Κεφάλαιο 9 Εφαρμογές των υγρών κρυστάλλων

Transcript

1 Κεφάλαιο 9 Εφαρμογές των υγρών κρυστάλλων Σύνοψη Η Επιστήμη υγρών κρυστάλλων αντιπροσωπεύει ένα πλούσιο πεδίο έρευνας, που ενσωματώνει πολλές θεμελιώδεις φυσικές πτυχές, καθώς και ένα ευρύ φάσμα πιθανών εφαρμογών. Για δεκαετίες, η έρευνα υγρών κρυστάλλων έχει επικεντρωθεί στη βιομηχανία οθονών, ιδιαίτερα στην ανάπτυξη των υγροκρυσταλλικών απεικονίσεων. Καθώς η βιομηχανία ωριμάζει, οι νέες εφαρμογές διερευνώνται για τα υγροκρυσταλλικά υλικά. Αυτό το κεφάλαιο έχει ως στόχο να εισαγάγει τον αναγνώστη στις κυριότερες εφαρμογές που έχουν βρει και βρίσκουν σήμερα τα υγροκρυσταλλικά υλικά. Προαπαιτούμενη γνώση Φυσικοχημεία (καταστάσεις της ύλης). Φυσική (Οπτική). 9.1 Εφαρμογές των υγρών κρυστάλλων σε ενδείξεις και απεικονίσεις Λαμβάνοντας υπόψη και συνοψίζοντας όλα όσα παρατέθηκαν στα προηγούμενα κεφάλαια, μπορούμε να κατανοήσουμε τις εφαρμογές των υγρών κρυστάλλων. Στα επόμενα υποκεφάλαια θα παρατεθούν περισσότερες λεπτομέρειες σχετικά με τις διάφορες τεχνολογικές εφαρμογές των υγροκρυσταλλικών υλικών και πώς αυτές χρησιμοποιούνται κυρίως στα συστήματα απεικόνισης, στις βιοϊατρικές εφαρμογές κ.ά. Όπως έχει αναφερθεί, οι περισσότερες οπτικές εφαρμογές των υγρών κρυστάλλων εξαρτώνται κυρίως από τον επαναπροσανατολισμό του υγρού κρυστάλλου με την επίδραση ηλεκτρικού πεδίου. Όπως θα διαπιστώσουμε, αυτή είναι η βασική προϋπόθεση των ηλεκροοπτικών υγροκρυσταλλικών συσκευών που παρουσιάζονται στη συνέχεια. Είναι γνωστό ότι στη σημερινή εποχή της Πληροφορικής η ανάπτυξη των ηλεκτρονικών υπολογιστών είναι ιλιγγιώδης. Οι επεξεργασίες και οι πληροφορίες που παρέχονται μέσω των ηλεκτρονικών υπολογιστών πρέπει να μεταβιβαστούν στον χρήστη με κάποιον τρόπο. Οι απλές αναλογικές απεικονίσεις έχουν αντικατασταθεί εδώ και αρκετά χρόνια με απεικονίσεις υγρών κρυστάλλων που πλεονεκτούν σαφώς έναντι άλλων. Η τεχνολογία των απεικονίσεων με υγρούς κρυστάλλους, Liquid Crystal Displays (LCDs), συνεχώς αναπτύσσεται και είναι βέβαιο ότι στο μέλλον θα προκύψουν ακόμα πιο θεαματικά αποτελέσματα. Όλες οι απεικονίσεις πληροφοριών απαιτούν το ορατό φως για να λειτουργήσουν. Η πληροφορία στον χρήστη μπορεί να δοθεί ελέγχοντας τα φωτεινά και σκοτεινά τμήματα. Ένα απλό παράδειγμα είναι μία αριθμητική απεικόνιση επτά τμημάτων, που παρουσιάζεται στο Σχήμα 9.1. Σχήμα 9.1 Απεικόνιση επτά τμημάτων για αριθμούς. Όταν εκτός των αριθμών θέλουμε και μία απεικόνιση γραμμάτων, τότε χρησιμοποιούμε δεκατέσσερα τμήματα. Εάν εκτός των αριθμών και των γραμμάτων χρειαζόμαστε και άλλα σύμβολα ή θέλουμε περισσότερες λεπτομέρειες για τα γράμματα, τότε χρησιμοποιούμε πίνακα 5x7 μικρών περιοχών. Η τελευταία 167

2 απεικόνιση μπορεί να μετατραπεί σε πολύ μεγάλη κλίμακα, έτσι ώστε να υπάρχουν 360 σειρές και 720 στήλες, δηλαδή μικρές περιοχές που ονομάζονται pixels Συστήματα απεικονίσεων δυναμικής σκέδασης Τα πρώτα συστήματα απεικονίσεων που κατασκευάστηκαν με υγρούς κρυστάλλους βασίζονταν στις ιδιότητες της σκέδασης του φωτός όταν βρίσκονταν μέσα σε ισχυρά ηλεκτρικά πεδία. Όπως ήδη προαναφέρθηκε, η κατάσταση αυτή δημιουργείται όταν ένα υγροκρυσταλλικό υλικό που έχει τον κατευθυντή του κάθετα προς το ηλεκτρικό πεδίο σχηματίζει μία ομοιοτροπική δομή μεταξύ δύο γυάλινων ή με άλλα υλικά επιφανειών. Όταν εφαρμόζεται ένα ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο, τότε οι πολωμένες προσμείξεις αναγκάζονται να κινούνται μέσα στον υγρό κρύσταλλο, με αποτέλεσμα να δημιουργείται στροβιλώδης ροή. Το γεγονός αυτό έχει ως αποτέλεσμα το στρώμα του υγρού κρυστάλλου να εμφανίζεται λευκό σε αντίθεση με την κατάσταση χωρίς εφαρμογή ηλεκτρικού πεδίου, όπου το στρώμα εμφανίζεται διαφανές. Ένας κάτοπτρο πίσω από το σύστημα επιτρέπει τη λειτουργία με το φως του δωματίου. Στο Σχήμα 9.2 παρουσιάζεται μία στοιχειώδης υγροκρυσταλλική κυψελίδα δυναμικής σκέδασης. Όπως γίνεται προφανές από το σχήμα, η ηλεκτρική ενέργεια των LCDs συνήθως παρέχεται στην κυψελίδα με διαφανή ηλεκτρόδια. Αυτά σχηματίζονται με ένα αγώγιμο στρώμα οξειδίου του ινδίου που τοποθετείται πάνω στην επιφάνεια των γυάλινων υποστρωμάτων. Αυτά τα διαφανή ηλεκτρόδια μπορεί να είναι κατασκευασμένα σε κάθε μέγεθος και σχήμα, έτσι ώστε να μπορούν να σχηματίζουν αριθμούς, γράμματα και διάφορες άλλες γραφικές παραστάσεις. Σχήμα 9.2 Τυπικό υγροκρυσταλλικό κελί απεικόνισης. Ο ανακλαστήρας είναι παρών μόνο εάν το κελί πρόκειται να χρησιμοποιηθεί για ανάκλαση του φωτός. Η διαφορά δυναμικού που απαιτείται για να λειτουργήσει ένα σύστημα δυναμικής σκέδασης είναι της τάξης των V, και είναι αρκετά πιο μεγάλο από άλλα LCDs. Οι υγροί κρύσταλλοι πρέπει να περιέχουν ορισμένες πολωμένες προσμείξεις. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί προσθέτοντας προσμείξεις στους υγρούς κρυστάλλους, αν και σε μερικές περιπτώσεις ήδη περιέχονται προσμείξεις. Σ αυτή τη διάταξη, όπως άλλωστε σε όλες τις διατάξεις των LCDs, το ρεύμα που εφαρμόζεται είναι συνεχώς εναλλασσόμενο. Το γεγονός αυτό προκαλεί αφενός την εξέλιξη της πόλωσης και αφετέρου διάφορες ηλεκτροχημικές αντιδράσεις μέσα στους υγρούς κρυστάλλους. Εφόσον η διάταξη αυτή εξαρτάται από την κίνηση των φορτίων, το ρεύμα δεν μπορεί να αλλάζει φορά περισσότερες από φορές το δευτερόλεπτο, επειδή αν αλλάζει περισσότερες τα φορτία δεν έχουν αρκετό χρόνο ώστε να ολοκληρώσουν την κίνηση προς τη μια ή την άλλη κατεύθυνση. Οι εικόνες (αριθμοί, γράμματα κ.λπ.) σ αυτό το μοντέλο εμφανίζονται λευκές ή διαφανείς. Η ευκρίνεια αυτών των συμβόλων δεν είναι ικανοποιητική, ακόμα και όταν τοποθετηθούν διάφορα βοηθητικά έγχρωμα φίλτρα. Αυτός είναι και ο λόγος που το μοντέλο του δυναμικού σκεδασμού πλέον χρησιμοποιείται σπάνια Συστήματα απεικονίσεων χειρόμορφων νηματικών ΥΚ Ένας διαφορετικός τρόπος απεικόνισης πληροφοριών μπορεί να κατασκευαστεί χρησιμοποιώντας το μοντέλο της δυναμικής σκέδασης σε χειρόμορφους υγρούς κρυστάλλους. Όταν ο ελικοειδής άξονας είναι κάθετος προς τις γυάλινες επιφάνειες, τότε η κυψελίδα εμφανίζεται διαφανής. Εφαρμόζοντας ένα αρκετά ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο στην κυψελίδα, τότε η δομή των χειρόμορφων υγρών κρυστάλλων εμφανίζεται θολή. Αυτός ο τύπος της απεικόνισης απαιτεί περίπου V για να παρουσιαστούν τα σύμβολα (θολός υγρός κρύσταλλος), και περίπου 300 V για να επανέλθει στην αρχική κατάσταση (διαφανής υγρός κρύσταλλος). 168

