De interactie tussen licht en chiraal nematisch vloeibare kristallen (N*LC's) leidt tot verschillende fenomenen die hun optische eigenschappen beïnvloeden. Deze effecten, die zowel lineaire als niet-lineaire aard kunnen hebben, kunnen in sommige gevallen sterk worden gemanipuleerd door de lichtintensiteit en de aard van de gebruikte materialen.

In de eerste plaats kan de interactie van licht met deze vloeibare kristallen resulteren in veranderingen in de moleculaire configuratie, de moleculaire interacties en zelfs in lokale herschikking of fotogeïnduceerde ladingsvorming. Deze processen kunnen van invloed zijn op de optische eigenschappen, waaronder de brekingsindex en de selectieve reflectie van circulair gepolariseerd licht, wat een van de meest kenmerkende eigenschappen van NLC's is. De relatie tussen de golflengte van het licht en de pitchlengte van de N-fase is bijvoorbeeld direct verbonden met de brekingsindex (λ = np). Dit betekent dat wanneer de pitchlengte van de N* fase zich in het bereik van zichtbaar licht bevindt, het materiaal gekleurd kan verschijnen.

Bij lage lichtintensiteit kunnen de veranderingen die optreden voornamelijk te maken hebben met moleculaire herstructurering of heroriëntatie van de moleculen. Dit gebeurt vaak zonder een aanzienlijke verandering in de algemene oriëntatie van het directorveld. Aan de andere kant, bij hoge lichtintensiteiten, kunnen niet-lineaire optische effecten optreden, zoals zelffocusering, degeneratieve viergolfmengingen, optisch geïnduceerde bifringentie, optische bistabiliteit en schakeling. Deze effecten kunnen een breed scala aan toepassingen mogelijk maken, van optische schakelaars tot systemen voor beeldvorming of displays.

Naast deze fundamentele veranderingen zijn er fotogeïnduceerde effecten die specifiek worden waargenomen in de chiraal nematische fase van vloeibare kristallen. Er zijn bijvoorbeeld materialen die zowel absorberend als niet-absorberend zijn voor licht, wat betekent dat ze verschillende reacties kunnen vertonen afhankelijk van het type lichtveld waaraan ze worden blootgesteld. In sommige gevallen kan er een omkering van de draairichting van het chiraal veld plaatsvinden, afhankelijk van de gebruikte fotochromische verbindingen.

Een van de meest interessante toepassingen van deze eigenschappen is het gebruik van foto-responsieve dopanten, zoals die op basis van azobenzene, die kunnen worden gebruikt om de pitch van de N*LC dynamisch te moduleren. Deze azobenzene-verbindingen vertonen fotochemische reacties waarbij ze van vorm veranderen onder invloed van licht, van een kalamietvormige structuur naar een gebogen cis-vorm. Dit biedt de mogelijkheid om de eigenschappen van de vloeibare kristallen in real-time te sturen en te optimaliseren voor specifieke toepassingen.

Bijvoorbeeld, in de afgelopen decennia is er aanzienlijke vooruitgang geboekt in het gebruik van foto-responsieve N*LC’s die werden vervaardigd door chiraal foto-responsieve dopanten te gebruiken. Dit stelt onderzoekers in staat om dynamische aanpassingen van de eigenschappen van de vloeibare kristallen mogelijk te maken. Door de manier waarop licht interageert met deze materialen te begrijpen, kunnen we niet alleen de optische eigenschappen nauwkeurig afstemmen, maar ook nieuwe mogelijkheden creëren voor hun toepassing in fotonische en optische systemen.

Wat is belangrijk voor de lezer om te begrijpen?

