Hoe wordt de polymeren gestabiliseerde 5CB-emulsie gevormd en toegepast in sensoren?

De vorming van een polymeren gestabiliseerde 5CB-emulsie volgt een zorgvuldig proces waarin de 5CB (5-cyano-2,3,4,5,6-pentafluorocyclohex-1-ene) wordt gecombineerd met een polymeeroplossing onder sonificatie. In dit proces wordt 10 μL 5CB gemengd met 10 mL van een 2% chitosaanoplossing bij kamertemperatuur. Dit zorgt voor de vorming van een emulsie die stabiel blijft door de interactie van de polymeerketens met de vloeibare kristallen van 5CB. In een alternatieve benadering wordt agarose gebruikt in plaats van chitosaan; in dit geval wordt 10 μL 5CB gemengd met 10 mL van een 1% agarose-oplossing en ondergaat het mengsel sonificatie bij 70 °C. De agarose-stabiliseerde 5CB-emulsie vormt zich in een vergelijkbare manier als de chitosaan-oplossing, waarbij de emulsie een gelachtige structuur aanneemt nadat deze wordt gekoeld tot 4 °C gedurende 10 minuten.

Wat bijzonder opvalt, is de mogelijkheid om de eigenschappen van de sensorfilms te beïnvloeden door de lading van het polymeernetwerk te variëren. Dit maakt het mogelijk de reactiesnelheid en het bereik van ionische oppervlakteactieve stoffen en galzuren te af te stemmen op basis van hun elektrostatistische interactie met de geladen polymeer netwerken. De films vertonen duidelijke veranderingen in transmittantie afhankelijk van de spanningsveranderingen, wat gebruikbaar is in verschillende elektrische sensortoepassingen.

In een andere toepassing werden optische elektrische veldsensoren ontwikkeld voor gebruik in omgevingen met hoogspanning, zoals de elektriciteitsindustrie. Deze sensoren maken gebruik van polymeren gedispergeerde vloeibare kristallen (PDLC), die zowel in optische als elektrische toepassingen gebruikt kunnen worden. De PDLC-sensoren werken op basis van de veranderingen in de transmissie van licht die optreden wanneer een extern elektrisch veld wordt toegepast. In het geval van PDLC is het polymeer optisch isotroop, terwijl het vloeibare kristal een ordinaire brekingsindex heeft die verschilt van die van het polymeer. Wanneer er een elektrisch veld wordt aangelegd, richten de vloeibare kristallen zich uit in de richting van het veld, wat leidt tot een verandering in de optische eigenschappen van de film, van een troebele toestand naar een zeer transparante toestand.

Deze optische eigenschappen maken de PDLC-sensoren zeer nuttig voor de detectie van elektrische velden. De configuratie van de PDLC-sensor is gebaseerd op een op ITO (indium-tinoxide) gecoate glasplaat, waar de spanning tussen de ITO-elektroden gemeten kan worden. Dit type sensor biedt een lineaire respons, wat essentieel is voor nauwkeurige metingen in diverse toepassingen. De gevoeligheid van de sensor kan echter beïnvloed worden door temperatuurveranderingen, wat doorgaans geen probleem is zolang de metingen in een gecontroleerde omgeving worden uitgevoerd.

De analyse van de structuren onder polarisatie onderstreept hoe de orientatie van de 5CB-moleculen in de PDLC-films de lichtdoorlaatbaarheid kan beïnvloeden. Deze ontdekking biedt niet alleen inzichten in de fabricage van geavanceerde sensoren, maar toont ook aan hoe de controle over de microstructuur van de emulsie de prestaties van de sensoren kan verbeteren.

Het gebruik van dergelijke polymeergestabiliseerde 5CB-emulsies biedt dus niet alleen inzicht in de chemie en fysica van vloeibare kristallen in sensoren, maar ook praktische toepassingen voor de ontwikkeling van de volgende generatie flexibele en multi-functionele sensoren. Door de verscheidenheid aan polymeren die gebruikt kunnen worden en het vermogen om de eigenschappen van de film te tunen door de lading van het polymeer netwerken, wordt een breed scala aan toepassingen mogelijk gemaakt, van elektrische velddetectie tot draagbare technologieën.

Hoe topologische defecten zich vormen en verdwijnen in nematische vloeistoffen

Hedgehog defecten, zowel met een positieve als een negatieve topologische lading (N = +1 en N = −1), spelen een cruciale rol in de morfologie van nematische vloeistoffen. Bij bepaalde geometrieën en speciale verankeringscondities, zoals in capillairen of nematische druppels, worden deze defecten vaak waargenomen. Dit gebeurt ook in systemen met hybride grensvoorwaarden of in systemen die zich in parallelle toestand bevinden. De verdeling van de moleculaire oriëntaties, aangeduid als de "director", is daarbij sterk afhankelijk van de elastische eigenschappen van de vloeistof, die variëren afhankelijk van de moduli K1, K2 en K3 van de vloeistof (die de elasticiteit in de verschillende richtingen beschrijven).

Bij het bestuderen van een nematische vloeistof tussen twee platen, bijvoorbeeld, worden er vaak schliere-structuren waargenomen, die de aanwezigheid van disclinatielijnen aantonen. Deze lijnen, die corresponderen met de posities van defecten, vertonen een specifieke geometrie afhankelijk van de ankercondities aan de randen van de vloeistof. Deze lijnen kunnen 2-brushes en 4-brushes omvatten, die op hun beurt weer een invloed hebben op de algehele configuratie van de vloeistof.

In 3D nematische systemen is er een bijzondere interactie tussen de radiale en hyperbolische hedgehogs. Deze defecten koppelen zich via een soliton-string, een soort energiegebied waarin de meeste energie geconcentreerd is. De energie per lengte-eenheid van zo’n string is gerelateerd aan de elastische constante van de vloeistof en kan worden gemodelleerd met behulp van de Frank-Oseen theorie. Dit proces, waarbij defecten met tegengestelde lading elkaar annuleerden, is een zeldzaam maar belangrijk fenomeen in vloeistofkristallen.

Verder kan de evolutie van de defecten in het systeem geanalyseerd worden met behulp van Browniaanse moleculaire dynamica (BMD). Onderzoekers zoals Svetec et al. hebben gedetailleerde simulaties uitgevoerd waarin de interactie tussen hedgehog en anti-hedgehog defecten wordt gevolgd. In dit onderzoek werd de evolutie van het systeem in vier fasen bestudeerd: voor de botsing, net voor de botsing, kort na de botsing en ver na de botsing. Bij dergelijke simulaties werden defecten als puntdeeltjes behandeld, die een kernstructuur bezitten en via het directorveld met elkaar communiceren.

Wanneer defecten in de vloeistof dicht bij elkaar komen, kunnen ze een ringstructuur vormen, die uit twee lijnen van defecten bestaat. Als de afstand tussen de defecten klein genoeg is, kan er een sterke aantrekkingskracht optreden, wat leidt tot hun annihilatie, oftewel het verdwijnen van het defectenpaar. Dit proces volgt een specifieke dynamica, afhankelijk van de interactie tussen de defecten en de geometrie van het systeem. De simulaties laten zien dat de hedgehog sneller beweegt dan de anti-hedgehog, waardoor de laatstgenoemde vaak wordt weggevaagd in de anisotrope omgeving van de vloeistof.

Het ontstaan van een defectvrije ringstructuur na de botsing van de defecten leidt in sommige gevallen tot de vorming van een planare polaire structuur met lijnen van defecten. Dit gedrag is sterk afhankelijk van de afstand tussen de defecten en de specifieke configuratie van het systeem, zoals de grootte van de cilinder waarin de vloeistof zich bevindt. Bij kleinere cilinders wordt de invloed van het oppervlak sterk gevoeld, maar dit effect verdwijnt bij grotere systemen.

Een belangrijk aspect van deze dynamica is de keuze van de interactiepotentiaal tussen de moleculen in de simulaties. De parameter ε, die de relatieve sterkte van hogere orde termen in de potentiaal beschrijft, speelt een cruciale rol in de groei van de ringstructuur. Hoe groter ε, hoe groter de ring die uit de botsing voortkomt, en dit beïnvloedt de uiteindelijke structuur die ontstaat na de annihilatie van de defecten.

Het begrijpen van de dynamica van deze defecten is van fundamenteel belang voor het verbeteren van de technologieën die gebruik maken van vloeistofkristallen. Of het nu gaat om optische displays, sensoren of andere geavanceerde materialen, de controle over topologische defecten biedt de mogelijkheid om de eigenschappen van vloeistofkristallen te sturen en te optimaliseren.