Hoe beïnvloeden de chiraliteit en polymeercomponenten de eigenschappen van blauwfasen in vloeibare kristallen?

De ontwikkeling van blauwfasen (BPs) in vloeibare kristallen is een complex proces, waarbij tal van factoren de elektrische en optische eigenschappen van het materiaal beïnvloeden. Verschillende onderzoeken hebben aangetoond hoe variaties in de concentratie van chirale dopanten, de aanwezigheid van polymeren en de toepassing van externe velden het gedrag van deze fasen kunnen sturen. De mechanismen die ten grondslag liggen aan de vorming en stabiliteit van blauwfasen, blijven echter onderwerp van intensieve studie.

BPLC (Polymeer-gefixeerde vloeibare kristallen) zijn een goed voorbeeld van dit onderzoek, waarin Jau et al. [142] een techniek voor het maken van blauwfasen voorstelden. Het proces begon met een template van BPLC, waarvan het niet-reactieve deel, bestaande uit 12,5 wt% polymeer, werd gebruikt om de structuur te vormen. Dit template werd vervolgens opnieuw gevuld met mesogenen die verschillende concentraties en handigheid van de chirale dopant R1011 bevatten. Door het template te spoelen, werden BPs verkregen. Het belangrijkste resultaat van dit experiment was de afname van de spanning in de "ON"-toestand naarmate de verhouding van R1011 werd verlaagd. Het vervangen van de chirale dopant door S1011 (de tegenovergestelde handigheid) leidde verder tot een afname van de "ON"-toestandsvoltage, wat wijst op de invloed van de chirale structuur op de elektrische prestaties.

Xu et al. [144] onderzochten een andere samenstelling van PS-BPLC door de nematische gast JC-BP06N te mengen met chirale dopant R5011 en fotopolymeerbare monomeren zoals TMPTA en RM-257. Ze ontdekten dat wanneer de aangelegde elektrische veldsterkte kleiner was dan de kritische waarde (E < Ec), het Kerr-effect de belangrijkste bijdrage leverde, wat leidde tot een snelle responstijd. Bij een veldsterkte groter dan de kritische waarde (E > Ec) werd echter een toename in responstijd en een merkbare hysterese waargenomen door het elektrostrictie-effect. Bovendien, wanneer de polymeergehalte werd verhoogd, werd het elektrostrictie-effect verminderd, maar steeg de werkspanning. Dit duidt op een delicate balans tussen de polymeerkoncentratie, het elektrostrictie-effect en de vereiste spanning voor het behalen van optimale prestaties.

Chojnowska et al. [145] onderzochten fotochemisch stabiele PS-BPLC-materialen door gebruik te maken van een gastmengsel bestaande uit gefluoreerde terfenyls, biphenyls en cyclohexylbiphenyls, gecombineerd met twee chirale dopanten. Ze ontdekten dat bij een temperatuur van 20°C de totale responstijd en Kerr-constante respectievelijk sneller waren dan 0,7 ms en 2 nm/volt². Dit benadrukt de mogelijkheid om de elektrische en optische eigenschappen van BPLC-materialen te verbeteren door fotochemische stabiliteit en chiraliteit te optimaliseren.

In een ander onderzoek toonden Gao et al. [146] aan dat de toevoeging van gefluoreerde monomeren met een ethynylgroep de elektro-optische eigenschappen van PS-BPLC beïnvloedde. In stijve polymeersystemen nam het Kerr-effect toe en daalde de werkspanning met ongeveer 11,5%, terwijl in zachtere polymeersystemen zowel de hysterese als de resterende dubbelbreking respectievelijk met 45,5% en van 1,85% naar 0,6% werden verminderd. Dit geeft aan dat de aard van het polymeersysteem (rigide versus zacht) invloed heeft op de prestaties van BPLC-materialen, vooral op het gebied van hysterese en dubbelbreking.

Hoewel deze experimenten waardevolle inzichten bieden in de effecten van polymeren en chirale dopanten op BPLC, blijft de theoretische beschrijving van blauwfasen complex. De liquid crystal-fasen vertonen een rijke verscheidenheid aan fasesequenties in zowel achirale als chirale mesofasen, wat te maken heeft met de breuk van symmetrie. Helaas is de theoretische kennis op dit gebied vaak onvoldoende en achtergebleven in vergelijking met andere materialen. De uitdaging ligt vooral in het feit dat vloeibare kristallen systemen zijn die gekarakteriseerd worden door een groot aantal gekoppelde vrijheidsgraad, wat het moeilijk maakt om gedetailleerde microscopische theorieën te ontwikkelen. Als gevolg hiervan worden vaak fenomenologische modellen gebruikt die gebaseerd zijn op de Landau-theorie en de varianten daarvan.

De theorieën die toegepast zijn op blauwfasen, zoals de Landau-de-Gennes (LdG) fenomenologische benadering, proberen de complexe dynamica van deze fasen te begrijpen. De LdG-theorie beschrijft het gedrag van liquid crystal-fasen door de ordening van moleculen via een symmetrische tracelossende tensor $Q(r)$. De vrije-energie-uitbreiding wordt vervolgens geminimaliseerd met respect tot dit orderparameter om de stabiliteit van verschillende fasen te beoordelen. In het geval van blauwfasen wordt de aanwezigheid van een chirale term toegevoegd aan de vrije-energie-uitbreiding, wat de complexiteit van het systeem vergroot. Desondanks wordt aangenomen dat de BPs ontstaan door een periodieke kubieke structuur, wat het proces van defectvorming binnen deze fasen verklaart.

