In de synthetische benadering van vloeibaar kristallijne polymeren (LCP's) blijkt de moleculaire architectuur van groot belang voor de ontwikkeling van materialen met specifieke eigenschappen. De keuze van de monomeren, de aard van de structurele eenheden, evenals de configuratie van het polymeren skelet spelen een cruciale rol in het gedrag en de functionaliteit van LCP's. Bij het onderzoeken van LCP's worden twee hoofdtypen vloeibaar kristallijne polymeren vaak onderscheiden: die met een hoofdketen (main-chain LCP's) en zijketen (side-chain LCP's). Elk type heeft zijn eigen unieke eigenschappen, die sterk afhankelijk zijn van de specifieke samenstelling en structuur van de gebruikte eenheden.

Een interessant voorbeeld van synthetische methoden voor het vervaardigen van LCP's betreft de combinatie van polystyreen en poly(methoxy-phenyl-4-carboxylate) (PMPCS) via atom transfer radical polymerization (ATRP) en de ring-opening polymerisatie (ROP). Het gebruik van dergelijke polymerisatietechnieken maakt het mogelijk om rod–rod BCP's (block copolymers) te verkrijgen die uitstekende vloeibaar kristallijne eigenschappen vertonen. Dit soort polymeren biedt de mogelijkheid om geavanceerde nanostructuren te creëren die zelfassemblages vertonen op nanoschaal, wat de ontwikkeling van materialen voor geavanceerde toepassingen, zoals optische en elektronische technologieën, bevordert.

De structuur van deze LCP's, die vaak asymmetrisch is, zorgt voor oriëntatie-afhankelijke interacties die bepalend zijn voor de stabiliteit en het gedrag van de vloeibaar kristallijne fasen. De mesogene eenheden (de structuurelementen die verantwoordelijk zijn voor de vloeibare kristallijne ordening) moeten rigide zijn om mesofasevorming mogelijk te maken. Voor calamitische moleculen, bijvoorbeeld, moeten de mesogene eenheden, die vaak aromatische ringen bevatten, verbonden zijn door stijve links die de lineaire uitlijning van deze eenheden mogelijk maken. Het gebruik van flexibele koppelingen tussen deze mesogene eenheden zorgt ervoor dat de oriëntatie behouden blijft, maar ook de overgangstemperaturen (zoals de isotropisatie- en smeltpunten) kunnen significant worden beïnvloed.

Een andere benadering betreft het gebruik van zijketen vloeibaar kristallijne polymeren (SCLCP's). Hier speelt de aard van de flexibiliteit van de backbone (hoofdstructuur van het polymeer) een belangrijke rol, evenals de lengte van de flexibele spacers tussen de zijgroepen en de backbone. De lengte van deze spacers heeft een directe invloed op de overgangstemperaturen en de stabiliteit van de mesofasen. Experimenten hebben aangetoond dat de overgangstemperaturen, zoals de glasovergangstemperatuur (Tg) en de clearingtemperatuur (Tc), beïnvloed worden door de lengte van de spacer. Naarmate de spacer langer wordt, neemt de Tg af, wat duidt op plasticisatie van het polymeerskelet door de zijgroepen.

In een recente studie werd bijvoorbeeld een serie poly(ω-(methoxybiphenyl-4,-yloxy)-alkylacrylaten) gesynthetiseerd, waarbij de lengte van de methyleengroepen in de spacer varieerde van 3 tot 12 eenheden. Het bleek dat de overgangstemperaturen sterk afhankelijk waren van de lengte van deze alkylspacers. Het toevoegen van bepaalde substituenten, zoals methylgroepen, brom- of chlooratomen, had eveneens invloed op de stabiliteit van de mesofasen. Deze kleine groepen kunnen de packing efficiency van de mesogenen beïnvloeden en zo de overgangstemperaturen en het gedrag van de LCP's veranderen.

Bovendien kan de polarisatie van de mesogene eenheden, samen met hun aspect ratio (de verhouding tussen de lengtes van verschillende asrichtingen), invloed hebben op de stabiliteit van de vloeibaar kristallijne fasen. Bij het ontwerp van LCP's is het belangrijk om een balans te vinden tussen de rigide en flexibele elementen binnen de moleculaire structuur, omdat te veel flexibiliteit kan leiden tot verlies van mesofasevorming, terwijl te veel rigiditeit de overgangstemperaturen aanzienlijk kan verhogen, waardoor de toepassing in bepaalde omgevingen wordt beperkt.