3 Επίσης, οι χρόνοι που χρειάζονται για να εμφανιστούν ή να εξαφανιστούν τα σύμβολα είναι αρκετά υψηλοί (0.08 sec και 1 sec αντίστοιχα). Σ αυτήν την περίπτωση επίσης δεν έχουμε ικανοποιητική ευκρίνεια των συμβόλων Στραμμένοι νηματικοί (Twisted Nematic, TN) Ο στραμμένος νηματικός τύπος (Twisted Nematic, TN) είναι ο περισσότερο χρησιμοποιούμενος τύπος των απεικονίσεων σήμερα, αν και έχει ανακαλυφθεί περίπου το Ο τύπος αυτός διαφέρει απ αυτούς που έχουν ήδη αναφερθεί, επειδή χρησιμοποιεί κάθετους μεταξύ τους πολωτές έξω από την κυψελίδα. Για να δημιουργηθεί ένα τέτοιο στοιχειώδες υγροκρυσταλλικό κελί (LCD-pixel), τα διαδοχικά μέρη που το αποτελούν παρουσιάζονται στο Σχήμα 9.3. Σχήμα 9.3 Δομή εικονιδίου (pixel) υγρών κρυστάλλων: (1) φίλτρο κάθετης πόλωσης, (2,4) γυαλί με ηλεκτρόδια, (3) υγροί κρύσταλλοι, (5) φίλτρο οριζόντιας πόλωσης, (6) ανακλαστήρας. Για την κατασκευή του υγροκρυσταλλικού κελιού χρησιμοποιούνται δύο πλακίδια από γυαλί (ή άλλο διαφανές υλικό) και δύο διασταυρωμένοι πολωτές. Με ένα πολυμερές υλικό δημιουργούνται, με τριβή προς μία κατεύθυνση, μικροσκοπικές αυλακώσεις στην επιφάνεια του γυαλιού, από την πλευρά του γυαλιού που δεν έρχεται σε επαφή με τους πολωτές. Οι αυλακώσεις πρέπει να είναι ευθυγραμμισμένες με τη διεύθυνση πόλωσης του πολωτή. Στη συνέχεια, προστίθεται ένα λεπτό στρώμα υγρού κρυστάλλου (πάχος ± 5μm) «σάντουιτς» μεταξύ των δύο γυάλινων υποστρωμάτων. Οι προκατασκευασμένες αυλακώσεις σκοπό έχουν να ευθυγραμμίσουν το πρώτο στρώμα των νηματικών μορίων σύμφωνα με τη διεύθυνση του πολωτή. Κάθε διαδοχικό στρώμα από τα νηματικά μόρια έχει προσανατολισμό που είναι μερικά στραμμένος σε σχέση με τον προσανατολισμό του προηγούμενου στρώματος. Έτσι, φθάνουμε σε ένα τελικό στρώμα στραμμένο υπό γωνία 90 0 σε σχέση με το αρχικό, και τότε προσθέτουμε την άλλη γυάλινη πλάκα με τη διεύθυνση του πολωτή της επίσης σε γωνία 90 0 σε σχέση με την πρώτη πλάκα. Με τον τρόπο αυτό, το πρώτο και το τελευταίο μονομοριακό στρώμα των υγρών κρυστάλλων ταιριάζουν με τις διευθύνσεις πόλωσης των δύο πολωτικών πλακών (Σχήμα 9.4α). Απλή λειτουργία υγροκρυσταλλικού κελιού Τέσσερις παράγοντες συνδυάζονται για να κάνουν εφικτή την απεικόνιση με υγρούς κρυστάλλους: 1. Το φως μπορεί να πολωθεί. 2. Οι υγροί κρύσταλλοι μπορούν να επιτρέψουν τη διέλευση και να αλλάξουν την πόλωση του φωτός. 3. Η δομή των υγρών κρυστάλλων μπορεί να μεταβληθεί με το ηλεκτρικό ρεύμα. 4. Υπάρχουν διαφανή υλικά που είναι καλοί αγωγοί του ηλεκτρισμού. 169

4 Όπως παρουσιάζεται στο Σχήμα 9.4α το φως που εισέρχεται στην κυψελίδα συναντάει το πρώτο πολωτικό φίλτρο, και πολώνεται. Τα μόρια σε κάθε στρώμα οδηγούν το φως που παραλαμβάνουν στο επόμενο στρώμα. Καθώς το φως περνάει μέσα από τα διαδοχικά στρώματα των υγρών κρυστάλλων, αλλάζει επίσης το επίπεδο πόλωσής του, ώστε να ταιριάζει με τη διεύθυνση προσανατολισμού των μορίων του κάθε στρώματος. Όταν το φως φτάνει στην άλλη πλευρά των στρωμάτων των υγρών κρυστάλλων, το επίπεδο πόλωσής του είναι το ίδιο με την κατεύθυνση των μορίων του τελικού στρώματος. Αν το τελικό στρώμα είναι σε συμφωνία με το επίπεδο πόλωσης του δεύτερου πολωτικού φίλτρου, τότε το φως θα περάσει μέσα από το φίλτρο και θα εξέλθει. Αν εφαρμοστεί ένα ηλεκτρικό πεδίο στα μόρια των υγρών κρυστάλλων, αυτά αποσυστρέφονται (Σχήμα 9.4β). Όταν θα ευθυγραμμιστούν όλα, αλλάζουν και τη γωνία πόλωσης του φωτός που περνάει διαμέσου