Wat is de rol van nanomaterialen in de moderne technologie?

De laatste decennia hebben nanomaterialen de wetenschappelijke wereld veranderd. Ze hebben geleid tot doorbraken in verschillende technologieën, van elektronica tot geneeskunde. Een van de belangrijkste aspecten van nanomaterialen is hun unieke fysische en chemische eigenschappen, die vaak afwijken van die van bulkmaterialen. Deze eigenschappen maken ze uiterst geschikt voor een breed scala aan toepassingen. In dit kader zijn de ontwikkelingen in de nanowetenschappen van essentieel belang.

Nanomaterialen zoals nanodeeltjes, nanodraden, en nanostructuren vertonen vaak eigenschappen die niet alleen afwijken van die van de bulk, maar ook kunnen worden aangepast door het manipuleren van hun grootte, vorm, of samenstelling. Dit is het gevolg van de zogenaamde kwantumeffecten die optreden wanneer de afmetingen van een materiaal op nanometerschaal komen. Dit maakt de controle over de eigenschappen van het materiaal veel preciezer en flexibeler, wat van grote waarde is voor technologische innovaties.

Bijvoorbeeld, nanodeeltjes van edelmetalen zoals goud of zilver vertonen plasmonen, die in staat zijn om licht op een zeer specifieke manier te absorberen of te reflecteren. Deze eigenschap wordt gebruikt in toepassingen zoals biosensoren, waar het gedrag van het licht kan worden gemeten om de aanwezigheid van bepaalde stoffen in een monster te bepalen. De snelheid van chemische reacties kan ook aanzienlijk worden verhoogd door het gebruik van nanomaterialen, wat leidt tot efficiëntere processen in de chemische industrie.

Daarnaast zijn nanomaterialen een sleutelcomponent in de ontwikkeling van nieuwe soorten displays, waaronder flexibele en opvouwbare schermen. Dit is mogelijk door de ontdekking van materialen die niet alleen licht uitzenden, maar ook kunnen worden aangepast in hun elektrische en optische eigenschappen. Dit heeft toepassingen in consumentenelektronica, maar ook in de medische technologie, waar displays bijvoorbeeld kunnen worden gebruikt voor draagbare gezondheidstoepassingen.

Een ander interessant aspect van nanomaterialen is hun potentieel voor gebruik in energieopslag en -omzetting. De recente vooruitgangen in de ontwikkeling van nanomaterialen voor batterijen en supercondensatoren kunnen leiden tot veel efficiëntere energieopslagmethoden, met toepassingen in zowel consumentenelektronica als elektrische voertuigen. Het vermogen van nanomaterialen om snel te reageren op elektrische ladingen maakt ze ideaal voor de ontwikkeling van krachtige en duurzame energieopslagsystemen.

Toch brengen de opkomst van nanomaterialen niet alleen voordelen met zich mee, maar ook uitdagingen. Er zijn zorgen over de veiligheid van nanomaterialen, zowel in termen van hun impact op het milieu als op de menselijke gezondheid. Aangezien nanodeeltjes extreem klein zijn, kunnen ze gemakkelijk in het lichaam of in het milieu terechtkomen, wat mogelijk schadelijke effecten kan hebben die nog niet volledig begrepen worden. Het is van essentieel belang dat verdere studies worden uitgevoerd om de risico's te begrijpen en maatregelen te nemen om deze risico's te minimaliseren.

Wat ook belangrijk is om te begrijpen, is dat de ontwikkeling van nanomaterialen niet slechts een technologische uitdaging is. Het is ook een multidisciplinaire taak die de samenwerking vereist tussen chemici, natuurkundigen, ingenieurs en biomedische wetenschappers. Innovaties op dit gebied vragen om diepgaande kennis van de interacties tussen materialen op atomair niveau en de toepassingen daarvan in de praktijk.

Wat zijn biologische vloeibare kristallen en waarom zijn ze belangrijk voor levende systemen?