Het is belangrijk te begrijpen dat de effecten van licht op chiraal nematische vloeibare kristallen niet alleen afhangt van de intensiteit van het licht, maar ook van de specifieke aard van de gebruikte materialen en hun moleculaire structuur. Bij lage intensiteiten zijn de effecten vaak subtiel, zoals veranderingen in moleculaire oriëntatie, terwijl bij hoge intensiteiten de niet-lineaire optische effecten zoals optische schakelaars en bifringentie een grotere rol spelen. De mogelijkheid om de pitch van N*LC's te moduleren en om de eigenschappen van het materiaal te tunen met behulp van licht biedt enorme potentiële toepassingen in zowel wetenschappelijke als industriële velden, zoals in displays, optische netwerken en telecommunicatie.

Hoe Structuren van Celwanden, Collageen en Chitine de Mechanische Eigenschappen van Organismen Beïnvloeden

De structuur van de celwand in planten speelt een cruciale rol in het ondersteunen van hun mechanische integriteit en in de interactie met hun omgeving. De primaire celwand bestaat uit cellulose-microfibrillen die zijn opgebouwd uit ongeveer 36 waterstofgebonden ketens, waarvan elke keten tussen de 500 en 14.000 glucose-eenheden bevat. Wanneer de groei van de cel stopt, worden er drie secundaire wandlagen gevormd die een versterkend effect hebben. De centrale laag, de zogenaamde S2-laag, vormt ongeveer 80-90% van het volume van de celwand en is veel dikker en sterker dan de primaire wand. Het vermogen van de microfibrillen om zelf te assemblen in verschillende patronen—zoals axiaal, transversaal, kruisgewijs, helicoïdaal—maakt de plantwand extreem resistent tegen omgevingsstress, dankzij de chiral-nematicale structuur die hierin wordt gevormd. Deze bijzondere organisatie is belangrijk voor de weerstand tegen vervorming en biedt bescherming tegen verschillende externe invloeden, zoals wind of druk. Het vermogen van de cellulose om te draaien en te vouwen binnen de celwand verklaart veel van de robuustheid van planten in diverse omgevingen.

Collageen is een ander belangrijk biomateriaal, dit keer in dieren, waar het de structuur en sterkte van weefsels zoals huid, bot, pezen en het hoornvlies bepaalt. Collageen bestaat uit drie polypeptideketens die zich winden tot een tripeptidehelix van 1,5 nm in diameter en 300 nm in lengte. Deze macromoleculen vormen een netwerk van fibrillen die essentieel zijn voor de mechanische sterkte en vorm van weefsels. Het type 1 collageen speelt een sleutelrol in de morfogenese van bindweefsel en beïnvloedt de groei van cellen. In vivo wordt collageen georganiseerd via enzymatische processen, terwijl het in laboratoriumomstandigheden kan worden gedwongen zich te organiseren door de pH te verhogen. Het natuurlijke, geordende patroon van collageen heeft niet alleen invloed op de structuur van weefsels, maar ook op de wijze waarop ze reageren op mechanische krachten, wat essentieel is voor de integriteit van botten en pezen.

In de dierlijke wereld is chitine, het tweede meest voorkomende biopolymeer na cellulose, verantwoordelijk voor de sterkte van de exoskeletten van verschillende geleedpotigen zoals insecten, schaaldieren en spinachtigen. Chitine wordt vaak geassocieerd met een complex en gegradeerd mechanisch gedrag. In organismen zoals de Amerikaanse kreeft speelt de N* structuur een belangrijke rol in de mechanische eigenschappen van het exoskelet, met name bij de weerstand tegen trekbelasting in de lengterichting en de breuk van het exocuticula aan de endocuticula interface. Deze exoskeletten vertonen een anisotrope structuur, wat betekent dat hun eigenschappen variëren afhankelijk van de richting waarin ze worden belast. De visuele effecten van chitine in de insectenwereld zijn eveneens opmerkelijk; de iriserende kleuren die sommige insecten vertonen, worden veroorzaakt door de chiral-nematicale structuur van het chitine in hun exoskelet. Dit reflecteert licht op een manier die bijdraagt aan hun unieke visuele verschijning, een aspect dat ook wordt beïnvloed door andere componenten zoals uraatzuur, dat de reflectiviteit kan verhogen.

