Deutsch
Francais
Nederlands
Svenska
Norsk
Dansk
Suomi
Espanol
Italiano
Portugues
Magyar
Polski
Cestina
Русский
Vloeibaar kristallijne polymeren (LCP's) zijn een opwindende klasse van materialen die zich door hun unieke structurele en functionele eigenschappen onderscheiden. Deze polymeren kunnen zich zelf organiseren door moleculaire interacties, wat hen bijzonder geschikt maakt voor toepassingen in verschillende hightech-industrieën. Een belangrijk kenmerk van LCP's is hun vermogen om geordende structuren te vormen op verschillende lengteschalen, wat ze uitermate geschikt maakt voor gebruik in optische en elektronische componenten.
Bij de synthese van LCP's wordt vaak gebruik gemaakt van zelfassemblage, waarbij interacties zoals waterstofbruggen of ionische krachten een cruciale rol spelen. Zo kan een mesogene, zoals PABP-AA, worden verkregen door een azopyridylgroep in PABP te laten reageren met een carboxylzuurgroep in AA. Het resultaat is een goed geordende structuur die wordt gevormd door de onderlinge waterstofbruggen tussen deze functionele groepen. Evenzo kunnen PABP-TSA-moleculen, die ontstaan door ionische interacties, worden gecreëerd door het oplossen van een equimolaire hoeveelheid azopyridylgroep en p-tolueensulfonzuur in chloroform, wat leidt tot een duidelijke oplossing. Deze polymeren hebben bijzondere eigenschappen doordat ze de mogelijkheid hebben om moleculen te ordenen op zowel nanometer- als subnanometerschaal.
Naast de gebruikelijke routes voor de synthese van LCP’s, zoals het gebruik van azobenzeengroepen in polymeermoleculen, zijn er ook geavanceerdere methoden ontwikkeld voor het creëren van complexere polymeren. Zo werd bijvoorbeeld poly(2,5-bis{[6-(4-methoxy-4,-oxy-azobenzene) hexyl]-oxycarbony} styreen), een polymeer met twee azobenzeengroepen per herhalende eenheid, gesynthetiseerd via een ATRP-methode (atom transfer radical polymerization). Dit polymeer kan hiërarchisch geordende structuren vormen, waarbij de ordening zowel op nanometer- als subnanometerschaal plaatsvindt.
In sommige gevallen worden polymeren niet alleen met een mesogene eenheid gemaakt, maar ook met een flexibele spatiërende eenheid. Dit is bijvoorbeeld het geval bij MCSCCCLCP’s die gebaseerd zijn op ethylcellulose. Het lengtespecifieke effect van de spatiërende eenheid op de structuur van het polymeer is aangetoond door onderzoek van Hu et al., die de invloed van de lengte van de spatiërende eenheid op de vloeibaar-kristallijne eigenschappen van de polymeer mesogenen analyseerden.
Naast de traditionele benaderingen voor het ontwerpen van LCP's zijn er ook methoden voor de synthese van vloeibaar kristallijne blokcopolymeren (LCBCP's), die steeds meer belangstelling trekken vanwege hun veelzijdige toepassingen. Deze copolymeren combineren microfasenscheiding en vloeibaar kristallijne eigenschappen, wat hen in staat stelt om geordende structuren te ontwikkelen die hun eigenschappen optimaliseren voor gebruik in compatibilisatie van polymeren of andere technologische toepassingen.
Een typisch LCBCP bestaat uit ten minste één vloeibaar kristallijn segment en kan verschillende blokstructuren bevatten, zoals een rod-coil diblock copolymeer, rod-rod diblock copolymeer of side group LC-coil. De interactie tussen de zelforganiserende gedragingen van de verschillende componenten in het copolymeer creëert geordende structuren op meerdere lengteschalen. De microfase-separatie en de vloeibaar kristallijne fase kunnen met elkaar concurreren, afhankelijk van de specifieke configuratie van de blokken, zoals te zien is bij een rod-coil diblock copolymeer, waarbij de vloeibaar kristallijne fase een cruciale rol speelt in het proces van microfase-separatie.
De synthese van LCBCP's vereist vaak goed gecontroleerde polymerisatiemethoden, zoals levende polymerisatie, waarbij het mogelijk is om de moleculaire gewichtsdistributie en de eindgroepen nauwkeurig te regelen. Methode zoals ATRP (atom transfer radical polymerization), ROMP (ring-opening metathesis polymerization) en RAFT (reversible addition-fragmentation chain transfer) zijn essentieel voor het verkrijgen van LCBCP's met reproduceerbare moleculaire kenmerken. In de praktijk wordt de synthese van LCBCP's vaak uitgevoerd door een combinatie van verschillende polymerisatiemethoden, afhankelijk van de gewenste eigenschappen van het eindproduct.
De toepassing van vloeibaar kristallijne blokcopolymeren in de industrie heeft veelbelovende vooruitzichten, vooral in de ontwikkeling van geavanceerde materialen voor elektronische en optische toepassingen. Omdat LCBCP's zich kunnen organiseren op verschillende lengteschalen, kunnen ze bijvoorbeeld worden gebruikt in de fabricage van displaytechnologieën, fotonica of zelfs in de compatibilisatie van polymeren in complexe mengsels.
Het is van cruciaal belang voor de verdere ontwikkeling van LCP's en LCBCP's om diepgaand inzicht te krijgen in de interacties tussen verschillende segmenten in deze polymeren. Dit zal niet alleen de prestaties van de materialen verbeteren, maar ook hun toepasbaarheid in opkomende technologieën vergroten. Het begrijpen van de rol van zelfassemblage en de invloed van de sterkte van interacties tussen mesogenen, spatiërende eenheden en blokken is essentieel voor het ontwerpen van materialen met de gewenste eigenschappen voor specifieke toepassingen.