Biologische vloeibare kristallen (BLC’s) spelen een cruciale rol in de biologie, omdat ze de eigenschappen van zowel ordening als mobiliteit combineren, wat essentieel is voor zelforganisatie en de vorming van structuren in levende systemen. Deze bijzondere materialen zijn het resultaat van de interactie tussen biomacromoleculen zoals DNA, eiwitten, polypeptiden, glycolipiden, biologische membranen en celmembranen, die vloeibare kristallijne structuren kunnen vormen zowel in vivo als in vitro. In de afgelopen decennia is er steeds meer aandacht besteed aan BLC’s, aangezien ze een breed scala aan fascinerende structurele, dynamische en mechanische eigenschappen vertonen die nog grotendeels onbegrepen zijn. Dit vakgebied combineert zachte gecondenseerde materie-fysica, biofysica en moleculaire biologie, met tal van onopgeloste vraagstukken en praktische toepassingen in technologieën zoals displays en sensoren.

Een ander interessant aspect van biologische vloeibare kristallen is de zelforganisatie die zij vertonen. Deze zelforganisatie resulteert in hiërarchische structuren die multifunctionele eigenschappen mogelijk maken. Vele biomacromoleculen vertonen vloeibare kristallijne structuren die, door hun geordende maar toch flexibele aard, tal van voordelen bieden. Zo worden biologische vloeibare kristallen gekarakteriseerd door efficiënte verpakking, oppervlakte-geleide zelfassemblage, lage viscositeit, sensor-actuatorcapaciteiten en mechanische sterkte. Dit maakt ze uitermate geschikt voor allerlei toepassingen, van diagnostische technologieën tot nieuwe vormen van sensor- en actuatormaterialen.

Een van de fascinerendste voorbeelden van BLC’s in de natuur is de rol van polypeptiden. Deze eiwitten vertonen vaak een α-helixconformatie wanneer opgelost in organische oplosmiddelen zoals dimethylformamide of chloroform. Deze ordening is noodzakelijk voor de vorming van vloeibare kristallen, die optreden door de rigiditeit en het geordende karakter van de polypeptideketens. Deze eiwitten zijn in staat om zelfassemblage te vertonen, wat leidt tot de vorming van complexe structuren die belangrijke biologische functies kunnen vervullen. Bovendien is het interessant dat de vloeibare kristalstructuur van polypeptiden werd ontdekt bij het bestuderen van de ordening van deze moleculen in hun natuurlijke omgeving.

Biologische vloeibare kristallen zijn dus niet alleen een wetenschappelijk curiosum, maar ook fundamenteel voor het begrijpen van de dynamiek en organisatie van levende systemen. De uitdagingen die gepaard gaan met het begrijpen van de structuren, het gedrag en de transities van biologische vloeibare kristallen, vormen de basis voor een breed scala aan onderzoeks- en toepassingsgebieden. Het begrijpen van deze materialen biedt diepgaande inzichten in de fundamentele processen van biologische systemen, zoals de zelforganisatie van cellen en de manier waarop biomoleculen interageren met hun omgeving.

Wat Zijn de Belangrijke Eigenschappen van de Chirale Smectische C Mesofase in Vloeibare Kristallen?

De vloeibare kristallen (FLC's) zijn tegenwoordig van bijzonder belang vanwege hun unieke structuur, eigenschappen en praktische toepassingen. Ze hebben zich bewezen in diverse technologieën, van displays tot sensoren en optische toepassingen. Een van de meest interessante en veelbelovende typen vloeibare kristallen is de chirale smectische C (Sm C*) mesofase. In dit gedeelte worden de eigenschappen van de Sm C* mesofase besproken, met een focus op thermodynamische en dielectrische eigenschappen, evenals de invloed van moleculaire structuur op de stabiliteit en functionaliteit van deze fase.

Thermo-Morfologische Eigenschappen

De term "mesomorfisme" verwijst naar de tussenfasen van vloeibare kristallen die een geordende structuur vertonen, maar niet volledig vast of vloeibaar zijn. De Sm C* mesofase is een van deze bijzondere fasen die zich kenmerkt door een moleculaire structuur met een helical (spiraalvormige) oriëntatie. De thermomorfologische eigenschappen van deze fase zijn sterk afhankelijk van de moleculaire samenstelling van de gebruikte mesogenen, de verbindingen die vloeibare kristallen vormen.

Een onderzoek door Chen et al. (44) toonde aan dat de toevoeging van fenylringen aan de moleculaire structuur van een mesogeen de thermische stabiliteit aanzienlijk verhoogde. Dit gebeurde door de moleculaire conjugatie te vergroten, wat leidde tot een striktere structuur en een verhoogde aspectverhouding. Dit verbeterde de stabiliteit van de Sm C* mesofase, waardoor de overgangstemperaturen van de mesogene stoffen met 30-36°C voor het smelten en 90-120°C voor het klaren verhoogden. Deze resultaten wijzen op de mogelijkheden van deze materialen in toepassingen die hoge thermische stabiliteit vereisen.

