De structuur van druppels in polymeer-gedispergeerde vloeibare kristallen (PDLC's) is sterk afhankelijk van de omstandigheden waaronder ze zijn gecreëerd. Verschillende configuraties, zoals bipolair, gedraaid bipolair, concentrisch, radiaal, gedraaid radiaal, en evenaarsdruppels, kunnen worden waargenomen in deze films. Het is bekend dat de vorm en grootte van de vloeibare kristal (LC) druppels niet alleen beïnvloed worden door de solidificatieomstandigheden, zoals temperatuur en druk, maar ook door externe velden die worden toegepast tijdens de productie. Dit heeft invloed op de uiteindelijke bruikbaarheid van PDLC's in verschillende toepassingen.

De bipolaire configuratie is de meest voorkomende uitlijning van de druppels, waarbij LC-moleculen zich tangenieel aanhechten aan het oppervlak van de druppel. Dit resulteert in twee puntdefecten aan de polen van de druppels. Wanneer bekeken onder gekruiste polarisatoren, vertoont een bipolaire druppel een kenmerkend optisch patroon. De belangrijkste elastische vervorming in deze configuratie is de buigvervorming, hoewel er ook enige spleetvervorming optreedt aan de polen van de druppel, dicht bij de defecten. In een sferische druppel zijn alle oriëntaties gelijk in energie, wat betekent dat er geen voorkeur is voor de uitlijning van de symmetrieas van de druppel. Wanneer de holte echter ellipsoïdaal of sferoïdaal is, blijft de bipolaire configuratie aanwezig, maar zijn niet alle oriëntaties gelijk in energie.

Een gedraaide bipolaire structuur kan ontstaan uit tangensteken van de wand bij een specifiek verhouding van de vervormingsconstanten. Deze structuur heeft een twistvervorming in het veld van de richting, terwijl de puntdefecten van de bipolaire structuur behouden blijven. De radiale configuratie ontstaat onder hometropische randvoorwaarden, waarbij de LC-moleculen zich langs hun lange as aanhechten, die normaal gezien loodrecht op de wand van de druppel staat. Wanneer de verhouding van de elasticiteitsconstanten K1 > K3, kan een gedraaide radiale structuur verschijnen.

De concentrische structuur, waar het nematische directeurveld overal loodrecht staat op de wand van de druppel, leidt tot een lijn-defect langs de diameter van de druppel. Dit defect komt alleen voor wanneer er een zwakke oppervlakte-ankerplaatsing is, wat resulteert in een lijn-defect dat langs de evenaar van de sferische druppel loopt.

Deze verschillende druppelconfiguraties en hun gedetailleerde gedragingen worden sterk beïnvloed door zowel de toegepaste externe velden als de interne eigenschappen van de vloeibare kristallen zelf. De elasticiteitsconstanten, de grootte en de vorm van de druppels, en de aard van de polymeren en hun interactie met de vloeibare kristallen spelen hierbij een cruciale rol. De reële invloed van deze variabelen op de uiteindelijke optische en elektronische eigenschappen van PDLC-films kan alleen volledig begrepen worden door de onderlinge relatie van deze factoren te bestuderen in detail.

In PDLC-films is de interactie tussen licht en de LC-druppels van groot belang. Wanneer geen extern elektrisch veld wordt toegepast, is de uitlijning van de LC-moleculen binnen de druppels willekeurig, wat resulteert in sterke lichtverstrooiing door de film. Dit komt doordat de refractie-index van de LC (nlc) sterk verschilt van die van het polymeer (np). Deze mismatch veroorzaakt een hoge optische haziness en een opaciteit in de film, waarbij het licht intens verstrooid wordt bij het passeren van de druppels.

Wanneer een hoog elektrisch veld wordt toegepast, wordt elke domein in de film georiënteerd in dezelfde richting, en verdwijnt de refractieve mismatch tussen de druppels. Het resultaat is een transparante film, omdat het licht nu slechts het gewone brekingsindex van het nematische materiaal ervaart. Wanneer het veld wordt verwijderd, keert de oriëntatie van de LC-moleculen terug naar hun oorspronkelijke configuratie, wat weer enige hysteresis in het spannings-transmissiecurve veroorzaakt.

De vorm van de LC-druppels heeft bovendien aanzienlijke invloed op de prestaties van PDLC-films. Druppels die ontstaan via anisotrope krimptechnieken vertonen een oblate (afgeplatte) vorm, wat leidt tot films met lage spanning, lage hysteresis en snelle responstijden. Dit maakt de specifieke keuze van fabricagemethode een sleutelrol in het verkrijgen van de gewenste optische eigenschappen van PDLC’s.

