésénél figyelembe vegyük, hogy az elasztikus állapotok és az elektromechanikai interakciók döntő szerepet játszanak a rendszerek teljesítményében. A viszkozitás és a dinamikai válasz a stressz hatására közvetlenül befolyásolják a folyadékkristályos kijelzők válaszidejét és stabilitását.

Az elasztikus állapotok vizsgálata során kiemelten fontos figyelni arra is, hogy a folyadékkristályoknál előforduló átmenetek és azok viselkedése hogyan függ a különböző külső hatásoktól, mint a hőmérséklet és mágneses tér. A fázisátmenetek és azok mikroszkopikus mechanizmusai alapvetően meghatározzák a folyadékkristályok optikai és mechanikai viselkedését, így ezek az anyagok nélkülözhetetlenek a modern technológiai alkalmazásokban.

Hogyan illeszkednek a tenisz és a detektívtörténetek egymáshoz?
Hogyan viszonyuljunk saját szorongásunkhoz: Elfogadás és kedvesség a küzdelem helyett
Hogyan alakították a szerszámok az emberi túlélés történelmét?
Milyen eszközökre van szükség a konyhában a főzéshez?