Hoe beïnvloeden vloeibare kristallen de moderne technologie en wetenschap?

Vloeibare kristallen, in het bijzonder thermotropische vloeibare kristallen, hebben zich gepositioneerd als een fundamenteel materiaal in talrijke technologische toepassingen, vooral in optische en elektronische apparaten zoals beeldschermen en displays. De term vloeibare kristallen verwijst naar stoffen die tussen een vloeibare en een vaste toestand in zitten, met kenmerken van beide fasen. Deze unieke eigenschappen worden gekarakteriseerd door een gedeeltelijke ordening van moleculen die vergelijkbaar is met die in een vaste stof, terwijl ze toch in staat zijn om te stromen, zoals in een vloeistof. Dit biedt een breed scala aan toepassingen waarin de moleculaire ordening essentieel is voor de prestatie van het apparaat.

In de fysica van vloeibare kristallen is er voortdurend onderzoek naar de moleculaire dynamica van deze stoffen. Diverse simulaties en theoretische studies hebben geprobeerd om de overgangsfasen van vloeibare kristallen beter te begrijpen, evenals de invloed van de moleculaire structuur op hun gedrag. Veel van deze studies worden gedaan door middel van computer simulaties, die het mogelijk maken om de interacties tussen de moleculen op atomair niveau te bestuderen. Deze simulaties zijn essentieel voor het ontwerpen van nieuwe materialen en het verbeteren van bestaande technologieën.

Een belangrijk aspect van vloeibare kristallen is hun symmetrie. De moleculaire symmetrie heeft invloed op de fasen waarin een vloeibaar kristal zich kan bevinden. Er zijn verschillende typen symmetrie die de vorm en het gedrag van de vloeibare kristallen bepalen, wat invloed heeft op de manier waarop ze reageren op externe velden. De moleculaire interacties in vloeibare kristallen zijn vaak relatief zwak, maar ze kunnen toch een krachtige invloed uitoefenen op de eigenschappen van het materiaal als geheel. De symmetrie bepaalt ook de manier waarop vloeibare kristallen zich ordenen en de overgang van een fase naar een andere kunnen plaatsvinden, wat op zijn beurt het gebruik in diverse technologieën beïnvloedt.

Wat belangrijk is om te begrijpen, is dat de complexiteit van vloeibare kristallen verder reikt dan alleen hun toepassingen in schermtechnologie. Ze bieden een rijke speelplaats voor fysici en materialentechnologen om de fundamenten van faseveranderingen, moleculaire interacties en symmetrie te bestuderen. Terwijl de meeste toepassingen van vloeibare kristallen gericht zijn op visuele en elektronische technologieën, openen de voortdurende wetenschappelijke doorbraken nieuwe deuren voor hun gebruik in de moleculaire geneeskunde, nanotechnologie en zelfs in de ruimtevaart.

De toekomst van vloeibare kristallen zal waarschijnlijk verder evolueren met de opkomst van nieuwe materialen die zijn ontworpen om de zwakheden van bestaande vloeibare kristallen te overwinnen. Vloeibare kristallen kunnen bijvoorbeeld een rol spelen in de ontwikkeling van nieuwe vormen van energie-opslag, optische communicatie of zelfs geavanceerde sensoren. De zoektocht naar meer geavanceerde toepassingen en de optimalisatie van bestaande technologieën zal de waarde van vloeibare kristallen in de wetenschap en industrie alleen maar vergroten.

Hoe de dispersie van nanomaterialen in vloeibare kristallen de eigenschappen beïnvloedt

De methoden voor de dispersie van nanodeeltjes (NP's) in vloeibare kristallen (LC) hebben hun beperkingen. In de eerste procedure is het moeilijk om een goede dispersie te bereiken. In de tweede methode is het bijzonder lastig om het oplosmiddel volledig te verdampen, aangezien er altijd kleine sporen achterblijven in de suspensie. In de derde benadering kan de oppervlakte-modificatie leiden tot veranderingen in de intrinsieke eigenschappen van de nanomaterialen op nanoschaal. De verschillende stadia van de meest gebruikte procedure voor de dispersie van NP's in LC-cellen, evenals de karakterisering en metingen van de eigenschappen van NP−LC-composieten, worden geïllustreerd in Schema 8.3.

Voor een homogene uitlijning worden de glazen substraten bedekt met een verdunde oplossing van lecithine (Cetyltrimethylammoniumbromide). De substraten worden zes uur op hoge temperatuur (~220 °C) gedroogd voordat de cel wordt gemonteerd. De lege monstercellen worden gekalibreerd met behulp van analytische reagentia (AR) benzeen als standaardreferentie voor verder onderzoek. De LC-cel is nu klaar voor de dispersie van NP's.

