Wat is de dynamische verstrooiingsmodus en hoe werkt het in vloeibare kristaldisplays?

In vloeibare kristallen (LC’s) met lage tot matige geleidbaarheid en negatieve diëlektrische anisotropie treedt het fenomeen van dynamische verstrooiing op. Bij een aangelegde spanning onder een drempelwaarde blijft de cel helder, maar boven deze drempel ontstaan zogeheten Williams-domains, die een patroon van strepen vormen. Verhoogt men de spanning verder, dan verdwijnen deze patronen en bereikt men een turbulente toestand waarin de LC-moleculen het licht willekeurig verstrooien, wat resulteert in een melkachtig wit uiterlijk. Dit effect werd ontdekt en voor het eerst technisch toegepast door Heilmeier en zijn team, die het principe gebruikten voor flatpanel-displays.

De oorsprong van de dynamische verstrooiing ligt in het gedrag van de moleculen onder invloed van het elektrische veld. Zonder spanning staan de nematische LC-moleculen loodrecht op de glasplaten. Bij een aangelegd veld draaien deze moleculen naar een positie parallel aan de platen. Door de hogere elektrische geleidbaarheid langs de lange as van de moleculen ontstaat er een ruimtelading die een mechanisch effect veroorzaakt: een schijnbare torsie of draaiing van de moleculen, waardoor ze in circulaire beweging komen. Deze beweging resulteert in het Williams-domeinpatroon. Bij een verdere spanningsverhoging vervallen deze geordende patronen in een chaotische toestand waarin licht wordt verstrooid.

De praktische toepassing van dynamische verstrooiing is in de geschiedenis van de vloeibare kristaltechnologie een belangrijk hoofdstuk geweest, mede door de relatieve eenvoud en het opvallende optische effect. Tegelijkertijd heeft de ontwikkeling van andere LC-displays, zoals de twisted nematic (TN) en super twisted nematic (STN) technologieën, geleid tot een breder scala aan toepassingen met verbeterde prestaties zoals lagere spanning, snellere schakeling en betere kleurstabiliteit.

Bij twisted nematic displays draait het om het gecontroleerd heroriënteren van nematische LC-moleculen tussen verschillende geordende staten onder invloed van een elektrisch veld. Hierbij is de verhouding tussen de draai-elasticiteitsconstante en de spreid-elasticiteitsconstante, evenals de diëlektrische constanten, bepalend voor het gedrag van de display. Met de ontwikkeling van stabiele LC-mengsels zoals cyanobiphenylen, die voldoen aan eisen zoals kleurloosheid, laag stroomverbruik en brede temperatuurstabiliteit, werd deze technologie succesvol toegepast in commerciële displays.

Het begrijpen van deze mechanismen is cruciaal voor het verder ontwikkelen en verbeteren van LC-displays, aangezien kleine veranderingen in de moleculaire structuur of celconfiguratie grote effecten kunnen hebben op de optische en elektrische eigenschappen. Het inzicht in het ontstaan van ruimteladingen, moleculaire bewegingen en hun invloed op lichtverstrooiing en absorptie vormt de basis voor het ontwerpen van efficiënte en robuuste displaytechnologieën.

Daarnaast is het belangrijk te beseffen dat het gedrag van vloeibare kristallen in dynamische verstrooiingsmodus niet alleen afhangt van de materiaaleigenschappen, maar ook sterk beïnvloed wordt door de fysieke constructie van de cel, zoals de dikte, oppervlaktetoestand en gebruikte elektroden. Dit maakt de engineering van LC-displays tot een interdisciplinair vakgebied waar chemie, fysica en materiaalwetenschappen samenkomen.

Wat is de rol van micellen en hun eigenschappen in de vorming van lyotrope vloeibare kristallen?

Micellen zijn aggregaten van amfifiele moleculen die zich in een oplosmiddel, zoals water, vormen. Ze bestaan uit een hydrofobe kern die is omgeven door hydrofiele kopgroepen die in contact staan met het oplosmiddel. Afhankelijk van de concentratie van de oppervlakte-actieve stoffen (surfactanten) kunnen verschillende micelle-vormen ontstaan, zoals bolvormige micellen, verlengde ellipsoïden, of zelfs complexe vormen zoals rimpels en lamellaire structuren. Wanneer de concentratie surfactanten in een oplosmiddel laag is, bestaan de micellen meestal uit monomeren, maar zodra de concentratie de kritische micelconcentratie (CMC) bereikt, komen de micellen samen en vormen ze stabiele aggregaten.

