De neiging van bent-core vloeibare kristallen (BCLC's) om sterke polarisaties te vertonen in hun smectische fasen is goed gedocumenteerd, vooral in de SmC- en SmA-fasen. Deze fasen worden gekarakteriseerd door een specifieke georiënteerde ordening van de moleculen, waarbij de tilting en de polarisatie van de moleculen op verschillende manieren met elkaar in wisselwerking staan. Dit heeft een significant effect op de optische en elektrische eigenschappen van de vloeibare kristallen. De SmC- en SmA-fasen van BCLC's zijn bijvoorbeeld vaak gevoelig voor externe elektrische velden, waardoor ze van fase kunnen veranderen tussen antiferroëlectrische (AFE) en ferroëlectrische (FE) toestanden, afhankelijk van de richting en sterkte van het veld.

De orthogonale SmAP-fase, een bijzondere en zeldzame fase, wordt voornamelijk gevormd wanneer de moleculen zodanig zijn geconfigureerd dat hun mesogene groepen, de centrale fenylringen, kleine sterische substituenten vertonen. Dit zorgt ervoor dat de moleculen een strikte ordening krijgen, die resulteert in een orthogonale oriëntatie van de moleculen ten opzichte van de laagnormen, en daarmee de specifieke kenmerken van de superparaelectriciteit. De vorming van ferroëlectrische bent-core vloeibare kristallen wordt vaak bevoordeeld wanneer de aangrenzende lagen goed van elkaar worden gescheiden door modificaties van de terminale groepen van de moleculen.

Bijvoorbeeld, de SmCP-fase vertoont een sterke moleculaire polarizatie, met een laag gemiddelde laagafstand en een voorkeur voor een antiferroelectrische ordening. Deze ordening wordt vaak beïnvloed door dipool-interacties tussen de moleculen. Wanneer een elektrisch veld wordt aangelegd (meestal boven de 3-5 V µm−1), kan de AFE-toestand worden omgezet in een FE-toestand. Het karakter van deze overgang hangt sterk af van de specifieke structuur van de moleculen, evenals van hun interactie met het omringende elektrische veld.

De gemodificeerde smectische fasen, zoals SmCAPA, vertonen een optische activiteit en isotropie, wat een belangrijk kenmerk is van bepaalde bent-core vloeibare kristallen. Dit komt doordat de moleculen, ondanks hun sterke interne interacties, in staat zijn om de optische eigenschappen te beïnvloeden door een specifieke structuur van de laagmodulatie, die leidt tot de vorming van optisch actieve fasen. De SmCAPA-fase, bijvoorbeeld, heeft een opening van de moleculen van ongeveer 109° en een kanteling van 45°, wat leidt tot een grote optische activiteit, zelfs bij een macroscopische kijk op de fasen.

Naast de directe optische effecten zijn er ook belangrijke structurele variaties die de fasen van BCLC's beïnvloeden. De plaatsing en de sterische eigenschappen van de terminale groepen kunnen de manier waarop de moleculen zich ordenen en de algehele stabiliteit van de fasen drastisch veranderen. In sommige gevallen worden de moleculen dusdanig geconfigureerd dat er onregelmatige patronen ontstaan, zoals in de “Dark Conglomerate” (DC) fase, waarin de moleculen een willekeurige structuur vertonen, maar toch optisch isotrop zijn. Dit fenomeen wordt verklaard door het effect van de macroscopische chirale aard van de fase, waarbij de moleculen spontaan een chiraliteit vertonen ondanks de interne willekeurigheid van hun structuur.

Bij het onderzoeken van BCLC's zijn de rol van de centrale eenheden en de terminale ketens van cruciaal belang voor het begrijpen van het gedrag van de mesofasen. Er is een direct verband tussen de grootte en vorm van de centrale eenheden van de moleculen en de stabiliteit van de specifieke mesofasen die zij kunnen vertonen. Bijvoorbeeld, de SmCSPA fase is typerend voor BCLC's met specifieke centrale eenheden, waarbij de symmetrie en de ruimtelijke ordening van de moleculen tot een specifieke mesofase leiden die optische activiteit vertoont en gevoelig is voor externe invloeden zoals elektrische velden.