των μορίων, έτσι ώστε να μην είναι σε συμφωνία πια με το επίπεδο πόλωσης της τελικής γυάλινης πλάκας-φίλτρου. Συνεπώς, το φως στην περίπτωση αυτή δεν περνάει από την περιοχή του LCD, και η περιοχή αυτή γίνεται σκοτεινή σε σχέση με τις γύρω της περιοχές. (α) (β) Σχήμα 9.4 Σχηματική διάταξη στοιχειώδους υγροκρυσταλλικού κελιού LCD και διάδοση της φωτεινής ακτινοβολίας μέσα σ αυτό: (α) Χωρίς επίδραση ηλεκτρικού πεδίου η φωτεινή ακτινοβολία διέρχεται από τον πολωτή. (β) Mε επίδραση ηλεκτρικού πεδίου η φωτεινή ακτινοβολία δεν διέρχεται από τον πολωτή. Απομακρύνοντας την τάση από κάθε περιοχή δημιουργείται άμεση επαναφορά στις 90 ο στρέψης της δομής. Το αποτέλεσμα είναι μία απεικόνιση με καλή αντίθεση και χρόνο απόκρισης. Ο τύπος αυτός των υγροκρυσταλλικών κελιών μπορεί να λειτουργήσει με φως του περιβάλλοντος ή με τεχνητό φως. Τα ηλεκτρόδια των υγροκρυσταλλικών κελιών συνδέονται με μια ηλεκτρική πηγή π.χ. μια μπαταρία. Ένα μεγάλο πλεονέκτημα είναι ότι για τη λειτουργία του απαιτείται πολύ χαμηλή ενέργεια. Το απλό LCD κελί που παρουσιάστηκε απαιτεί μια εξωτερική πηγή φωτισμού. Τα υλικά των υγρών κρυστάλλων δεν εκπέμπουν φως από μόνα τους. Σε ένα ρολόι χειρός π.χ., οι αριθμοί εμφανίζονται εκεί όπου τα μικρά ηλεκτρόδια φορτίζουν τους υγρούς κρυστάλλους και κάνουν τα διάφορα στρώματα να αποσυστρέφονται ούτως ώστε το φως δεν διαδίδεται μέσω των πολωτικών φίλτρων. Οι περισσότερες LCD οθόνες των υπολογιστών φέρουν, στο επάνω μέρος, στα πλάγια και μερικές φορές πίσω από την οθόνη των υγρών κρυστάλλων, λάμπες φθορισμού. Μια άσπρη επιφάνεια πίσω από το LCD διαχέει το φως με τρόπο ώστε η οθόνη να φωτίζεται ομοιόμορφα. Κατά την πορεία του φωτός μέσα από φίλτρα, υγρούς κρυστάλλους και ηλεκτρόδια, αρκετό απ αυτό απορροφάται και συχνά χάνεται περισσότερο από το μισό. Στο παραπάνω παράδειγμα, χρησιμοποιούνται συνήθως ένα επίπεδο ηλεκτρόδιο και ένα απλό ραβδόμορφο ορθογώνιο ηλεκτρόδιο, τα οποία ελέγχουν ποιοι υγροί κρύσταλλοι αποκρίνονταν στο ηλεκτρικό πεδίο. Αν στο στρώμα 170

5 που περιέχει το ορθογώνιο ηλεκτρόδιο προστεθούν και άλλα ηλεκτρόδια, μπορούν να επιτευχθούν πιο εξεζητημένες απεικονίσεις. Έτσι μια οθόνη υγρών κρυστάλλων δεν είναι τίποτα περισσότερο από ένα τέτοιο «σάντουιτς» πολωτικών φίλτρων και υγρών κρυστάλλων. Η εικόνα σχηματίζεται ανάλογα με το ηλεκτρικό φορτίο που ασκείται στους υγρούς κρυστάλλους, είτε από ένα πλέγμα μικροσκοπικών ηλεκτροδίων στις οθόνες τύπου LCD, οι οποίες έχουν είδη ξεπεραστεί και η παραγωγή τους έχει περιοριστεί στο ελάχιστο, είτε από μια συστοιχία ημιαγωγών (τρανζίστορ) στις οθόνες τύπου TFT, οι οποίες αποτελούν την πλέον αποδεκτή πρόταση απεικόνισης με τη βοήθεια υγρών κρυστάλλων. Το 1985 για πρώτη φορά χρησιμοποιήθηκε ελαφρά τροποποιημένη έκδοση του στραμμένου τύπου που ονομάζεται πολυσυστραμμένος νηματικός τύπος (Super Twisted Νematic, STN). Στην περίπτωση αυτή τα υγροκρυσταλλικά μόρια στρέφονται κατά 270 αντί για 90. Τα αποτελέσματα είναι σαφώς καλύτερα με ακόμη ευκρινέστερα σύμβολα και επιπλέον όταν η παρατήρηση γίνεται από κάποια γωνία. Ο τύπος STN εφαρμόζεται με μεγάλη επιτυχία σε πολλά συστήματα απεικόνισης. Πολύ σημαντικό ρόλο στην ανάπτυξη των LCD οθονών έπαιξε η εύρεση υλικών με μεσοφάσεις στη θερμοκρασία δωματίου και