De CMC zelf is een belangrijke waarde, aangezien het het punt is waarop de surfactanten beginnen te aggregaten en micellen vormen. Onder de CMC blijven de surfactanten in oplossing als monomeren, terwijl boven de CMC micellen beginnen te ontstaan. De grootte van de micellen en het aantal monomeren dat zich verzamelt om een micel te vormen, kan variëren afhankelijk van het type surfactant, de concentratie, de temperatuur en de vorm van het aggregaat. In veel gevallen is het aantal monomeren dat nodig is om een micel te vormen typisch tussen de 15 en 20, maar dit kan oplopen tot duizenden monomeren, afhankelijk van de omstandigheden.

De vorm van de micellen speelt een cruciale rol bij de eigenschappen van de oplossing. Micellen kunnen verschillende vormen aannemen, zoals bolvormige micellen, staafjes of schijven, afhankelijk van de grootte van de moleculen en de interactie van de moleculaire kopgroepen. De specifieke vorm wordt beïnvloed door de ruimte die de moleculen in de micel kunnen innemen, waarbij de grootte van het hydrofobe volume en de ruimte die een molecuul aan het oppervlak van de micel in beslag neemt, belangrijke factoren zijn. Bij grote moleculaire kopgroepen kunnen micellen zowel bolvormig, cilindrisch als schijfvormig zijn, terwijl bij kleinere moleculaire kopgroepen alleen schijfvormige micellen kunnen worden gevormd.

Bij een oplosmiddelconcentratie boven de CMC kunnen de gevormde micellen vervolgens verdere complexiteit vertonen door de vorming van lyotropische vloeibare kristallen (LLC), die verder kunnen evolueren naar diverse fasen, zoals de lamellaire, hexagonale of kubieke fasen. Deze fasen zijn bijzonder belangrijk voor toepassingen in de farmaceutische industrie, vooral voor gecontroleerde afgifte van geneesmiddelen. Elk van deze fasen heeft een goed gedefinieerde interne structuur en kan, afhankelijk van het watergehalte, overgaan in een andere fase, wat cruciaal is voor het ontwerp van nieuwe materialen en systemen.

De lamellaire LLC-fase, bijvoorbeeld, is een van de meest bestudeerde fasen en bestaat uit platte lagen van amphifiele moleculen die zich in grote afstanden van elkaar bevinden, gescheiden door water. De hydrofiele kopgroepen bevinden zich aan de waterkant, terwijl de hydrofobe staarten van het molecuul zich van het water verwijderen. De dikte van de bilagen kan variëren, afhankelijk van de eigenschappen van de moleculen die de lagen vormen. Deze structuren zijn minder visceus dan hexagonale structuren en kunnen gemakkelijk worden geïdentificeerd door hun typische optische patronen.

In de natuur komen verschillende soorten lyotrope vloeibare kristallen voor, met belangrijke variaties in de structuren die ze kunnen aannemen, afhankelijk van het type surfactant, de concentratie en de externe omgevingsomstandigheden zoals temperatuur en pH. Er zijn zes hoofdtypen van lyotrope vloeibare kristallen: lamellair, hexagonaal, kubiek, nematisch, gel en tussenfasen. Deze fasen kunnen variëren van goed geordende structuren, zoals de lamellaire en omgekeerd kubieke fasen, tot meer flexibele en dynamische structuren, zoals de nematische en gel-fasen.

De stabiliteit van deze fasen wordt sterk beïnvloed door de interacties tussen de moleculaire componenten van de micellen. De vorm en de aard van de surfactanten bepalen niet alleen de structuren van de lyotrope vloeibare kristallen, maar ook hun fysische en chemische eigenschappen, wat hen geschikt maakt voor toepassingen in verschillende industriële en wetenschappelijke gebieden, zoals drug delivery systemen en materiaalwetenschappen.