De veelzijdigheid van de structuren die cellulose, collageen en chitine vormen in de biologie van verschillende organismen is duidelijk een sleutel tot hun aanpassingsvermogen en overleving in diverse omgevingen. Deze materialen zijn niet alleen belangrijk voor de mechanische integriteit, maar ook voor de functionele diversiteit van organismen. Zo bepaalt de wijze waarop collageen zich organiseert in botten niet alleen de sterkte maar ook de vorm, wat essentieel is voor de beweging van gewrichten. In de plantencelwanden zorgt de geordende structuur van cellulose voor een dynamische, flexibele bescherming die planten in staat stelt om om te gaan met diverse omgevingsstressfactoren.

Naast de structurele aspecten van cellulose, collageen en chitine is het belangrijk om te begrijpen hoe de organisatie van deze moleculen en hun interactie met andere biomoleculen zoals proteoglycanen en andere polysachariden de algehele prestaties van weefsels en structuren beïnvloeden. Het vermogen van collageen om zijn structuur te veranderen onder invloed van externe krachten of biochemische signalen speelt bijvoorbeeld een fundamentele rol in het herstel van weefsels en de reactie van het lichaam op schade. Evenzo kunnen de iriserende effecten van chitine niet alleen esthetische waarde hebben, maar ook functionele implicaties voor communicatie, camouflage of bescherming in de natuur.

Wat zijn de optische structuren en defecten in chiraal nematisch en blauwe fasen in vloeibare kristallen?

De eigenschappen van vloeibare kristallen worden sterk beïnvloed door externe factoren zoals elektrische velden en de materiaaleigenschappen van de omgeving. Dit is met name het geval voor chiraal nematische (N*) druppels die in polymeren zijn gedispergeerd, die gedetailleerd worden bestudeerd in termen van optische texturen en oriëntatiestructuren. De aanwezigheid van een elektrisch veld beïnvloedt de oriëntatie van de moleculen in de N* druppels, afhankelijk van de handigheid van de dielectrische anisotropie, de initiële oriëntatiestructuur en de oriëntatie van de symmetrieas ten opzichte van het veld. Onder conische randomstandigheden is het gedrag van deze structuren onderzocht, waarbij specifiek werd gekeken naar de effecten van chirale additieven zoals cholesteryl acetaat, gedispergeerd in een mengsel van nematisch vloeibaar kristal en polymeren zoals PiBMA.

Onder conische randomstandigheden en met een chirale parameter N0 ≤ 2.9 vormen de N* druppels een axiaal-bipolaire configuratie die axiaal getwist is. Het twist-hoekgedrag van de director in de equatoriale vlak van de druppels werd gemeten met behulp van een roterende polarisator en analyzer. Bij verschillende waarden van N0, zoals 2.2, 2.5 en 2.9, werd een twist-hoek van respectievelijk 130°±5°, 160°±5° en 180°±5° waargenomen. Bij hogere waarden van de chirale parameter, zoals N0 ≥ 3.95, werd een laagachtige structuur waargenomen, met een lichte vervorming van de chiraal nematische lagen en een gedraaide defectlus aan het oppervlak van de druppels. Deze structuren vertonen een gedraaide helix die zich verder ontwikkelt in de laagachtige structuur.

In de blauwe fasen (BPs) van vloeibare kristallen, die bekend staan om hun opvallende defectpatronen, is het aantal defecten en hun organisatieniveau essentieel voor de vorming en stabiliteit van de fase. De defecten in BP I en BP II komen voor op de plaatsen waar de verschillende directors van de draaiende cilinders elkaar ontmoeten, aangezien de BPs vaak uit "cilinders van dubbele draaiing" bestaan, in tegenstelling tot de N* fase die als een "enkele draaiing" wordt beschouwd. De texturen van de blauwe fasen komen overeen met de kubieke opstelling van defecten. De BPs vertonen een plaatstructuur onder de polarisatiemicroscoop (POM), waarbij BP I een gestreepte textuur vertoont in blauwe, rode en groene tinten, en BP II meestal een helderdere blauwe textuur heeft.