σταθερότητα στο φως και στη έκθεση στον ατμοσφαιρικό αέρα. Στόχος πάντα είναι να είναι δυνατή η λειτουργία τους μεταξύ 30 ο C και +85 ο C Σιδηροηλεκτρικοί ΥΚ (Surface Stabilised Ferroelectric LCDs (SSFLCDs) Οι σιδηροηλεκτρικοί υγροί κρύσταλλοι (FLC) έχουν μια σπειροειδή νηματοειδή μορφή η οποία επιτρέπει πολύ γρήγορες αποκρίσεις στον προσανατολισμό των μορίων της τάξης του μs. Συνήθως (Σχήμα 9.5) αποτελούνται από χειρόμορφους σμηκτικούς SmΑ και SmC. H σμηκτική φάση που σχηματίζεται μπορεί να είναι εγγενής ή με προσθήκη χειρόμορφων προσθέτων. Τα μόρια ευθυγραμμίζονται κατά μήκος της έλικας. Οι σιδηροηλεκτρικοί είναι τα υλικά τα οποία εμφανίζουν μακροσκοπικά αυθόρμητη πόλωση P s, λόγω περιορισμένης συμμετρίας. Η διαμόρφωση των ΥΚ είναι μια πολυεπίπεδη δομή, και τα όρια των στρωμάτων είναι παράλληλα επίπεδα, αλλά τα όρια δεν είναι απαραίτητα κάθετα προς το υπόστρωμα. Σε κάθε στρώμα τα μόρια είναι παράλληλα μεταξύ τους. Στα συστήματα απεικόνισης οι σιδηροηλεκτρικοί παραμένουν πάντα παράλληλοι με την επιφάνεια της οθόνης. Έτσι, δεν παρατηρείται μεγάλη μεταβολή του προσανατολισμού των μορίων πριν και μετά την εφαρμογή ηλεκτρικού πεδίου. Για τον λόγο αυτόν εξασφαλίζουν μεγάλες γωνίες θέασης, ενώ, επιπλέον, έχουν περίπου φορές μικρότερους χρόνους απόκρισης σε σχέση με τις οθόνες νηματικών υγρών κρυστάλλων. Οι οθόνες αυτού του τύπου παρουσιάζουν ιδιαίτερο επιστημονικό και πρακτικό ενδιαφέρον, αν και μέχρι στιγμής δεν έχουν βρει ευρεία εμπορική εφαρμογή. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε σύνθετες οθόνες χωρίς να απαιτούνται πίνακες ενεργών στοιχείων, και, επιπρόσθετα, έχουν πολύ μικρούς χρόνους απόκρισης (της τάξης των μs) πολύ μικρότερους από τις συμβατικές οθόνες νηματικού τύπου (της τάξης των ms). Μειονέκτημα αυτών είναι η δυσκολία στην επεξεργασία των σιδηροηλεκτρικών υγρών κρυστάλλων. Σχήμα 9.5 Ενώσεις που σχηματίζουν σιδηροηλεκτρικές υγροκρυσταλλικές φάσεις. 171

6 9.1.5 Υγροκρυσταλλικές απεικονίσεις που χρησιμοποιούν χρωστικές Όταν τα μόρια των πιγμέντων που είναι επιμήκη διαλύονται σε υγρούς κρυστάλλους, τείνουν να ταξινομηθούν κατά μήκος του κατευθυντή του υγρού κρυστάλλου (το φαινόμενο ονομάζεται quest-host interaction). Ορισμένα μόρια πιγμέντων απορροφούν φως συγκεκριμένου μήκους κύματος καλύτερα εάν το φως είναι πολωμένο κατά μήκος ενός άξονα του μορίου και ονομάζονται διχρωικά χρώματα. Παραδείγματα ενώσεων που παρουσιάζουν το φαινόμενο αυτό δίνονται στο Σχήμα 9.6. Σχήμα 9.6 Παραδείγματα διχρωικών ενώσεων. Οι διχρωικές ιδιότητες των μορίων του χρώματος μπορούν να χρησιμοποιηθούν για απεικονίσεις όταν σ αυτά ενεργήσει ένα ηλεκτρικό πεδίο που επιφέρει τον επαναπροσανατολισμό και των μορίων του χρώματος αλλά και των μορίων των υγρών κρυστάλλων. Ένα στρώμα υγρών κρυστάλλων που περιέχει ένα κατάλληλο διχρωικό χρώμα απορροφά αποτελεσματικά το πολωμένο φως μόνον εάν ο άξονας της πόλωσης συμπίπτει με τον άξονα του μορίου, με την προϋπόθεση ότι το χρώμα έχει θετικό διχρωισμό (Σχήμα 9.7). Σχήμα 9.7 Διατάξεις μορίου διχρωικού χρώματος ως προς τη διεύθυνση του φωτός (a) και (b) διατάξεις ελάχιστης απορρόφησης (c) διάταξη μεγίστης απορρόφησης. 172