De volgende stap is om de NP's die worden onderzocht op te lossen in een geschikt oplosmiddel (bijvoorbeeld water, chloroform of tolueen) en vervolgens enige tijd te roeren om de agglomeratie van NP's te minimaliseren. Een zeer klein volume (bijvoorbeeld 0,1, 0,2, …, 0,5 gewichts%, bij voorkeur ≤1 of 2 gewichts%) van de NP-oplossing wordt gemengd met de LC van interesse in een glazen vat. De resulterende NP−LC-composietoplossing wordt continu geroerd en vervolgens gedurende 2−3 uur sonicated. De juiste dispersie van NP's in LC wordt bevestigd door het te beelden met een gepolariseerde optische microscoop (POM). Deze uniforme mengeling vertoont meestal geen tekenen van flocculatie gedurende een periode van enkele weken. Flocculatie is een proces waarbij colloïden uit suspensie komen in de vorm van vlokken, spontaan of door de toevoeging van een clarificatiemiddel.

Ten slotte zijn de ongewijzigde en NP-gedispergeerde LC-gevulde monstercellen klaar voor de karakterisering en metingen van verschillende eigenschappen. In het geval van dispersie van niet-mesogeen materialen in LC wordt een precies gelijke procedure gevolgd als hierboven besproken, maar in plaats van NP's wordt nu een van de niet-mesogene materialen van interesse gebruikt.

De roeren en sonificeren verbeteren de dispersiekwaliteit van CNT's. Ji et al. stelden een nieuwe methode voor om de dispersie van CNT's te verbeteren door een wisselstroom-elektrisch veld te gebruiken. Bij afwezigheid van het elektrische veld vertoont de suspensie een gemiddelde cluster-grootte van ongeveer 1,3 μm, die wordt gereduceerd tot 0,6 μm wanneer een veld van ~2,1 V/μm wordt toegepast. Er wordt geen teken van agglomeratie waargenomen, zelfs niet na 48 uur. Zonder elektrisch veld blijven CNT's in bundels uitgestrekt. Wanneer een voldoende sterk elektrisch veld wordt toegepast, worden de CNT's uitgerekt en de bundels gede-bundeld.

De keuze van het oplosmiddel speelt een cruciale rol. Het oplosmiddel moet chemisch inert zijn ten opzichte van de LCs, omdat anders de fysische eigenschappen van de LC worden beïnvloed voordat het oplosmiddel verdampt uit het composiet. Daarom wordt het aanbevolen om een oplosmiddel te kiezen dat nauwelijks reageert met de LCs en gemakkelijk uit het NP−LC-composiet kan verdampen.

Hoe beïnvloeden fotochromische verbindingen de helixpitch in chirale nematische vloeibare kristallen?

Voor 3,3′-disubstitueerde en 2,2′-dimethyl-3,3′-disubstitueerde azobenzenen bleek de verandering in reflectie maximaal beperkt of afwezig te zijn, terwijl voor azobenzeen zonder substituenten en 4,4′-disubstitueerde varianten aanzienlijke veranderingen werden waargenomen. Dit wijst op een sterke afhankelijkheid van de moleculaire structuur en substituenten op het vermogen om de helixpitch te moduleren via licht. De relatie tussen dopantconcentratie en verschuiving in reflectiegolflengte bleek lineair te zijn bij lage concentraties, waarbij een fysische constante k de mate van pitchmodulatie per mol dopant uitdrukt.

Intrigerend was dat achirale azobenzenen in zowel rechts- als linksgedraaide N*LC-hosts een vergelijkbare initiële verschuiving naar langere golflengtes lieten zien zonder voorkeur voor de draairichting. Dit betekent dat de achirale moleculen zelf geen voorkeurschirale interacties aangaan, maar toch de helixpitch beïnvloeden door hun conformatie. Of de pitch langer of korter wordt bij E- naar Z-isomerisatie hangt af van de thermische eigenschappen van de hostfase, waarbij bijvoorbeeld het effect van de destructieve Z-isomeer varieert afhankelijk van de temperatuurafhankelijke verandering van de pitch (dp/dT).

Kurihara en collega’s toonden een fascinerend fenomeen aan waarbij een reversibele faseovergang tussen nematisch en chirale nematisch plaatsvond door trans–cis photoisomerisatie van een chiraal azobenzeen. Dit leidde tot een dynamische verandering in de torsiekracht van het dopant, met een corresponderende optische overgang van transparantie naar lichtverspreiding. Hiermee werd aangetoond dat licht niet alleen de pitch, maar ook de fasetoestand van het N*LC-systeem kan sturen.

In een gerelateerde studie beschreven Ruslim en Ichimura een unieke helical twist inversie in NLCs veroorzaakt door fotomerisatie van een enkele chiraal azobenzeen-dopant. Deze dopant fungeert gelijktijdig als chiraal en photosensitief middel en zorgt bij specifieke golflengtes van belichting voor een dynamische, irreversibele overgang van een N naar een compensatorische nematische fase en terug, waarbij de totale torsiekracht (HTP) tijdelijk nul wordt en de pitch naar oneindig groeit. De draairichting van de helix kan op deze manier gecontroleerd en omgekeerd worden via licht. Belangrijk is dat deze omkering verloopt via een achirale nematische tussenfase.