De modulaire structuren van de smectische fasen, zoals de SmCmod en SmAPmod, wijzen op de complexiteit van de moleculaire interacties en hun rol in het moduleren van de optische en elektrische eigenschappen van de vloeibare kristallen. Het begrijpen van deze modulaties is essentieel voor het ontwerpen van nieuwe BCLC-materialen met specifieke eigenschappen, bijvoorbeeld voor toepassingen in displays of optische sensoren, waar de interactie met externe velden van groot belang is.

Naast de chemische en structurele eigenschappen van de moleculen zelf, is het belangrijk te begrijpen dat de fasen die zich vormen in BCLC's sterk afhankelijk zijn van de fysische omstandigheden waarin ze zich bevinden. Factoren zoals temperatuur, externe elektrische velden, en de aanwezigheid van andere stoffen kunnen allemaal de stabiliteit van verschillende fasen beïnvloeden. Dit maakt het ontwikkelen van BCLC-materialen voor praktische toepassingen zowel een uitdaging als een kans, waarbij inzicht in de fysische en chemische interacties tussen de moleculen van cruciaal belang is voor het behalen van de gewenste eigenschappen.

Hoe elastische eigenschappen van vloeibare kristallen de fasen beïnvloeden

De elastische eigenschappen van vloeibare kristallen vormen een essentieel onderdeel van hun mechanische gedrag, waarbij de vrije-energiestructuur een belangrijke rol speelt bij de beschrijving van de verschillende fasen. In dit hoofdstuk wordt ingegaan op de elastische vrije-energie van vloeibare kristallen, met nadruk op de verschillende fasen, zoals de nematische, smectische en chirale fasen, en hoe de vervormingen van de moleculaire structuur invloed hebben op hun mechanische eigenschappen.

De elasticiteitsconstanten spelen hierbij een cruciale rol. Deze constante waarden zijn geassocieerd met verschillende vervormingsmodi die optreden in de vloeibare kristallen. De vrije-energie van elastische vervorming wordt uitgedrukt in termen van de spanningen en de vervormingen die optreden door de bewegingen van de moleculaire oriëntaties. Dit kan worden beschreven door een set van vergelijkingen die de relatie vastleggen tussen de moleculaire velden en de veranderingen in de richting van de vloeibare kristalstructuur, zoals de vectoren â, b̂ en ĉ.

In de meeste gevallen kunnen deze elastische constante waarden worden vergeleken met de literatuur om de verschillende vormen van elastische energie tussen fasen te analyseren. Bijvoorbeeld, in de Smectic B hexatische fase (Sm Bhex), waarbij de symmetrie van de dichtheidsverdeling in de lagen zesvoudig is, speelt de rotatie van de structuren een belangrijke rol in het bepalen van de elastische eigenschappen. De energie die geassocieerd is met deze rotatie kan worden uitgedrukt in termen van de rotatiehoek Ωz, wat de invloed van de ruimtelijke oriëntatie van de moleculen weerspiegelt.

De chiraliteit van vloeibare kristallen introduceert nog een extra complexiteit. In de chiraal nematische fase (N*), waarbij de moleculen in een gedraaide structuur staan, worden termen zoals ∇ · n̂ en n̂ · ∇ × n̂ geïntroduceerd in de vrije-energievergelijking. Dit geeft aan dat de vervorming van de moleculaire structuur afhankelijk is van de draaiing van de moleculen rond de as van de kristallen. De vrije-energie voor deze fase kan worden uitgedrukt met behulp van de patronen van twist en de karakteristieke pitch, wat een belangrijke invloed heeft op de stabiliteit en de dynamiek van de vloeibare kristallen.