7 Στην κυψελίδα απεικόνισης του Σχήματος 9.8, το φως διαδίδεται από έναν απλό πολωτή στο επάνω μέρος της κυψελίδας που πολώνει το φως κατά μήκος του κατευθυντή του υγρού κρυστάλλου. Ο υγρός κρύσταλλος περιέχει μερικά διαλυμένα μόρια διχρωικού χρώματος. Το χρώμα απορροφά καλύτερα όταν το φως είναι πολωμένο κατά μήκος του μεγάλου άξονα των μορίων του χρώματος, τότε η απεικόνιση εμφανίζει λαμπερά χρώματα κατά την ανάκλαση και μετάδοση. Εάν ο κατευθυντής του υγρού κρυστάλλου είναι προσανατολισμένος κατά μήκος του ηλεκτρικού πεδίου, η απεικόνιση εμφανίζει λιγότερη λαμπρότητα στην ανάκλαση ή μετάδοση, εφόσον το φως είναι πολωμένο κάθετα προς τον μεγάλο άξονα των μορίων του χρώματος. Το τελικό αποτέλεσμα είναι ότι στην απεικόνιση εμφανίζονται λιγότερο λαμπερά χρώματα σε έντονα φωτεινή οθόνη (back ground). Σχήμα 9.8 Υγροκρυσταλλική απεικόνιση quest-host χρησιμοποιώντας διχρωικά χρώματα. Ένα ηλεκτρικό πεδίο (β) προκαλεί επαναπροσανατολισμό του υγρού κρυστάλλου, το οποίο με τη σειρά του επαναπροσανατολίζει τα μόρια του χρώματος. Τα χαρακτηριστικά της απορρόφησης της κυψελίδας αλλάζουν από τη χωρίς επίδραση ηλεκτρικού πεδίου κατάσταση (α). Το εντελώς αντίθετο συμβαίνει όταν οι υγροί κρύσταλλοι είναι ταξινομημένοι ομοιοτροπικά και τα μόρια των υγρών κρυστάλλων μπορούν να προσανατολιστούν κάθετα προς το ηλεκτρικό πεδίο. Τότε εμφανίζονται έντονα λαμπερά χρώματα στα σύμβολα και όχι έντονα φωτεινή οθόνη. Το πλεονέκτημα αυτής της απεικόνισης (quest - host LCD) είναι κυρίως η χρήση ενός μόνο πολωτή, με αποτέλεσμα τη σημαντική αύξηση της λαμπρότητας της απεικόνισης. Σε μια άλλη παραλλαγή αυτής της μεθόδου δεν χρησιμοποιούνται καθόλου πολωτές. Μέσα σε ένα χειρόμορφο υγρό κρύσταλλο με μικρό βήμα, διαλύεται ένα διχρωικό χρώμα. Οι γυάλινες ή άλλου είδους επιφάνειες είναι επεξεργασμένες με τέτοιον τρόπο ώστε ο υγρός κρύσταλλος που είναι μέσα στην κυψελίδα να εμφανίζει περιοχές με διαφορετική διεύθυνση των ελικοειδών αξόνων όπως απεικονίζονται στο Σχήμα 9.9α. Μικρό βήμα της έλικας σημαίνει ότι ο κατευθυντής σε κάθε νηματικό επίπεδο συστρέφεται με μεγάλη γωνία. Σχήμα 9.9 Υγροκρυσταλλική απεικόνιση quest-host κάνοντας χρήση της αλλαγής φάσης από χειρόμορφη νηματική (α) σε νηματική (β) λόγω της εφαρμογής τάσης. Τα χαρακτηριστικά απορρόφησης των μορίων του διχρωικού χρώματος είναι διαφορετικά για τις δύο φάσεις. 173

8 9.1.6 Απεικονίσεις με σμηκτικούς υγρούς κρυστάλλους Οι σμηκτικοί υγροί κρύσταλλοι δεν ανταποκρίνονται σε ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία τόσο εύκολα όσο οι νηματικοί. Μια απλή εφαρμογή ενός πεδίου (ηλεκτρικού ή μαγνητικού) δεν επιφέρει αρκετή αλλαγή στις οπτικές ιδιότητες των σμηκτικών υγρών κρυστάλλων. Το ενδιαφέρον των σμηκτικών σε ό, τι αφορά τα συστήματα απεικόνισης παρουσιάζεται όταν, κατά την ψύξη που υφίστανται οι υγροί κρύσταλλοι για να γίνουν σμηκτικοί, υπάρχει ή όχι ηλεκτρικό πεδίο. Στην περίπτωση που υπάρχει ηλεκτρικό πεδίο, τότε εμφανίζεται ένας προσανατολισμός των μορίων τους, όπως παρουσιάζεται στο Σχήμα 9.10α, ενώ σε απουσία ηλεκτρικού πεδίου τα μόρια των σμηκτικών δεν παρουσιάζουν ομοιόμορφο προσανατολισμό. Στην περίπτωση αυτή έχουμε εμφάνιση περιοχών με διαφορετικό προσανατολισμό των μορίων, όπως παρουσιάζεται στο Σχήμα 9.10β, και το φαινόμενο ονομάζεται κωνικά εστιαζόμενη δομή (focal conic texture). Αυτές οι