Wat zijn de belangrijkste kenmerken van de nematische vloeistofkristallen in hun verschillende fasen?
In recente jaren is er een merkbare ontwikkeling in de studie van nematische vloeistofkristallen, specifiek met betrekking tot de twist-bend nematische (NTB) fase en de biaxiale nematische (Nb) fase. De nadruk in dit hoofdstuk ligt op het verkennen van de karakteristieke eigenschappen van de biaxiale en twist-bend nematische fasen. Waar de eenassige nematische fase (Nu of N) een bekende en veel onderzochte fase is, biedt het begrijpen van de biaxiale en twist-bend nematische fasen inzichten die essentieel zijn voor de verdere vooruitgang in het begrip van de structuur-eigenschappenrelaties in vloeistofkristallen.
De eenassige nematische fase wordt gekarakteriseerd door de uitlijning van moleculen met hun lange assen die parallel lopen aan de richting van de directeur. De vloeistofkristallen vertonen een vloeistofachtige symmetrie, maar behouden toch een zekere structuur, zichtbaar in de nucleaire magnetische resonantie (NMR) spectroscopie. Dit resulteert in specifieke lineaire splijtingen en smalle lijnen door de vloeistofdynamiek. De belangrijkste kenmerken van de N-fase omvatten een gebrek aan polariteit in de as van eenheidssymmetrie, ondanks de polariteit van de moleculen zelf. Dit impliceert dat de toestand van de directeur n en -n onderling uitwisselbaar zijn. Bij het bestuderen van de grenzen en invloeden van externe velden, zoals bijvoorbeeld een elektrische of magnetische invloed, blijkt dat de richting van de directeur kan vervormen, wat leidt tot verschillen in de dubbelbreking. In praktijk wordt dit zichtbaar in de vorm van draadvormige structuren binnen de directeurspatronen, waarbij discontinuïteiten worden waargenomen op grotere afstanden dan de moleculaire afmetingen.
De overgang van de nematische naar de isotropische fase (NI-overgang) gaat gepaard met een geringe verandering in volume en entropie, wat de bijzonderheden van de thermodynamische eigenschappen van de N-fase benadrukt. Dit vormt de basis voor verdere verkenning van de fysische eigenschappen en de dynamische responsen van vloeistofkristallen.
In tegenstelling tot de eenassige nematische fase, wordt de biaxiale nematische fase gekarakteriseerd door een verminderde moleculaire symmetrie, wat resulteert in een nieuwe moleculaire ordening langs zowel de grotere als de kleinere moleculaire assen. De theoretische voorspelling van deze fase werd gedaan door Freiser, die de mogelijkheid van een orthorhombische symmetrie (D2h) voorstelde, waarbij de moleculen zich langs drie orthogonale spiegelflaken richten. Sinds de waarneming van deze fase in lyotropische systemen door Yu en Saupe in de jaren ’70, heeft de discussie over de bestendigheid en praktische toepassingen van de biaxiale nematische fase de wetenschappelijke gemeenschap voortdurend beziggehouden. Recent onderzoek heeft ook aangetoond dat deze fase, die wordt gekarakteriseerd door een monoclinische symmetrie (C2h), kan optreden in systemen van gebogen-kernmoleculen en polymeren.
De twist-bend nematische (NTB) fase is een interessante uitbreiding van de traditionele nematische fasen, die werd ontdekt in systemen van achirale en bananenvormige moleculen. Deze fase bevindt zich aan de lage temperatuurkant van de N-fase en vertoont een unieke helicoïdale structuur van de directeur. De rotatie-as van de moleculen in deze fase is gekarakteriseerd door een constante kegelhoek ten opzichte van de draaiingsas, wat resulteert in een twist van de moleculaire richtingen langs de as van de helix. Het is opvallend dat deze structuur kan worden aangestoken door een elektrisch veld parallel aan de as van de cholesterische spiraal. Dit zorgt ervoor dat de director zich in een draaiende toestand bevindt, die beschreven kan worden door de wiskundige formule n(z) = (sinε cosω(z), sinε sinω(z), cosε), waarbij de azimutale hoek ω positie-afhankelijk is.
Naast de theoretische en experimentele studie van deze fasen, is er ook steeds meer belangstelling voor het synthetiseren van nematische vloeistofkristallen die deze bijzondere fasen vertonen. Hierbij is het van belang om te begrijpen hoe de moleculaire structuur en de keuze van de verschillende structurele eenheden, zoals kernstructuren, eindgroepen, koppelgroepen en laterale substituenten, invloed hebben op de eigenschappen van de vloeistofkristallen. De synthesemethoden die leiden tot de creatie van deze fasen zijn cruciaal voor de ontwikkeling van nieuwe materialen voor toepassingen in bijvoorbeeld displays, fotonica en andere optische technologieën.
Wat verder belangrijk is om te begrijpen, is dat de nematische vloeistofkristallen niet alleen op moleculair niveau interessante eigenschappen vertonen, maar ook macroscopisch gezien een breed scala aan toepassingen kunnen vinden. Van displays tot optische sensoren, de mogelijkheden voor toepassing in technologie zijn breed en blijven zich ontwikkelen. Wat onderzoekers vooral uitdaagt, is het vermogen om de eigenschappen van deze fasen te controleren en te sturen door de juiste moleculaire structuren en door het toepassen van externe velden. Het vermogen om moleculaire fasen zoals de twist-bend nematische en de biaxiale nematische te manipuleren kan in de toekomst leiden tot nieuwe technologieën met verbeterde prestaties en veelzijdigheid.