Voor chiraal smectische fasen, zoals Sm C* fase, wordt de elasticiteit verder beïnvloed door de aanwezigheid van polariserende vectoren die de moleculen langs een bepaalde as oriënteren. De elastische vrije-energie in deze fasen wordt beschreven door termen die verwijzen naar de interactie tussen de director vectoren en de elektrische polarisatievectoren, wat leidt tot de ontwikkeling van specifieke defecten in de structuur, afhankelijk van de mechanische belasting.

De toepassing van deze theorieën in de praktijk is van groot belang voor het begrijpen van de fysieke eigenschappen van vloeibare kristallen, vooral in technologieën zoals vloeibare kristal-schermen (LCD's), waar de manipulatie van de moleculaire oriëntatie van cruciaal belang is voor de prestatie van het apparaat. De elasticiteit bepaalt de reactietijd, de stabiliteit van de moleculaire structuur en zelfs de visuele kwaliteit van het scherm.

Naast de basiselementen van de elastische vrije-energie, moet de lezer ook begrijpen dat de invloed van de externe omstandigheden, zoals temperatuur en elektrische velden, aanzienlijke invloed kan hebben op het elastische gedrag van vloeibare kristallen. Veranderingen in temperatuur kunnen bijvoorbeeld de moleculaire beweging beïnvloeden en de fasetransities tussen verschillende fasen van vloeibare kristallen bevorderen. Evenzo kunnen externe elektrische velden de oriëntatie van de moleculen beïnvloeden, wat weer resulteert in veranderingen in de elastische eigenschappen van de kristallen.

De complexiteit van de elastische eigenschappen van vloeibare kristallen wordt verder vergroot door de interacties tussen verschillende fasen en de mogelijkheid van defecten binnen de structuur. Het is essentieel te realiseren dat defecten zoals dislocaties of topologische onregelmatigheden de elastische eigenschappen significant kunnen beïnvloeden. In sommige gevallen kan de aanwezigheid van deze defecten leiden tot onverwachte gedragingen of verschuivingen in de fasen, wat belangrijk is voor het ontwerp van toepassingen waarbij vloeibare kristallen onder verschillende fysieke en elektrische omstandigheden functioneren.

Wat zijn de eigenschappen van disc-vormige vloeibare kristallen en hoe worden ze uitgelijnd?

De uniaxiale uitlijning van de Col mesofase werd gerealiseerd door Mouthuy et al. door schijfvormige ftalocyanines te beperken in een netwerk van gekruiste nano-groeven. Ze stelden een uitlijningsmethode voor die een bidimensionaal netwerk van georiënteerde vloeibare kristallen (LC) van ftalocyanines (Pc) produceerde. De methode maakt gebruik van de anisotrope grensspanning van de schijfvormige kolommen door de geometrie van het sjabloon of de uitlijning van de kolommen in een specifieke richting te ontwerpen. Het molecuul dat voor de uitlijning werd gebruikt, was peritetra-gelsubstitueerd ftalocyanine (Fig. 7.17a), dat een Col mesofase vertoont bij kamertemperatuur en smelt boven de 450°C. Na het annealen vertonen dunne films van Pc een vlakke uitlijning van de kolommen (Fig. 7.17b). Wanneer Pc wordt geanneald tussen twee glasplaten, vertonen de kolommen een homeotropische uitlijning (Fig. 7.17c). Een interessant geval wordt getoond wanneer de Pc’s worden geïntroduceerd in open nano-groeven, waarbij vier interfaces in overweging moeten worden genomen (Fig. 7.17d).

Cattle et al. toonden aan dat een controle kan worden bereikt voor een reeks DSLC's door dunne open films te gebruiken die binnen microkanalen zijn beperkt, gemaakt van SU8-fotoresist op glas- of siliciumsubstraten. SU8 is een epoxy-substitueerde poly(methyleenfenyleen) die kruisverbindt onder UV-bestraling en relatief hydrofoob is. In het geval van ftalocyanines vertoonden de uitgelijnde monsters geen lichttransmissie wanneer de kanalen waren georiënteerd op 0° of 90° ten opzichte van gekruiste polarisatoren. Wanneer een vlakke uitlijning werd aangenomen, ligt de directeur meestal langs of over de kanalen. Waarschijnlijk richten ze zich over de kanalen omdat dit zorgt voor een homeotropische uitlijning met het oppervlak van de SU8 (Fig. 7.18).