δομές των σμηκτικών υγρών κρυστάλλων παραμένουν ακόμη και μετά την απομάκρυνση του ηλεκτρικού πεδίου. Στην πρώτη περίπτωση το σύστημα απεικόνισης παρουσιάζεται διαυγές, ενώ στη δεύτερη λευκό. Εάν κάποια μόρια χρώματος υπάρχουν μέσα στην κυψελίδα, τότε μπορούν να εμφανιστούν αρκετές αποχρώσεις με πολύ καλή ευκρίνεια. Σχήμα 9.10 Σμηκτική υγροκρυσταλλική απεικόνιση. Αν ψυχθεί από τη νηματική φάση παρουσία ηλεκτρικού πεδίου, η μεσοφάση που δημιουργείται με τη δομή (α) είναι διαφανής. Με ψύξη χωρίς ηλεκτρικό πεδίο δημιουργείται η δομή (β), η οποία είναι σε μεγάλο βαθμό σκεδασμένη Υγροκρυσταλλικά συστήματα απεικονίσεων διασκορπισμένων πολυμερών (PDLC) Σε μια νέα τεχνολογία, στα υγροκρυσταλλικά συστήματα απεικονίσεων χρησιμοποιούνται πολυμερή που περιέχουν τους υγρούς κρυστάλλους αντί γυάλινων επιφανειών. Αυτές οι κυψελίδες μπορούν ευκολότερα να παρασκευαστούν και έχουν καλύτερα αποτελέσματα από ό, τι οι κοινές κυψελίδες LCD. Οι υγροί κρύσταλλοι περιέχονται σε μικροσκοπικές περιοχές (διαμέτρου μm) μέσα σε στερεό πολυμερές, όπως παρουσιάζεται στο Σχήμα 9.11α. Η κατασκευή αυτών των υλικών, παρότι φαίνεται δύσκολη, είναι στην πραγματικότητα αρκετά εύκολη. Όταν αυτά τα υλικά τοποθετηθούν ως παράλληλες επιφάνειες υγροκρυσταλλικής κυψελίδας, αυτό το σύστημα απεικόνισης ονομάζεται «υγροκρυσταλλικό σύστημα απεικόνισης διασκορπισμένων πολυμερών» (Polymer Dispersed Liquid Crystal, PDLC). Κυψελίδες αυτής της κατασκευής σκεδάζουν το φως πολύ αποτελεσματικά και είναι αντικείμενο εκτεταμένης έρευνας στο πεδίο των συστημάτων απεικόνισης. Είναι πολύ εύκαμπτα, ελαφριά και οικονομικά υλικά (Σχήμα 9.12). 174

9 Σχήμα 9.11 Υγροκρυσταλλικό σύστημα απεικόνισης διασκορπισμένων πολυμερών: (α) Τα σταγονίδια του υγρού κρυστάλλου είναι διασκορπισμένα σε όλο το πολυμερές. (β) Οι δύο πιθανές διαμορφώσεις της προτιμητέας διεύθυνσης (director) εντός των σταγονιδίων. Σχήμα 9.12 Εφαρμογή απεικονίσεων διασκορπισμένων πολυμερών. Όπως ήδη έχει γίνει κατανοητό, η τεχνολογία των συστημάτων απεικόνισης με υγρούς κρυστάλλους έχει δυνατότητες εφαρμογής σε πολλά συστήματα. Τα τελευταία 30 χρόνια η αγορά αυτών των συστημάτων αυξάνεται κατά 25% κάθε χρόνο. Σήμερα τα υγροκρυσταλλικά συστήματα απεικόνισης έρχονται πρώτα σε πωλήσεις και έχουν αντικαταστήσει σχεδόν πλήρως αυτά με τους ογκώδεις καθοδικούς σωλήνες. Η τηλεόραση μοιάζει με ένα κάδρο που τοποθετείται στον τοίχο ή επάνω σε ένα τραπέζι σαν μια φωτογραφία. Τα Σχήματα 9.13 και 9.14 παρουσιάζουν τέτοια συστήματα. Συνοψίζοντας για τα συστήματα απεικονίσεων διασκορπισμένων πολυμερών: Η λειτουργία τους δεν στηρίζεται σε φαινόμενα πόλωσης του φωτός. Το φως σκεδάζεται από μόρια LC όταν αυτά δεν είναι ευθυγραμμισμένα, ενώ τα διαπερνά όταν ευθυγραμμίζονται με την εφαρμογή τάσης. Μόνο ενεργητικής μήτρας, που οδηγούνται από ανόργανα TFTs (τρανζίστορ λεπτού στρώματος). 175