Verder zijn overvolle alkenen met een helicale moleculaire conformatie intensief onderzocht als lichtgestuurde chirale dopanten. Deze vertonen vaak zeer hoge torsiekracht en kunnen hun heliciteit omkeren door fotoisomerisatie, wat leidt tot een omkering van de chirale nematische fase. Feringa en collega’s synthetiseerden zulke moleculen die onomkeerbare draairichtingomkering vertonen bij aangepaste belichtingsgolflengtes. Sommige van deze moleculen functioneren als moleculaire motoren met unidirectionele rotatie onder licht, wat hun potentieel vergroot als chiral dopant in N*LC’s met responsieve optische eigenschappen.

Belangrijk is te beseffen dat het vermogen om chirale nematische structuren te manipuleren met licht niet alleen nieuwe inzichten geeft in fundamentele fysica van moleculaire chiraliteit, maar ook grote potentie heeft voor optische toepassingen zoals slimme coatings, kleurveranderende materialen en lichtgestuurde schakelaars. De interactie tussen moleculaire conformatie, fotochemische isomerisatie en macroscopsiche oriëntatie maakt het mogelijk om functionele materialen te ontwerpen die op afstand en met hoge precisie hun optische eigenschappen kunnen aanpassen.

Endtext

Wat zijn blue phases en smectische blue phases in chirale nematische vloeibare kristallen?

Blue phases (BPs) ontstaan in de overgangsregio tussen isotrope vloeistof en chirale nematische (N*) vloeibare kristallen, waar de moleculen een specifieke draaibeweging vertonen. Er bestaan drie thermodynamisch verschillende blue phases: BPI, BPII en BPIII, die in veel chiral nematische materialen kunnen voorkomen, maar niet altijd alle drie tegelijkertijd. De naam blue phases verwijst naar hun karakteristieke blauwe kleur, hoewel ze ook licht van andere golflengten, inclusief nabij-infrarood, kunnen weerkaatsen.

Structuuronderzoek toont aan dat BPI een body-centered kubische (bcc) symmetrie heeft, BPII een eenvoudige kubische (sc) symmetrie, terwijl BPIII amorf en ongestructureerd is. BPI en BPII vertonen duidelijke kristalvlakken en Bragg-reflecties, terwijl BPIII enkel diffuse verstrooiing laat zien zonder duidelijke facetten. De kristalvorm is nauw verbonden met de symmetrie van het rooster en weerspiegelt de translatieorde en puntgroepen van het kristal. Kosseldiagrammen, een soort diffractiepatronen die met een microscoop in het focale vlak zichtbaar zijn, dienen als unieke vingerafdrukken van de kristalstructuur.

De blauwe fasen zijn voorbeelden van gefrustreerde mesofasen, waarbij lokale energetische minima niet globaal kunnen worden uitgebreid. Dit uit zich in de zogeheten dubbele-twistcilinders, waar de director (de gemiddelde moleculaire oriëntatie) rond elke straal van een cilinder roteert. Deze gefrustreerde structuren zijn zelf-georganiseerd en vormen daardoor unieke materialen met hoge viscositeit, een eindige schuifmodulus en optische eigenschappen zoals selectieve reflectie van licht, wat resulteert in een mozaïek van heldere kleuren.

De smectische blue phases zijn zeldzame en complexe mesofasen die een nieuw type materiaal vormen, gekenmerkt door hun dubbele frustratie en de combinatie van helical orientatie met smectische laagorde. Dit opent mogelijkheden voor de bestudering van zelforganisatie en defectdynamica in vloeibare kristallen, en draagt bij aan het begrijpen van de overgang tussen vloeibare en vaste kristalstructuren.

De stabiliteit van blue phases is over het algemeen beperkt tot een smal temperatuurbereik, maar recente onderzoeken richten zich op het verbreden van deze stabiliteit, wat potentieel nieuwe toepassingen in optica en displays kan openen. De optische activiteit van blue phases is subtiel maar significant, en hun vermogen om de polarisatierichting van licht te draaien, hoewel kleiner dan bij de chirale nematische fase, maakt ze interessant voor geavanceerde fotonische toepassingen.

Naast de beschreven eigenschappen is het belangrijk om te beseffen dat de gefrustreerde aard van deze mesofasen hen tot modelsystemen maakt voor het bestuderen van defecten en zelforganisatie in zachte materie. De balans tussen lokale energetische minima en globale ordening, en het effect van temperatuur en chirale sterkte, zijn cruciaal voor het begrijpen van hun fysische eigenschappen en potentiële technologische toepassingen.