Wanneer de blauwe fasen zich in druppels bevinden, worden naast BP I en BP II verschillende nieuwe morfologieën waargenomen, afhankelijk van de chiraliteit van het medium en de aard van de oppervlakverankering. Dit zorgt voor een toenemende complexiteit van de texturen die zich vormen wanneer de blauwe fasen in microscopische druppels worden beperkt. Onder speciale omstandigheden kunnen blauwe fasen worden georganiseerd in monokristallijne fotonische kristallen door snelle zelfassemblage, waarbij een uniforme BP-structuur met een kubieke symmetrie ontstaat. Deze kristallen zijn opmerkelijk stabiel en kunnen worden bevestigd door polymerisatie, waarbij zowel optische methoden als transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) worden gebruikt om de kristalstructuur te onderzoeken.

Bij BP I werd ook het defect-gedreven reologisch gedrag onderzocht, wat nuttige inzichten biedt in de visco-elastische eigenschappen van de fase. Tijdens experimenten waarbij de temperatuur werd verlaagd, werden de BPs zichtbaar door het nucleatieproces van geordende structuren, waarbij de grootte van de geordende gebieden toenam naarmate de temperatuur daalde. Deze geordende domeinen kunnen samensmelten en zich over het hele monstergebied verspreiden, wat typisch is voor de BP I en BP II fasen.

Voor de lezer is het essentieel te begrijpen dat de fasen van vloeibare kristallen die hier besproken worden, sterk afhankelijk zijn van zowel de interne moleculaire structuren als de externe invloeden zoals temperatuur, elektrische velden en oppervlaktebehandelingen. De complexiteit van de defectstructuren in de blauwe fasen, evenals hun gedrag onder verschillende condities, biedt belangrijke inzichten voor toepassingen in optische technologieën en geavanceerde materialen. Vooral het gedrag van defecten in blauwe fasen kan invloed hebben op de werking van apparaten zoals displaytechnologie en optische switches. De thermodynamica en stabiliteit van deze fasen worden cruciaal voor de ontwikkeling van nieuwe toepassingen in de vloeibare kristaltechnologie.

Wat zijn de kenmerken van de NTB-fase en intercalated smectische fasen in vloeibare kristallen?

De recente onderzoeken naar vloeibare kristallen (LC) dimeren en dimesogenen hebben veel aandacht getrokken, vooral vanwege hun neiging om de NTB-fasen te vertonen. Hoewel de karakteristieke eigenschappen die verantwoordelijk zijn voor de vorming van de NTB-fase gedeeltelijk begrepen worden, blijft het verband tussen de structuur en de eigenschappen van de intercalated smectische fasen die uit de NTB-fase ontstaan, nog onbekend. Recentelijk hebben Pocock et al. aangetoond dat door de juiste selectie van mesogene eenheden met verschillende polariteiten en verhoudingen van lengte en breedte, gecombineerd met een gebogen centrale spacer, een mesogene verbinding gesynthetiseerd kan worden die zowel NTB- als intercalated smectische fasen vertoont.

Door een cyanobifenylen-eenheid in een eenvoudige dimer (CB80CB) te vervangen door een 3,4,5-trifluoroterfenyleenheid (FFFT), werd een nieuwe verbinding, LC dimer CB80FFFT, gecreëerd. De verschillende afmetingen van de twee mesogene eenheden (CB ≈ 9,7 Å en FFFT ≈ 12,8 Å) lijken verantwoordelijk te zijn voor de segregatie die leidt tot de vorming van intercalated smectische fasen uit de NTB-fase. De overgangstemperaturen van CB80FFFT werden bepaald door polarisatie-optische microscopie (POM) en differentiële scan calorimetrie (DSC), waarbij de volgende fasevolgorde werd waargenomen: Cr 86°C → Sm CA 93,4°C → NTB 95,3°C → N 145,4°C → IL.