Nesrullajev en Bilgin-Eran (45) hebben verder de structuur en eigenschappen onderzocht van chirale salicylaldimine mesogenen, die opmerkelijke eigenschappen vertonen zoals hoge birefringentie, polariseerbaarheid, chirale kenmerken en fotochromisme. Deze eigenschappen bieden veel potentieel voor technologische toepassingen, bijvoorbeeld in optische switches en displays. Bij hogere temperaturen vertonen deze mesogenen complexe teksturen die zowel normale als verstoorde confocale formaties omvatten, waarbij de chirale aard van de moleculen de laagsgewijze structuur van de formaties beïnvloedt.

Dielectric Properties

De dielectrische eigenschappen van de Sm C* fase zijn van bijzonder belang vanwege de invloed van elektrische velden op de oriëntatie van de moleculen en hun dipolen. Bij lage frequenties worden de dielectrische eigenschappen gedomineerd door de Goldstone-modus (GM) en de zachte modus (SM), die respectievelijk te maken hebben met de fluctuaties van de moleculen in de richting van de azimutale hoek en de fluctuaties langs de tilthoek. De GM is gerelateerd aan de veranderingen in de richting van de polarisatie en wordt vaak gemeten bij temperaturen dicht bij de Sm C*–Sm A* faseovergang.

Onder invloed van een elektrisch veld verandert de richting van de spontane polarisatie (Ps), wat leidt tot een torque die de helical structuur van de Sm C* fase vervormt. Dit veroorzaakt een niet-nul netpolarisatie in de richting van het veld, wat essentieel is voor de dielectrische eigenschappen van de fase. De dielectrische sterkte van de GM-modus kan enkele honderden bereiken, met een relaxatiefrequentie die typisch rond de 1 kHz ligt. De Landau-fenomenologische modellen voorspellen de afhankelijkheid van de dielectrische sterkte van de polarisatie en de helixstructuur van de fase, wat belangrijke implicaties heeft voor de ontwerp van materialen die gevoelig zijn voor elektrische velden, zoals in displays en sensoren.

Kaspar et al. (49) onderzochten de dielectrische eigenschappen van nieuwe series FLC's met meerdere asymmetrische koolstofatomen in twee lactanengroepen. Deze verbindingen vertoonden opmerkelijke dielectrische veranderingen bij de Sm C* overgang, wat wijst op een significante bijdrage van de zachte modus (SM) in de nabijheid van de Sm C*–Sm A* overgang. Dit soort eigenschappen is van groot belang voor de ontwikkeling van sensoren en andere elektronische toepassingen waarbij snelle en efficiënte responsen op elektrische velden vereist zijn.

Belangrijke Aspecten voor de Lezer

De stabiliteit en dielectrische eigenschappen van de Sm C* mesofase zijn cruciaal voor het ontwerp van materialen die gebruikmaken van vloeibare kristallen in geavanceerde technologieën. De invloed van moleculaire structuur, zoals de lengte van alkylketens en de aanwezigheid van fenyl- of pyridylgroepen, kan de stabiliteit van de mesofase aanzienlijk verhogen en haar thermische en elektrische eigenschappen verbeteren. Bij het ontwerp van vloeibare kristallen voor specifieke toepassingen moeten deze moleculaire aanpassingen zorgvuldig worden overwogen, afhankelijk van de vereiste operationele temperaturen en elektrische respons.

Wat zijn de typische voorbeelden van waargenomen re-invoegende faseovergangen in vloeibare kristallen van moleculen met schijfvormige en gebogen-kernstructuren?