Wat betreft de karakterisering van PDLC-apparaten, zijn er verschillende parameters die de kwaliteit van de films bepalen. Het contrast, gedefinieerd als de verhouding tussen de maximaal en minimaal doorlatende lichtintensiteit, is een van de belangrijkste indicatoren. Daarnaast spelen de bedrijfsvoltage, opkomst- en vervaltijden, hysteresis en stabiliteit op lange termijn een belangrijke rol in het beoordelen van de prestaties van deze films. Vooral de verhouding tussen de brekingsindices van het nematische materiaal en het polymeer is cruciaal voor het maximaliseren van de optische prestaties.

Wanneer PDLC-films worden geactiveerd door een elektrisch veld, verandert de oriëntatie van de druppels op een manier die afhankelijk is van het toegepaste veld, de snelheid van de veranderingen in de oriëntatie, en de interacties tussen de moleculen binnen de druppels. De complexiteit van dit proces maakt het noodzakelijk om alle betrokken fysische parameters goed te begrijpen, vooral wanneer men PDLC's wil toepassen in dynamische optische systemen.

Hoe wordt de stabiliteit van de nematische fase van gebogen-kern vloeibare kristallen beïnvloed door moleculaire structuur?

De vorming van nematische gebogen-kern vloeibare kristallen (NBCLC's) is het resultaat van de sterke neiging om cybotactische Sm C-clusters te vormen. In sommige gevallen betreft deze associatie slechts een of twee moleculen, waarbij een overgang naar een tijdelijke biaxiale ordening kan worden geïnduceerd. De metingen van de fysische eigenschappen van NBCLC's vormen echter een uitdaging vanwege de stabiliteit van de nematische fase bij hoge temperaturen (> 150 °C). Bovendien is het verkrijgen van een monodomein-alignment, dat noodzakelijk is voor nauwkeurige metingen, eveneens problematisch. Desondanks groeit het aantal rapporten over de metingen van dielectrisch gedrag, elastische constanten, optische eigenschappen, elektrische veld-effecten en oriënterende viscositeit. In deze sectie bespreken we de verschillende aspecten van de structuur en eigenschappen van nematische gebogen-kern vloeibare kristallen.

Een representatief voorbeeld van een gebogen-kern molecuul dat een nematische vloeibare kristalfase vormt, is molecuul 59, dat een alkylketen in de centrale ring heeft en een nematische fase vertoont tot kamertemperatuur. Dit molecuul is eerst gesynthetiseerd door Matraszek et al. Molecuul 60 daarentegen is veel bestudeerd vanwege zijn biaxialiteit. Het cyano-geïntroduceerde molecuul 61 vertoont een breed scala aan nematische fasen, afhankelijk van de lengte van de keten, terwijl verbinding 62 een methylgroep bevat en azo-groepen heeft. Het molecuul 63, een voorbeeld van een vormvaste verbinding, bevordert ook de biaxialiteit.

Een andere interessante verbinding is het oxadiazool-gebaseerde molecuul 65, dat de nematische fase vertoont bij temperaturen boven de 150 °C. De verbinding 66 is ook oxadiazool-gebaseerd met terminale alkoxyketens en vertoont de grootste stabiliteit van de nematische fase, met een bereik van 60 °C. Molecuul 67 toont het breedste bereik van de nematische fase bij lage temperaturen, terwijl alle homologen van verbinding 68 een breed bereik van nematische fasen vertonen.

De stabiliteit van de nematische fase in gebogen-kern vloeibare kristallen is afhankelijk van een subtiele balans tussen orde en wanorde. Voor de productie van calamitische nematische fasen zijn de synthetiseringsregels goed vastgesteld. Het blijkt echter veel moeilijker te zijn om gebogen-kern moleculen te synthetiseren die een stabiele nematische fase vertonen. Het beheersen van de mate en de temperatuur van de nematische fase is bijzonder lastig. Onderzoek naar de structurele variaties van de moleculen heeft enkele algemene conclusies opgeleverd.

Bijvoorbeeld, de series van homologen van resorcinol en 2,6-gedisubstitueerde pyridines, gerapporteerd door Matraszek et al., vertonen de nematische fase bij kamertemperatuur. In de resorcinol-serie werd een extra n-hexyl-substituent toegevoegd aan de 4-positie van het molecuul. De aanwezigheid van verschillende zijgroepen en de lengte van de ketens beïnvloeden de stabiliteit van de nematische fase sterk. De resultaten wijzen uit dat de nematische fase stabiler is bij kortere ketens en dat de stabiliteit afneemt bij langere ketens.