In de teksturen die werden waargenomen bij verschillende temperaturen, vertoonde de verbinding een rijke variëteit aan defecten en texturen. Een "rope texture" van de NTB-fase werd gezien bij 94,5°C, terwijl parabolische defecten van de Sm CA-fase zichtbaar waren bij 92°C. Bij langzame afkoeling (0,1°C/min) was een overgangsfront zichtbaar tussen de NTB- en Sm CA-fasen, waarbij een significante verandering in de birefringentie werd waargenomen bij 93,3°C. Dit toont aan hoe de texturen en defecten evolueren naarmate de temperatuur verandert, wat belangrijk is voor de begrip van de fasetransities en de optische eigenschappen van deze verbindingen.

De studie van defecten en texturen in vloeibare kristallen met schijfachtige moleculen is eveneens belangrijk. De vloeibare kristallen die door schijfachtige moleculen worden gevormd, vertonen vaak twee soorten mesofasen: discotische nematische (ND) en kolomvormige (Col.) fasen. De ND-fase vertoont een karakteristieke schlieren-textuur, die ook zichtbaar is in bulkmonsters en dunne films. Dit wordt vooral duidelijk in het geval van de mesogeen C8OBT, die een fasesequentie vertoont van Cr 150°C → ND 167°C → IL 238°C. Het gedrag van defecten in deze fasen werd onderzocht met behulp van zelf-geassembleerde monolagen (SAM’s), waarbij werd geconstateerd dat de texturen afhankelijk zijn van de gebruikte substraten. Bij gebruik van een C4C16 SAM werd een groter gebied van planare uitlijning waargenomen, wat suggereert dat dit substraat de vorming van defecten vermindert en grotere domeinen bevordert.

Verder werd de rol van de moleculaire structuur, zoals de lengte van de alifatische zijketens in dibenzotetraaza[14]annulene (DBTAA), onderzocht. Terwijl kortere ketens geen ND-fase vertoonden, vertoonde het langste homologe mesogeen (n=11) een goed gedefinieerde schlieren-textuur, die typisch is voor de nematische fase. Dit toont aan hoe de moleculaire structuur de fasetransities kan beïnvloeden, van de isotropische naar de nematische fase, en de stabiliteit van deze fasen bij verschillende temperaturen.

Wanneer C8OBT-films op verschillende substraten zoals goud en C16 SAM werden aangebracht, werden verschillende defecten waargenomen. Op een gouden oppervlak vertoonde de kolomvormige fase een polydomeintextuur, terwijl op een C16 SAM een fan-vormige textuur werd waargenomen. Dit wijst op het effect van het substraat op de alignering van de mesogenen en de daaropvolgende vorming van defecten. Het gebruik van een C4C16 SAM resulteerde in een breder gebied van planare uitlijning en minder defecten, wat de invloed van het substraat op de optische eigenschappen van deze verbindingen verder benadrukt.

Bij het bestuderen van vloeibare kristallen die door schijfachtige moleculen worden gevormd, is het essentieel om niet alleen de typische fasetransities en texturen te begrijpen, maar ook de invloed van de moleculaire structuur en de omgevingsomstandigheden (zoals temperatuur en substraten) op de defecten en fasen. Dit kennisgebied is cruciaal voor het ontwikkelen van nieuwe materialen met specifieke optische en elektronische eigenschappen die in verschillende technologische toepassingen kunnen worden gebruikt.

Hoe Donald Trump Nicknamen Gebruikt: Taal als Strategie in Politiek
Wat is de Kriticiteit Vergelijking van een Reactor Gebaseerd op de Leeftijdstheorie?
Hoe creëer je een perfecte risotto met een rijke smaak en textuur?