In de synthese van LCP's is het dus van belang om niet alleen te kijken naar de individuele monomeren, maar ook naar hoe de verschillende structurele eenheden met elkaar interageren. De keuze voor de juiste polymerisatietechniek, de aard van de mesogene eenheden, en de lengte van de spatiërende eenheden bepalen uiteindelijk de prestaties van het materiaal in praktische toepassingen. Het is een complex samenspel van moleculaire architectuur, sterkte van interacties en thermische stabiliteit, wat essentieel is voor de ontwikkeling van nieuwe generatie LCP's met toepassingen in bijvoorbeeld optische en elektronische systemen.

Hoe Polymer Dispersed Cholesteric Liquid Crystals (PDCLCs) en Ferroelectric Liquid Crystals (PDFLCs) kunnen worden Gebruikt in Opto-elektronische Toepassingen

De reflectiviteit van een cholesterisch vloeibaar kristal (LC) wordt voornamelijk bepaald door de intrinsieke spoed van het ingekapselde LC, terwijl de kleur wordt beïnvloed door de pitch van de cholesterische structuur. Deze eigenschappen kunnen efficiënt worden gemanipuleerd door fotopolymerisatie-geïnduceerde fasenscheiding. Zo toonden Manaila-Maximean et al. (2018) aan dat PDCLCs met verschillende cholesterische LC-mengsels, zoals CH2000 en LEX3, konden worden verkregen door gebruik te maken van een fotogevoelige hars NOA 65 als polymeer matrix. Hun experimenten lieten zien dat de selectieve reflectiespectra voor verschillende spanningen de maximale reflectiviteit in het infraroodgebied vertoonden, wat een veelbelovend resultaat is voor toepassingen in displays en opto-elektronische apparaten.

Kanwar en Gupta (2019) verdiepten zich in de effecten van de concentratie van cholesterische materialen op de thermische respons van PDCLCs. Ze ontdekten dat de concentratie een cruciale rol speelt in de overgangstemperaturen van de fasen en de breedte van de hysteresislus, die afhankelijk is van de opwarm- en afkoelsnelheid. Dit benadrukt het belang van het precieze beheer van temperatuurveranderingen om de optimale prestaties van de apparaten te bereiken. Het is opmerkelijk dat de schakelingseigenschappen van PDCLCs bij kleine temperatuurvariaties beter kunnen worden geoptimaliseerd.

Wang et al. (2020) onderzochten een andere benadering door het gebruik van een ion-doped cholesterisch LC met negatieve dielektrische anisotropie. Door een dubbele verhardingsmethode, die optisch geïnduceerde polymerisatie van acrylaten en thermische uitharding omvatte, werd een PDCLC dunne film geproduceerd met verbeterde mechanische eigenschappen en gestabiliseerde cholesterische textuur. Dit biedt nieuwe mogelijkheden voor het ontwikkelen van displays met hogere stabiliteit en duurzaamheid.

De studie van de elektro-optische eigenschappen van PDCLC’s, zoals de transmissievariaties onder verschillende spanningen en frequenties, levert waardevolle inzichten in de respons van deze materialen op elektrische velden. De overgang van een heldere staat (P-staat) naar een scattering staat (FC-staat) onder lage spanning, en vice versa onder hoge spanning, wordt duidelijk aangetoond door de verschillende transmissiecurves die voor zes verschillende monsters zijn gemeten. Deze experimenten zijn cruciaal voor het ontwerp van apparaten die flexibel moeten reageren op veranderingen in de omgevingsomstandigheden, zoals dynamische schermen of optische schakelaars.

Bij het bestuderen van de contrastverhouding (CR) en de opkomst- en afvaltijden (τ_on en τ_off), vonden de onderzoekers dat de polymeren netwerken een significante invloed hadden op de dynamische reacties van de PDCLC’s. Het blijkt dat de dichtheid van het thermische polymeernetwerk een sterke invloed heeft op de afvaltijd, wat van groot belang is voor het optimaliseren van de snelheid van de respons in toepassingen die een snelle schakeltijd vereisen.

Naast deze fysische en elektromechanische eigenschappen is de ontwikkeling van Polymer Dispersed Ferroelectric Liquid Crystals (PDFLC’s) van groot belang. In een studie van Kitzerow et al. (2017) werd aangetoond dat ferroelectrische vloeibare kristallen niet alleen nieuwe mogelijkheden bieden voor PDLC-apparaten, maar ook voor de productie van flexibele schermen. Het gebruik van ferroelectrische vloeibare kristallen in combinatie met fotopolymerisatie leidt tot de vorming van LC-druppels met een specifieke fasetransitie, die uitstekende optische prestaties vertonen. Het gebruik van deze materialen in PDFLC-displays biedt de mogelijkheid om flexibele, robuuste en kosteneffectieve opto-elektronische apparaten te ontwikkelen.