In het geval van oxadiazool-gebaseerde verbindingen (zoals 65 en 66) hebben Gleeson et al. de invloed van verschillende moleculaire eenheden op de stabiliteit van de nematische fase onderzocht. De laatste jaren is het onderzoek naar deze verbindingen verder ontwikkeld en heeft het verschillende belangrijke patronen blootgelegd. Het blijkt bijvoorbeeld dat de stabiliteit van de nematische fase wordt verhoogd door de vermindering van de ketenlengte en dat de fluorvervanging in sommige gevallen de stabiliteit kan verbeteren. De vervangingen van fluor op de fenylring hebben een significante invloed op het dielectrisch gedrag van de vloeibare kristallen, met verschillende waarden van de dielectrische anisotropie afhankelijk van de temperatuur en frequentie.

Op het gebied van de dielectrische eigenschappen van NBCLC's is er ook veel vooruitgang geboekt. De dielectrische permittiviteit en elektrische geleidbaarheid zijn de belangrijkste eigenschappen die het gedrag van een verbinding in een elektrisch veld bepalen. Jang et al. toonden aan dat cyano-geïntroduceerde mesogenen zoals de verbinding 61 verschillende dielectrische eigenschappen vertonen afhankelijk van de ketenlengte. Sommige verbindingen vertonen een omkering van de dielectrische anisotropie bij verschillende temperaturen en frequenties, terwijl andere een negatieve anisotropie vertonen over het gehele mesofasische bereik.

Daarnaast werd het gedrag van oxadiazool-gebaseerde verbindingen verder bestudeerd, waarbij het blijkt dat substituenten zoals fluor een significante invloed hebben op de dielectrische eigenschappen. De mate van vervangingen kan variëren, wat leidt tot een verbetering van de stabiliteit van de nematische fase of het wijzigen van de reactie op elektrische velden.

Tot slot, hoewel veel vooruitgang is geboekt in het begrijpen van de structuur-faseeigenschappen van NBCLC's, blijft het een uitdaging om een stabiele, breed toepasbare nematische fase te verkrijgen, vooral bij hoge temperaturen. De stabiliteit van de nematische fase wordt sterk beïnvloed door de specifieke moleculaire ontwerpvariaties, zoals de lengte en aard van de keten, de aard van de substituenten en de positionering daarvan op het molecuul.

Wat zijn disc-vormige vloeibare kristallen en hoe beïnvloeden ze de structuur van fasen?

De studie van disc-vormige vloeibare kristallen is een belangrijk onderwerp in de fysische chemie vanwege hun complexe structuren en hun potentieel voor toepassingen in verschillende technologische domeinen. De fasen die deze stoffen kunnen aannemen, vertonen een verscheidenheid aan symmetrieën en orderingspatronen die sterk afhankelijk zijn van de interacties tussen de moleculen. Eén van de belangrijkste kenmerken van deze kristallen is hun vermogen om verschillende mesofasen te vormen, afhankelijk van hun moleculaire structuur en de aard van de interacties tussen de moleculen.

Een van de bekendste mesofasen die disc-vormige moleculen kunnen vertonen, is de discotische nematische (ND) fase. In deze fase zijn de massacentra van de moleculen isotropisch verdeeld, wat betekent dat ze geen lange-afstands positionele correlaties vertonen. Hoewel de ND-fase dezelfde symmetrie (T(3) x D∞h) heeft als die van de calamitische nematische (N) fase, zijn de twee fasen niet mengbaar. Dit komt door de fundamentele structurele verschillen tussen de ND- en N-fasen, wat leidt tot fasenscheiding. De ND-fase is diamagnetisch en optisch negatief, in tegenstelling tot de N-fase, die diamagnetisch en optisch positief is. Net als de chiralische nematische (N*) fase kan de ND-fase een chirale variant vertonen, de chiral discotische nematische (N*D) fase, waarin de moleculen een spiraalstructuur vormen.

In de ND-fase wordt de voorkeurshoek van de korte as van de schijven, oftewel de directeur n̂, om een helix-as Z geroteerd. Dit resulteert in typische texturen die we ook in de N fase van calamitische moleculen kunnen waarnemen, zoals olievlekken, vingerafdrukken en polygonale patronen. De vloeibare aard van de ND-fase maakt het mogelijk dat het de typische schlieren-texturen vertoont, met de aanwezigheid van twee- en vierborsteldefecten en gemarmerde texturen, zoals te zien is in de N-fase van calamitische moleculen.