De ND-fase is een vloeistof die schlierentexures vertoont, vergelijkbaar met die van de calamiteitische uniaxiale nematische (N) fase. In tegenstelling tot de calamiteitische N-fase is de ND-fase optisch negatief, wat betekent dat de directeur de voorkeuras van oriëntatie van de moleculaire korte as of de schijfnormale vertegenwoordigt. De ND-fase wordt door relatief weinig verbindingen getoond. In de lagere leden van de homologe serie vindt de overgang naar de ND-fase rechtstreeks vanuit het kristal plaats, terwijl in hogere leden van de serie dit gebeurt via een Col-fase.

Een ongebruikelijke fasevolgorde werd waargenomen in hexa-n-alkanoaten van truxeen. In het geval van hogere homologen werd in de afkoelingscyclus de fasevolgorde IL–Colh–Colr–ND–Colhre–Cr waargenomen, waarbij Colhre de herintredende Colh-fase is. De Freederickz-overgang in een vloeibare discotische (DF) mesofase gevonden in de hexa-heptyloxybenzoaat van triphenyleen (H70BT) werd onderzocht door Mourey et al., die verschillende eigenschappen zoals dubbelbreking, geleidbaarheden, dielectrische constanten, de splay-elastische constante (K1) en viscositeit maten. Het werd waargenomen dat de mesofase een lage negatieve dubbelbreking vertoonde, constant in een breed temperatuurbereik, een scherpe toename van de diëlektrische permittiviteit bij lage frequenties, een positieve geleidbaarheidsanisotropie, een continue afname van K1 in het gehele DF-temperatuurbereik en een hoge viscositeit in vergelijking met de N-fase.

De elasticiteitsmoduli in de ND-fase vertonen een significant verschil ten opzichte van de calamiteitische nematische fase, waarbij K1 groter is dan de buigelasticiteitsconstante K3. Deze eigenschap wordt ook waargenomen in nematische discogenen zoals DB126 en DB119. Bij het meten van de fasevolgordes, de permittiviteit, elastische constanten en dipoolmomenten van deze discogenen, werd gevonden dat de methylatie van de benzoaatgroepen de fasetransitietemperaturen naar meer toegankelijke niveaus verlaagde en dat de methylatie de eigenschappen aanzienlijk beïnvloedde.

De eigenschappen van de Colh-fase zorgen voor interessante toepassingen. Een belangrijke eigenschap is het transport van lading langs de individuele moleculaire stapels. Twee veel bestudeerde kolomdiscogenen zijn hexa-alkoxytriphenylenen (HATn) en ftalocyanines (Pc). HATn vertoont een zeer lage intrinsieke draagcarriercapaciteit vanwege de grote bandgap, terwijl Pc samen met porfyrines en metaal-porfyrines Col-mesofases vertoont met een nauwe bandgap. De belangrijkste eigenschappen van deze twee Col-discogenen worden vergeleken in de tabel hieronder.

De toepassingen van dergelijke materialen zijn veelbelovend voor verschillende technologieën, zoals elektronica en optische systemen. De lage bandgap van de ftalocyanines maakt ze bijvoorbeeld geschikt voor toepassingen waarbij ladingsdragers efficiënter moeten worden gegenereerd, wat cruciaal is voor organische elektronische apparaten zoals zonnecellen of lichtgevende diodes (LED's). Het transport van lading in de Col-mesofasen kan leiden tot verbeterde prestaties in deze technologieën, vooral wanneer de moleculaire oriëntatie goed wordt gecontroleerd.

Wat Is De Kracht Van Een Eclips?
Hoe Pointers Werken met Arrays en Functies in C
Hoe navigeren tussen uitersten van vertrouwen en scepsis in menselijke relaties?
Hoe Werken Hybride Luchtmotoren en Solar Aangedreven Auto's?