De voordelen van PDFLC-displays zijn duidelijk. De eenvoud van hun productie maakt ze bijzonder geschikt voor het vervaardigen van flexibele plastic schermen, zonder dat speciale oppervlaktebehandelingen nodig zijn om de vereiste uitlijning van de vloeibare kristallen te verkrijgen. Bovendien tonen de PDFLC-monsters een opmerkelijke elektrocliniciteit, wat betekent dat ze kunnen reageren op elektrische velden door een verandering in hun optische eigenschappen. Dit is van bijzonder belang voor de ontwikkeling van displays die zowel veelzijdig als robuust moeten zijn, zoals flexibele schermen of draagbare technologieën.

De werking van deze vloeibare kristallen in opto-elektronische toepassingen biedt diverse voordelen ten opzichte van traditionele displaytechnologieën. De mogelijkheid om schakeltijden te verbeteren, de mechanische stabiliteit te verhogen en de flexibiliteit van de displays te vergroten, opent de deur naar nieuwe innovaties op het gebied van displaytechnologieën, energiezuinigere apparaten en flexibele elektronische toepassingen.

Het begrijpen van deze materie vereist een grondige kennis van de fysische en chemische principes die ten grondslag liggen aan de structuur en dynamiek van vloeibare kristallen. De complexiteit van de moleculaire interacties in combinatie met de elektrische en optische eigenschappen vraagt om een precieze afstemming van de gebruikte materialen en de procesomstandigheden. Bij het ontwerpen van dergelijke systemen is het belangrijk niet alleen te focussen op de prestaties van de afzonderlijke materialen, maar ook op hoe deze interacties zich vertalen naar praktische toepassingen, zoals displays of optische schakelaars.

Hoe beïnvloeden viscositeit en magnetische velden de dynamica van nematische vloeistoffen?

De dynamische eigenschappen van nematische vloeistoffen (LC), zoals hun viscositeit en reactie op externe invloeden zoals schuifstromen en magnetische velden, zijn onderwerp van veel onderzoek. In een experiment waarbij de dempingstijd van een pendulum wordt onderzocht, dat bestaat uit een staaf en een plaat ondergedompeld in nematische vloeistoffen, blijkt dat de viscositeit een directe invloed heeft op de demping van de pendelbewegingen. Dit komt door de viscositeitscomponent die werkt in de richting van de plaatbeweging, specifiek de σ v xy-component van de viscous stress tensor σ v. De dynamische viscositeit η is gerelateerd aan de lokale schuifspanning en de lokale schuifsnelheid s volgens de klassieke hydrodynamica, waarbij de vergelijking σ vxy = ηs geldt. Het experiment van Miesowicz toont aan dat de dempingstijd van de pendulumoscillaties en de viscositeit η omgekeerd evenredig zijn.

Miesowicz meet de drie oriëntaties van de director (de moleculaire gemiddelde oriëntatie) ten opzichte van zowel de snelheid als de snelheidsgradiënt in de vloeistof. Dit experiment toont aan dat er minimaal drie verschillende viscositeiten bestaan in een nematische vloeistof, afhankelijk van de oriëntatie van de director ten opzichte van de flowrichting. Deze drie viscositeitscoëfficiënten worden aangeduid als ηa, ηb en ηc, waarbij:

  • ηa optreedt wanneer de snelheid loodrecht staat op de director en de snelheidsgradiënt ook loodrecht staat op de director.

  • ηb optreedt wanneer de snelheid parallel is aan de director en de snelheidsgradiënt loodrecht op de director staat.

  • ηc optreedt wanneer de snelheid loodrecht is op de director en de snelheidsgradiënt parallel is aan de director.

Dit benadrukt de anisotropie van de viscositeit in nematische vloeistoffen, wat betekent dat de viscositeit varieert afhankelijk van de oriëntatie van de director ten opzichte van de stromingsrichting.