Naast de discotische nematische fasen vormen de disc-vormige moleculen ook kolomvormige mesofasen. Deze fasen ontstaan wanneer de moleculen zich stapelen in één-dimensionale (1D) kolommen die zelf een twee-dimensionaal (2D) rooster vormen. Er zijn verschillende typen kolomvormige structuren, afhankelijk van de interacties tussen de moleculen binnen de kolommen. De meest voorkomende zijn de geordende kolommen, die een regelmatige stapeling van de mesogeenkernen vertonen, en de gedisordineerde kolommen, waarbij de stapeling onregelmatig is. Er zijn ook gekantelde kolommen, waarbij de schijfvormige kernen zijn gekanteld ten opzichte van de as van de kolom. De verschillende kolomstructuren worden aangeduid met termen zoals "Colho" voor de hexagonale geordende kolomfase, "Colhd" voor de hexagonale gedisordineerde kolomfase, "Colrd" voor de rechthoekige gedisordineerde kolomfase, en "Colobd" voor de gekantelde gedisordineerde kolomfase.

De hexagonale kolomvormige fasen (Colh) worden gekarakteriseerd door een regelmatige stapeling van de moleculaire kernen in een hexagonaal patroon. Het puntgroep symmetrie van de Colh-fase heeft een C6-as en zes C2-assen, wat resulteert in een zeer gestructureerde opstelling. De moleculen in de Colh-fase vertonen een lichte kanteling ten opzichte van de as van de kolom, en dit kan worden waargenomen via optische technieken. Onder een polarisatiemicroscoop blijkt dat de moleculen in een Colh-fase niet perfect normaal staan ten opzichte van de kolom-as, maar licht gekanteld zijn, wat wijst op een pseudo-hexagonaal rooster.

De rechthoekige kolomvormige mesofasen (Colr) worden gekarakteriseerd door moleculen die gekanteld zijn ten opzichte van de as van de kolom, waarbij de dwarsdoorsnede van de kolom een ellipsvormig profiel vertoont. Deze fasen vertonen sterkere moleculaire interacties dan de hexagonale kolommen, omdat de moleculen in de kolommen zich ten opzichte van elkaar moeten oriënteren. De symmetrie van de 2D-latices in deze fasen wordt gekarakteriseerd door verschillende ruimtelijke groepen, afhankelijk van de mate van kanteling.

De kolomvormige oblieke mesofase (Colob) is een zeldzame fase die ontstaat wanneer de interacties tussen de moleculaire kernen sterk genoeg zijn om de moleculen te dwingen zich in een schuin patroon te organiseren. Dit resulteert in een kolomstructuur die gekanteld is ten opzichte van de kolom-as, met een ellipsvormige doorsnede. De karakteristieke texturen van de Colob-fase zijn vaak spiraal- of waaivormig, wat duidt op de complexe interacties tussen de moleculen in deze fase.

Naast de genoemde fasen kunnen ook de kolomvormige nematische (NC) fasen worden waargenomen, die ontstaan wanneer elektronen-donor disc-vormige moleculen worden gecombineerd met elektron-acceptor moleculen, zoals trinitrofluorenon. In deze fasen vertonen de kolommen slechts een oriëntatie-ordening, zonder een lange-afstands positionele ordening. De mesofase vertoont typische schlieren-texturen en kan worden bestudeerd via röntgendiffractie, waarbij scherpe reflecties in het breedhoekige bereik worden waargenomen, wat duidt op de regelmatige stapeling van de moleculen binnen de kolommen.

De studie van deze fasen is essentieel voor het begrijpen van de interacties tussen moleculen in vloeibare kristallen en biedt belangrijke inzichten voor de ontwikkeling van nieuwe materialen voor toepassingen in optica, elektronica en andere geavanceerde technologieën. Het is belangrijk te begrijpen dat de verschillende fasen die door disc-vormige vloeibare kristallen kunnen worden aangenomen, sterk afhangen van de moleculaire structuur en de aard van de intermoleculaire interacties, evenals van de externe condities zoals temperatuur en druk. Door de mechanismen achter de fasen en de transities tussen deze fasen te begrijpen, kunnen onderzoekers nieuwe vloeibare kristallen ontwerpen met verbeterde eigenschappen en toepassingen.

Wat zijn de meest voorkomende fouten bij vetverlies en spieropbouw?
Verraadt spontane spraak leeftijdsgebonden achteruitgang in taalvaardigheid?
Wat zijn de effecten van zowel interne als externe resonanties op stochastische systemen met Hamiltoniaanse dynamica?
Hoe de Strategie van Kennan de Koude Oorlog Vormde en de Les die We Nu Kunnen Leren van de Benadering van China