Naast de eerder beschreven experimenten en theoretische benaderingen is het cruciaal om te begrijpen dat blauwfasen zich onder invloed van externe velden, zoals elektrische velden, kunnen manifesteren als unieke fasen die zowel ferro- als antiferro-elektrische ordes kunnen vertonen. Dit benadrukt de complexiteit en de veelheid aan variabelen die een rol spelen bij het begrijpen en optimaliseren van de eigenschappen van BPLC-materialen voor toepassingen zoals displays en opto-elektronische apparaten.

Wat is het effect van de fotorefractieve en hydro-elektrische fenomenen in vloeibare kristallen?

De Sm C* fase in vloeibare kristallen, ook wel bekend als de modulaire fase, toont een netwerk van defecten, wanden en lijnen. Dit netwerk ontstaat wanneer de normale ordening van het materiaal wordt verstoord, wat resulteert in een fase zonder lange-afstands azimutale orde of netto-polarisatie in afwezigheid van een extern elektrisch veld. Het wordt vaak beschouwd als een Sm A-fase, waarbij de geordende structuur van de moleculen zich in lagen organiseert.

Wanneer een elektrisch veld wordt aangelegd, veroorzaakt de vervorming van het defectenarray een aanzienlijke elektro-optische respons, wat resulteert in een grote elektro-optische coëfficiënt (ECE). Dit effect is het resultaat van de elasticiteit van de Sm C* fase, die in de bulk als volgt kan worden beschreven door de elastische vrije energie (vergelijking 3.3). Hierin wordt de projectie van de nematische richting op het vlak van de lagen weergegeven, waarbij de lengte ervan als constant wordt verondersteld. De chirale termen spelen een cruciale rol in de vervorming van de normale richting, wat leidt tot een spontaane buiging van de laagstructuur, zoals aangegeven door de tweede term van de vergelijking. De chirale natuur van de vloeibare kristallen zorgt voor een twist of draaiing van de moleculaire structuren, wat in twee termen wordt weergegeven: de eerste die een spontaane twist veroorzaakt, en de tweede die de buiging binnen elke laag aangeeft.

In dit systeem is er echter een competitie tussen verschillende chiraliteitsconfiguraties. De frustratie van het systeem, veroorzaakt door de beperkte mogelijkheden om de structuur overal in het systeem te buigen, leidt tot de introductie van defecten die de verschillende domeinen van spontane buiging scheiden. Er zijn twee soorten gemoduleerde fasen die worden voorgesteld: een "gestreepte" fase en een "hexagonale" fase. In de gestreepte fase scheiden parallelle domeinwanden de regio's van spontane buiging, terwijl de hexagonale fase twee-dimensionale arrays van domeinwanden en puntdisclinatien bevat.

Deze fenomenen komen niet alleen voor in de Sm C* fase, maar ook in fotorefractieve materialen. Het fotorefractieve effect (PRE) is een fenomeen waarbij de brekingsindex van een materiaal wordt gemoduleerd door de absorptie van licht. Het maakt dynamische volumetrische hologrammen mogelijk en opent toepassingen in fotonica, optische beeldverwerking, faseconjugatie en parallelle optische logica. Het PRE treedt op in de interferentiefringes van laserstralen, waarbij twee laserstralen interfereren en de ladingen zich scheiden tussen de lichte en donkere posities van de interferentiefringes. Dit leidt tot de vorming van interne elektrische velden, die vervolgens de oriëntatie van de spontane polarisatievector veranderen, wat de brekingsindex van het materiaal beïnvloedt.

Het proces van fotorefractiviteit in een FLC/photoconductieve verbinding wordt visueel weergegeven in de diagrammen van Figuur 3.17. Hier wordt getoond hoe de lading in de heldere gebieden wordt gegenereerd en hoe deze ladingen zich vervolgens verplaatsen om interne elektrische velden te creëren die de oriëntatie van de mesogenen (moleculaire eenheden) veranderen. Door dit effect kunnen veranderingen in de intensiteit van het gereflecteerde of doorgelaten licht worden gemeten, wat essentieel is voor de werking van optische systemen die gebruikmaken van holografische opslag of beeldverwerkingstechnologie.

De fotorefractieve effectiviteit kan worden gemeten door middel van een twee-bundel-koppelingsexperiment, waarbij de verandering in de intensiteit van de doorgelaten bundels wordt gemeten na interferentie van twee laserstralen. Dit wordt gedaan met behulp van een oplosmiddel-gedispergeerde stof, zoals cellobiose dehydrogenase (CDH), die de efficiëntie van de ladinggeneratie verhoogt. De mate van verandering wordt gemeten door de zogenaamde 'versterkingscoëfficiënt', die afhankelijk is van de sterkte van het aangelegde elektrische veld.

Interessant is dat de tijdsduur die nodig is voor de vorming van een indexgrating (de diffractiestructuur die optische interferentie veroorzaakt) varieert afhankelijk van het externe elektrische veld. Bij hogere veldsterkten wordt de efficiëntie van de ladingseparatie verhoogd, wat resulteert in kortere vormingstijden van de indexgrating. Dit effect is vooral belangrijk voor toepassingen waar snelle respons vereist is, zoals in fotorefractieve opslag of optische schakelingen.

Tot slot speelt de visco-elektrische of hydro-elektrische werking een belangrijke rol in de Sm C* fase van vloeibare kristallen. Wanneer een elektrisch veld wordt aangelegd, worden de moleculen gedwongen zich uit te lijnen, wat leidt tot een gemeten gemiddelde polarisatie in de richting van het aangelegde veld. Dit effect kan ook worden gemanipuleerd door te scheren, waardoor de oriëntatie van de mesogenen wordt veranderd. Het samenspel van deze effecten maakt de Sm C* fase uiterst veelzijdig in technologieën zoals beeldverwerking en optische schaling.