In een ander experiment, uitgevoerd door Gahwiller, werd de viscositeit gemeten in Poiseuille-stromen binnen een platte capillaire buis onder invloed van een sterk magnetisch veld. Het experiment toonde aan dat de viscositeit in nematische vloeistoffen sterk afhankelijk is van de temperatuur en de oriëntatie van de director. De viscositeit is het hoogst wanneer de director parallel is aan de snelheidsgradiënt (ηc), en het laagst wanneer de director parallel is aan de snelheid (ηb). Bovendien neemt de viscositeit toe bij lagere temperaturen en zijn de viscositeiten ongelijk bij de overgang van nematisch naar isotroop. Dit wijst op de sterke anisotropie van de vloeistof in het nematische stadium.

De nematische fase die eerst wordt georiënteerd door een sterk magnetisch veld vertoont een sterk anisotropisch viscositeitsgedrag, met een rotatieviscositeit die de dynamica van de director beheerst in afwezigheid van een hydrodynamische stroom. Dit resulteert in een sterke koppeling tussen het directorveld en de snelheid, wat kan leiden tot stromingsinstabiliteiten.

Daarnaast zijn de dynamische eigenschappen van nematische vloeistoffen onder invloed van schuifstromen en magnetische velden onderzocht door verschillende onderzoekers, zoals Fatriansyah et al. Zij analyseerden de stabiliteit van een monodomein nematische vloeistof bij verschillende richtingen van het aangelegde magnetische veld. Dit model is relevant wanneer de effecten van de schuifstroom en het magnetische veld groter zijn dan de invloeden van de randvoorwaarden.

Het systeem dat werd onderzocht bestaat uit een nematische vloeistof die stroomt in de X-richting met een snelheidsgradiënt in de Z-richting, zoals weergegeven in de experimentele opstelling. De tijdsevolutie van de director wordt beschreven door de Ericksen-Leslie-theorie voor een monodomein nematische vloeistof. In deze theorie worden de krachten die de oriëntatie van de director beïnvloeden, gekoppeld aan zowel het magnetische veld als de schuifstromen. Het blijkt dat voor bepaalde vloeistoffen, zoals 5CB, de oriëntatie stabiel blijft onder schuifstroom zonder magnetisch veld, terwijl andere vloeistoffen, zoals 8CB, instabiel zijn en gaan "tumbelen" (een roterende beweging). De stabiliteit van de director is dus sterk afhankelijk van de interactie tussen de vloeistof, de externe velden en de schuifstroom.

Wanneer het magnetische veld langs de Z-as wordt verhoogd, verandert de stabiliteit van het systeem. In de stabiele regio kunnen twee positieve eigenwaarden worden waargenomen, terwijl in de onstabiele regio deze eigenwaarden niet realistisch zijn. Bij hogere magnetische velden stabiliseert het systeem zich, ongeacht de oriëntatie van het veld. Dit maakt het mogelijk om de oriëntatie van de director te manipuleren door de intensiteit en richting van het magnetische veld aan te passen, wat belangrijke implicaties heeft voor de toepassing van nematische vloeistoffen in verschillende technologieën, zoals beeldschermen en sensoren.

Naast de invloed van magnetische velden moet ook de rol van temperatuur en de interactie tussen de moleculen in de vloeistof in overweging worden genomen. Bij lagere temperaturen neemt de viscositeit toe, wat de stromingsdynamiek verder beïnvloedt. De overgang van de nematische naar de isotrope fase heeft een duidelijke invloed op de dynamica van de director en de algehele stromingseigenschappen van de vloeistof. Het is essentieel om deze factoren in combinatie te begrijpen om de volledige dynamiek van nematische vloeistoffen in verschillende toestanden en onder verschillende omstandigheden te beheersen.

Wat zijn de kenmerkende eigenschappen van niet-chirale smectische vloeistoffen?

Niet-chirale smectische vloeistoffen vertonen diverse fasen die afhankelijk zijn van de mate van ordening, symmetrie en structuur die ze vertonen. In essentie worden ze gekarakteriseerd door drie soorten ordening: oriëntatorde (OO), positionele ordening (PO) en bond-orientatie-ordening (BOO). Deze ordeningen zijn cruciaal voor het begrip van smectische fasen, omdat ze de basis vormen voor hun eigenschappen en gedrag in vloeibare kristallen.

In het eenvoudigste geval is de periodiciteit één-dimensionaal en kan het worden beschreven door een dichtheidsgolf. De aanwezigheid van deze ordeningen betekent echter niet noodzakelijkerwijs dat vertaling in alle drie de richtingen vereist is om vloeibaar kristallijn gedrag te vertonen. Bijvoorbeeld, de vloeistoffasen Sm A en Sm C vertonen één-dimensionale positionele ordening, wat betekent dat de vertaling slechts in één richting langzaamaan plaatsvindt. Dit resulteert in de zogenaamde smectische ordeparameter.

