Wat Zijn de Elasticiteitskenmerken van Bent-Core Vloeibare Kristallen in de Nematische Fase?

De metingen van de elastische constanten van bent-core vloeibare kristallen (NBCLCs) in de nematische fase zijn bijzonder uitdagend vanwege de negatieve diëlektrische anisotropie en het hoge nematische temperatuurbereik. Als gevolg van de negatieve Δε (zie Tabel 10.19), neigen deze materialen ertoe om alleen in een homeotropische geometrie de Freedericksz-overgang te ondergaan, wat moeilijk te bereiken is bij BC-materialen. Daarom zijn er maar een beperkt aantal rapporten over de elastische eigenschappen van onbewerkte bent-core materialen. Er zijn echter verschillende studies uitgevoerd naar de elasticiteit van mengsels van bent-core en calamietische vloeibare kristallen (LCs), waarbij het doel was om het effect van moleculaire vormveranderingen op de elasticiteit van homologe series op basis van oxadiazole-, thiadiazole- en andere bent-core verbindingen beter te begrijpen.

In een recentere studie van ClPbis10BB werd een complementaire methode van dynamisch lichtverstrooiing gebruikt, samen met oriëntatievervorming geïnduceerd door elektrische en magnetische velden (d.w.z. Freedericksz-overgangen), om de elastische constanten in de nematische fase van BC-mesogeen te meten. Ze vonden K1 = 3,1 × 10^−12 N, K2 = 0,31 × 10^−12 N en K3 = 0,88 × 10^−12 N. De lage waarde van K3 werd toegeschreven aan het bestaan van cybotactische clusters.

De elastische eigenschappen van mengsels van NBCLCs en calamietische LCs werden verder onderzocht door Srigengan et al. De temperatuurafhankelijkheid van de elastische constanten K1, K2 en K3 in mengsels van NBCLC en calamietische NLCs werd bestudeerd. Ze bereidden mengsels van oxadiazole-gebaseerde en thiadiazole-gebaseerde BC-verbindingen (78 en 79) met drie calamietische nematen: 5CB, 8CB en ZLI1132. Het bleek dat de mengsels geen verschil vertoonden in de waarden van K1, die varieerden van 1,5 tot 6,5 pN, terwijl de waarden van K2 en K3 met respectievelijk ongeveer 30% en 20% afnamen in vergelijking met 5CB. Dit fenomeen kan worden toegeschreven aan de negatieve Δε van de BC-mesogenen.

Naast het onderzoek naar de temperatuurafhankelijkheid van de elastische constanten is het belangrijk te begrijpen hoe de moleculaire geometrie van bent-core verbindingen invloed heeft op hun mechanische eigenschappen. Het buigingsgedrag, dat wordt gekarakteriseerd door K3, heeft een cruciale rol in het gedrag van deze materialen in de nematische fase. De verwachte stijging van de buigconstante bij het verlagen van de temperatuur kan in verband worden gebracht met veranderingen in de moleculaire organisatie van de bent-core mesogenen, die aanleiding kunnen geven tot verschillende fasen van ordening en symmetrie binnen de vloeibare kristallen.

Bij mengsels van bent-core en calamietische vloeibare kristallen is het ook belangrijk om op te merken dat de temperatuurafhankelijkheid van de elasticiteit kan variëren afhankelijk van de specifieke combinatie van mesogenen. Dit benadrukt het belang van een gedetailleerde studie van mengselgedrag, aangezien de interacties tussen verschillende soorten mesogenen de mechanische eigenschappen en de faseovergangen kunnen beïnvloeden.

Hoe wordt de rotatieviscositeit van nematische vloeibare kristallen gemeten?

Bij het onderzoeken van fluctuaties in de oriëntatie van de moleculaire richting wordt het handig geacht om de verstoringen te decomposeren in twee onderling perpendicular componenten, oftewel modussen. De eerste modus, aangeduid als δn1, ontstaat uit een superpositie van buiging en spleetvervormingen, terwijl de tweede modus, δn2, een combinatie is van buiging en twistvervormingen. Deze decompositie is essentieel voor het begrijpen van de invloed van verschillende vervormingsmechanismen op de dynamica van de moleculaire oriëntatie.