De esterverbinding werd gesynthetiseerd door Novotna et al. [69]. Het fasediagram voor de volledige homologereeks wordt weergegeven in figuur 5.7. In dit fasediagram is te zien dat alle verbindingen de N*-TGBA-Sm A* fasevolgorde vertonen. Voor mesogenen met n > 7 komt er tijdens de afkoelingscyclus een blauwe fase (BP) voor. Echter, in de verbinding 8ZBL verschijnen zowel de BP- als TGBA-fases in een zeer smalle temperatuurbereik, maar de Sm A* fase blijft bestaan tot 120 °C. De Sm C* fase komt voor in de verbindingen 9ZBL en 10ZBL. Bij materiaal 9ZBL, tijdens afkoeling, verschijnt er onder de Sm C* fase een andere smectische fase die wordt aangeduid als Sm fase. De overgang van Sm C* naar Sm fase wordt theoretisch beschreven door Novotna et al. [70]. De overgangstemperaturen werden verkregen door microscopische observaties, aangezien de overgang tussen Sm A*-Sm C*-Sm niet duidelijk herkenbaar was in calorimetrische metingen.

De binaire mengsel van dezelfde verbinding nZBNL werd in detail onderzocht door Podoliak et al. [52]. De fasediagrammen van twee mengsels 9ZBL + 10ZBL (tabel 5.2k) en 9ZBL + 8ZBL worden weergegeven in figuur 5.8. Bij het binaire mengsel 9ZBL + 10ZBL is te zien dat de re-invoegende Sm A* fase bij alle onderzochte concentraties voorkomt, terwijl in het geval van het binaire mengsel 9ZBL + 8ZBL, vanwege de aanwezigheid van een zeer klein aantal 8ZBL (tot 0,5 mol%), de Sm C* fase verdwijnt.

Govindaiah et al. [27] ontdekten dat het multi-componenten mengsel 10OBAC (p-n-Decyloxybenzoic acid) + 7AB7 (4,4′-di-n-heptyl-azobenzene) + CN (cholesteryl nanoate) tijdens afkoeling de fasevolgorde vertoont: Sm A- Sm C-Sm AR-Sm C*-Sm E. Door gebruik te maken van microscopische technieken en optische anisotropie, werd het gedrag van het binaire mengsel CN + 6CHBT (4-(trans-4′-hexylcyclohexyl) isothiocyanatobenzenes) bestudeerd door Govindaiah [54], waarbij de volgende fasevolgorde werd waargenomen: -Sm A-Sm C-Sm AR-Sm B.

Er zijn verschillende typische voorbeelden van re-invoegende faseovergangen in vloeibare kristallen van schijfvormige moleculen. Destrade et al. [75] waren de eersten die in 1979 de aanwezigheid van een ND-fase bij lagere temperaturen dan een hoogviskeuze kolomfase beschreven in schijfvormige mesogenen. Gebaseerd op optische texturen verkregen in de mesogeen C14HATX-derivaten (tabel 5.4b), observeerden Tinh et al. [16] de fasevolgorde: IL-Colh-Colr-ND-ColhR-ColrR-. In dit geval werden twee re-invoegende kolomfasen ColhR en ColrR aangetroffen. Ook in truxene hexaalkanoaten werd de fasevolgorde IL-Colh-Colr-ND-Cr waargenomen, wat suggereert dat de discotische nematische fase een re-invoegende fase is (NDR). Destrade et al. [71] toonden aan dat C12OHBTX (2,3,7,8,12,13-hexa (4-n-dodecyloxybenzoyloxy) truxenes) twee re-invoegende fasen vertoont: IL ↔ ND ↔ Colrd ↔ ND ↔ Colrd ← Cr, terwijl het binaire mengsel C13COOTX (87%) met 13% C12OHBTX een re-invoegende isotrope fase vertoont: Cr → ND ↔ ILR ↔ Colho ↔ IL.

Er zijn ook voorbeelden van re-invoegende faseovergangen in gebogen-kern vloeibare kristallen. Een salicylaldimine-gebaseerde asymmetrische dimer DL-7 (tabel 5.4e) werd gevormd door cyanobifenyl- en chiraal salicylaldimine-mesogenen te koppelen via een hepta-methyleenverbinding door Yelamaggad et al. [76]. Ze observeerden de fasevolgorde: -BPIII-BPI/II-N*-TGB-(Sm A-Sm Ab-Sm AR)-Cr. De vorming van de Sm AR-fase werd toegeschreven aan de dipolaire en sterische factoren.

Belangrijk is te begrijpen dat re-invoegende fasen vaak voorkomen wanneer de fasetransities van vloeibare kristallen niet lineair zijn, maar zich omkeren bij veranderende condities, zoals temperatuur of mengverhoudingen. Dit biedt de mogelijkheid om in bepaalde toepassingen vloeibare kristallen te gebruiken die zich kunnen aanpassen aan externe invloeden, bijvoorbeeld in optische technologieën of displays. Verder is het belangrijk te weten dat deze fasen, hoewel ze vaak een schijnbaar complex gedrag vertonen, in veel gevallen een voorspelbare periodiciteit hebben die kan worden gemanipuleerd door moleculaire modificatie.