De niet-getailleerde smectische fasen zoals Sm A, Sm Bhex, Sm Bcry en Sm Ecry verschillen onderling in hun ordening, symmetrie en textuur. Deze fasen worden allemaal gekarakteriseerd door een vloeibare, laagachtige structuur die afhankelijk van de moleculaire oriëntatie verschillende optische eigenschappen vertoont. De Sm A-fase bijvoorbeeld, vertoont een eenvoudigere structuur met een lage mate van orde, maar biedt toch de basis voor meer complexe fases zoals de Sm Bhex, die een hogere mate van BOO vertoont.

In de Sm A-fase bevinden de moleculen zich in een laag die zich gedraagt als een vloeistof, waarbij de moleculen niet in staat zijn om een lange-range positionele ordening te vertonen. Deze fase wordt gekarakteriseerd door korte-range PO en BOO in de lagen, en een quasi-lange-range PO die normaal staat op de laag. Het optische gedrag van de Sm A-fase is uniaxiaal en vertoont de zogenaamde focale conische texturen, die zichtbaar zijn bij een polarisatie-microscoop.

In de Sm Bhex-fase daarentegen is de ordening complexer en bevat het lange-range BOO, wat typisch is voor hexatische fasen. De moleculen in deze fase zijn op een hexagonale wijze gepakt, wat de zesvoudige symmetrie van de BOO verklaart. Dit betekent dat de moleculen in staat zijn om een langdurige zesvoudige symmetrie in hun onderlinge oriëntatie te behouden. Dit leidt tot het verschijnen van een complexe textuur onder de polarisatie-microscoop die ook focale conische patronen vertoont. De moleculen in de Sm Bcry-fase zijn in staat om te draaien rond hun lange as, wat leidt tot een verder geavanceerde ordening in vergelijking met de Sm Ecry-fase, waarbij de moleculaire beweging meer beperkt is en een herringbone-patroon zichtbaar wordt.

De gekantelde fasen, zoals Sm C, tonen een ander soort ordening. De belangrijkste kenmerken van deze fasen zijn de kanteling van de moleculaire lange as ten opzichte van de laagvlakken, wat resulteert in een positieve biaxiale optische eigenschap. De kantelhoek is relatief groot en temperatuurafhankelijk, wat betekent dat de moleculaire orientatie zich aanpast bij verschillende temperaturen. Dit heeft een aanzienlijke invloed op de materiaaleigenschappen, zoals de laagdikte en de mate van ordening binnen de lagen. Sm C bijvoorbeeld vertoont een getailleerde structuur met positionele en bond-orientatie-ordening (PO en BOO) die de laagstructuur beïnvloeden, wat een wezenlijk verschil maakt met de niet-getailleerde Sm A-fase.

Hoewel de Sm C-fase de kenmerken van de Sm A-fase in termen van laagstructuur deelt, wordt het systeem aanzienlijk beïnvloed door de kanteling, die de ruimte tussen de lagen verkleint en de eigenschappen van het materiaal beïnvloedt. Dit is een goed voorbeeld van hoe de geavanceerde fasen, met hun complexere ordening, kunnen variëren in eigenschappen afhankelijk van de moleculaire configuratie.

Het begrijpen van deze verschillende fasen is van groot belang voor toepassingen in optische technologieën, display-technologieën en nanomaterialen, waar vloeibare kristallen een cruciale rol spelen. De controle over de moleculaire oriëntatie en de eigenschappen van deze fasen maakt het mogelijk om nieuwe materialen te ontwikkelen die specifiek gericht zijn op toepassingen met unieke optische, elektrische of mechanische eigenschappen.

Het is belangrijk te begrijpen dat de mate van ordening in smectische vloeistoffen sterk afhangt van de temperatuur en de specifieke moleculaire interacties die aanwezig zijn in het systeem. De verschillende fasen, zowel getailleerd als niet-getailleerd, vertonen subtiele variaties in de manier waarop moleculen zich organiseren en bewegen, wat hen in staat stelt zich op unieke manieren te gedragen onder verschillende externe omstandigheden.

Hoe bouw je vertrouwen en stel je doelen in het verkoopproces?
Wat is de betekenis van de tijd en de veranderende werelden?
Wat is draadloos consensus en hoe verschilt het van bekabelde consensus?
Wat zijn de belangrijkste factoren bij het gebruik van kleurstoffen in 3D-printen?
Hoe kan informatie fysiek zijn, en welke implicaties heeft dit voor onze filosofie van betekenis?