De intensiteit van de lichtverstrooiing wordt bepaald door de relatie voor de verstrooiingsdoorsnede, waarbij de componenten van de verstrooiingsgolfvectoren worden geanalyseerd ten opzichte van de directeurrichting van het nematische materiaal. Deze analyse is gebaseerd op een mathematische voorstelling van de verstrooiingsfunctie die rekening houdt met de geometrische en fysische kenmerken van het systeem, zoals de Frank-elastische constanten en de verschillende componenten van de verstrooiingsgolven.

Wanneer de fluctuaties in de moleculaire oriëntatie worden geanalyseerd, kan de dynamiek van de verschillende fluctuerende modussen worden beschreven door overdrachtvergelijkingen die de evolutie van de deformatie over tijd weergeven. De relaxatietijd van deze fluctuaties wordt gekarakteriseerd door de verhouding tussen de effectieve viscositeit en de elastische constanten van het systeem. Het begrijpen van deze relaxatietijden is van groot belang voor het bepalen van de visco-elastische eigenschappen van nematische vloeibare kristallen.

Een belangrijke factor die de metingen beïnvloedt, is de afhankelijkheid van de viscositeit van de richting van de fluctuerende golfvectoren. Dit is te zien in de relatie voor de effectieve viscositeitscoëfficiënt, die afhankelijk is van de longitudinale en transversale componenten van de golfvector en de viscositeitsconstanten van het materiaal. Voor het meten van de rotatieviscositeit is het nodig om nauwkeurige informatie te verkrijgen over deze visco-elastische verhoudingen door gebruik te maken van geavanceerde technieken zoals lichtverstrooiingsspectroscopie en spectroscopie met lichtbeating. Het verkrijgen van betrouwbare gegevens vereist een zorgvuldige analyse van de correlatiefunctie van de fotonfluctuaties en het gebruik van verschillende verstrooiingshoeken om de benodigde parameters met hoge nauwkeurigheid te bepalen.

Er zijn verschillende benaderingen voor het meten van de rotatieviscositeit van nematische vloeibare kristallen, afhankelijk van de gebruikte techniek en de meetomstandigheden. Een van de methoden maakt gebruik van de rotatie van een magneetveld. In deze opstelling wordt de vloeistof die tussen de polen van een elektromagneet is geplaatst, gedraaid. De rotatie van het monster veroorzaakt een fasevertraging die kan worden gemeten om de rotatieviscositeit af te leiden. Hoewel deze methode zeer informatief is, kunnen er intrinsieke fouten optreden door de aanwezigheid van parasitaire verstrooiing van defecten in de monsterstructuur. Om deze onnauwkeurigheden te verminderen, kan men gebruik maken van alternatieve technieken zoals lichtbeating spectroscopie, die meer gedetailleerde informatie biedt over de visco-elastische eigenschappen van het materiaal.

De relatie tussen de rotatieviscositeit en de elasticiteit van het systeem wordt verder geanalyseerd door de effectiviteit van de toegepaste velden en de aard van de deformaties die optreden in het materiaal. Het gebruik van een roterend magnetisch veld kan bijvoorbeeld de rotatieviscositeit meten door de torsiehoek van het monster te meten en deze te vergelijken met de snelheid van de draaiende elektromagneet. De rotatieviscositeit kan dan worden berekend door de fasevertraging te analyseren die optreedt tussen het draaien van het magnetische veld en de reactie van het vloeibare kristal.

Naast deze techniek kunnen ook elektrische velden worden gebruikt om de reoriëntatie van het director in het vloeibare kristal te veroorzaken. Dit fenomeen is van praktisch belang, aangezien het de basis vormt voor veel toepassingen van vloeibare kristallen, zoals in beeldschermen en optische schakelaars. Door de deformatie van het director te meten en de tijd te analyseren die nodig is voor het herstel van de oorspronkelijke toestand, kan men de rotatieviscositeit en andere visco-elastische parameters van het vloeibare kristal bepalen.

Het meten van de rotatieviscositeit van nematische vloeibare kristallen vereist een gedegen begrip van de complexe dynamica van deze materialen en de verschillende invloedrijke factoren die de meetresultaten kunnen beïnvloeden. Het gebruik van geavanceerde meettechnieken, zoals lichtverstrooiing en magnetische rotatie, stelt onderzoekers in staat om gedetailleerde informatie te verkrijgen over de visco-elastische eigenschappen van vloeibare kristallen, wat van groot belang is voor de ontwikkeling van nieuwe toepassingen op dit gebied.