Wat zijn Singulaire Defecten in Vloeibare Kristallen en Hoe Beïnvloeden Ze de Faseovergangen?

Singulaire defecten spelen een cruciale rol in de structuur en het gedrag van vloeibare kristallen (LC) en kunnen leiden tot unieke optische en mechanische eigenschappen in de verschillende fasen van deze materialen. In de context van vloeibare kristallen worden singulaire defecten vaak geclassificeerd op basis van hun oriëntatie en de eigenschappen van de moleculen rondom de singulariteit.

Naast de klassieke singulariteiten zijn er verschillende soorten dislocaties die specifiek zijn voor vloeibare kristallen. De twee hoofdtypen dislocaties in deze fasen zijn de randdislocatie en de schroefdislocatie. Een randdislocatie ontstaat wanneer een extra halvlak van atomen of moleculen in een kristal wordt ingevoegd. Dit type dislocatie komt vaak voor in vloeibare kristallen van smectische mesofasen, waar een gelaagde ordening van moleculen aanwezig is. In het geval van de schroefdislocatie worden de moleculen in de mesofase gedraaid, wat resulteert in een defect dat zichtbaar kan zijn onder een microscoop. Dit type defect is belangrijk voor de identificatie van faseovergangen en kan in bepaalde gevallen stabiliteit aan de mesofase op microscopische schaal bieden.

Focaal-conische defecten zijn typische structuren die zich voordoen in smectische fasen met een gelaagde structuur. Deze defecten ontstaan wanneer een gelaagde structuur tussen twee oppervlakken wordt ondersteund, waardoor de moleculen een fanachtige rangschikking aannemen rondom een nucleatiepunt. De lagen moeten zich buigen rond dit punt, wat leidt tot een karakteristieke textuur. Wanneer naburige nucleatiecentra groeien en samensmelten, ontstaat er een optische discontinuïteit, wat zichtbaar wordt als een donkere lijn tussen de gekruiste polarisatoren. Dit defect is bijzonder nuttig om de eigenschappen van de mesofase te analyseren.

Naast de focaal-conische defecten zijn er parabolische defecten die vaak te zien zijn bij smectische fasen. Deze defecten ontstaan als gevolg van lokale spanningen in de structuur, waarbij parabolische lijnen elkaar kruisen. Parabolische defecten kunnen ook geassocieerd worden met faseovergangen, zoals bij de overgang van de Sm A- naar de Sm B-fase, waar ze fungeren als indicatoren voor veranderingen in de mesostructuur.

Polygonaal-geordende defecten komen voor wanneer de focaal-conische domeinen niet volledig zijn gevormd. In dit geval ontbreekt één borstel van de hyperbool, waardoor de domeinen een conische vorm aannemen. Dit leidt tot een zeer efficiënte verpakking van de halfdomeinen in een polygonale structuur. Dit type defect is typisch voor dikkere monsters en kan interessante optische verschijnselen veroorzaken, zoals elliptische doorsneden die zichtbaar zijn onder een polarisatiemicroscoop.

Ten slotte zijn er zigzag-defecten die vaak optreden in vloeibare kristallen met geconfigureerde geometrieën, zoals FLC-cellen met een zogenaamde "boekenplankgeometrie". Deze defecten komen voor in twee hoofdtypen: de haarspeldtype en de bliksemschichttype. Beide typen vertonen scherpe bochten waarbij de kleur verandert van helder naar donker, wat een belangrijke eigenschap is voor het bestuderen van defecten en faseovergangen in deze materialen.

De complexiteit van deze defecten vereist een grondige kennis van de fasen waarin ze zich voordoen en de specifieke eigenschappen van de moleculen die ze omgeven. Vloeibare kristallen vertonen een breed scala aan optische en mechanische eigenschappen die direct gerelateerd zijn aan de aanwezigheid en interactie van deze defecten. Een diepgaand begrip van hoe deze defecten de structuur van de mesofasen beïnvloeden, is essentieel voor toepassingen in optische technologie, zoals displays en fotonische apparaten.