10 Σχήμα 9.13 Ταμπλό (πίνακας οργάνων) αυτοκινήτου με υγροκρυσταλλική απεικόνιση. Σχήμα 9.14 Συσκευές με υγροκρυσταλλική οθόνη Ηλεκτρόδια παθητικής μήτρας και ενεργητικής μήτρας Τα LCD με κοινό επίπεδο ηλεκτρόδιο είναι καλά για απεικονίσεις όπου χρειάζεται να εμφανίζεται ξανά και ξανά η ίδια πληροφορία, και χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές όπως ρολόγια χειρός ή ενδείξεις χρόνου σε φούρνους μικροκυμάτων και άλλων οικιακών συσκευών κ.λπ. Στους υπολογιστές όμως χρησιμοποιούνται κυρίως δύο τύποι LCD: Παθητικής μήτρας Ενεργητικής μήτρας Στα LCD με παθητική μήτρα χρησιμοποιείται ένα απλό πλέγμα για να εξασφαλιστεί το φορτίο σε ένα συγκεκριμένο πίξελ της οθόνης. Η δημιουργία του πλέγματος γίνεται ως εξής. Αρχίζει με δύο στρώματα, από γυαλί ή άλλο διαφανές κατάλληλο υλικό, που αποτελούν τα υποστρώματα. Το ένα υπόστρωμα περιέχει στήλες και το άλλο γραμμές κατασκευασμένες από διαφανές αγώγιμο υλικό. Οι γραμμές και οι στήλες συνδέονται με ολοκληρωμένα κυκλώματα, τα οποία ελέγχουν πότε το φορτίο διαρρέει μια συγκεκριμένη γραμμή ή μια στήλη. Το υλικό του υγρού κρυστάλλου τοποθετείται ανάμεσα στα δύο υποστρώματα σαν «σάντουιτς», ενώ ένα πολωτικό φίλτρο προστίθεται στην εξωτερική πλευρά κάθε υποστρώματος. Για να φωτίσουμε ένα συγκεκριμένο πίξελ, το ολοκληρωμένο κύκλωμα καθοδηγεί το φορτίο σε επιλεγμένη στήλη 176

11 του ενός υποστρώματος. ενώ γειώνεται η κατάλληλη αντίστοιχη σειρά του άλλου υποστρώματος. Η σειρά και η στήλη τέμνονται στο επιθυμητό πίξελ, και έτσι εξασφαλίζεται η απαραίτητη διαφορά δυναμικού για να αποσυστραφούν οι υγροί κρύσταλλοι στο πίξελ αυτό. Η απλότητα του συστήματος παθητικής μήτρας εμφανίζει σημαντικά μειονεκτήματα. Ειδικότερα εμφανίζει αργούς χρόνους απόκρισης και όχι και τόσο μεγάλη ακρίβεια στον έλεγχο της διαφοράς δυναμικού. Ο χρόνος απόκρισης αναφέρεται στη δυνατότητα του LCD να ανανεώνει την εικόνα επί της οθόνης. Ο πιο απλός τρόπος να αντιληφθούμε την αργή απόκριση μιας οθόνης LCD με παθητική μήτρα είναι να κινήσουμε τον δείκτη (κέρσορα) με το ποντίκι, γρήγορα από τη μια άκρη της οθόνης στην άλλη. Θα παρατηρήσουμε μια σειρά από «είδωλα» να ακολουθούν τον κέρσορα. Ο μη ακριβής έλεγχος της τάσης επηρεάζει τη δυνατότητα να φωτίζεται μόνο ένα πίξελ κάθε φορά. Όταν εφαρμόζεται τάση για να αποσυστρέψει ένα πίξελ, τα γειτονικά πίξελ αποσυστρέφονται εν μέρει επίσης, πράγμα που κάνει την εικόνα θολή και χωρίς έντονη αντίθεση (κοντράστ). Τα LCD με ενεργή μήτρα βασίζονται σε τρανζίστορ λεπτού στρώματος (TFT). Βασικά τα TFTs είναι μικροσκοπικά τρανζίστορ και πυκνωτές που λειτουργούν ως διακόπτες. Τοποθετούνται με μορφή μιας μήτρας πάνω σε ένα γυάλινο υπόστρωμα. Για να προσδιορίσουμε ένα συγκεκριμένο πίξελ, καθιστούμε αγώγιμη την κατάλληλη σειρά, και, στη συνέχεια, στέλνουμε ένα φορτίο στη σωστή στήλη. Επειδή όλες οι άλλες γραμμές που τέμνει η συγκεκριμένη στήλη δεν άγουν τα φορτία, φορτίζεται μόνο ο πυκνωτής στο πίξελ που στοχεύουμε. Ο πυκνωτής έχει την ικανότητα να κρατήσει το φορτίο του έως τον επόμενο κύκλο ανανέωσης της απεικόνισης. Αν ελέγχουμε προσεκτικά την εφαρμοζόμενη τάση στον υγρό κρύσταλλο, μπορούμε να τον κάνουμε να αποσυστραφεί εν μέρει, τόσο όσο χρειάζεται για να επιτρέψει να περάσει μερική ποσότητα από το φως. Με τον τρόπο αυτόν, δηλαδή με ακριβείς μικρές αυξήσεις της τάσης, τα LCD μπορούν να δημιουργήσουν όλη την κλίμακα των γκρι αποχρώσεων. Οι περισσότερες οθόνες σήμερα διαθέτουν περισσότερα από 256 επίπεδα λαμπρότητας για κάθε πίξελ Η δημιουργία χρώματος στα LCD Ένα LCD για να μπορεί να εμφανίσει χρώματα πρέπει να διαθέτει τρία υποπίξελ, με κόκκινο, πράσινο, και μπλε χρωματικά φίλτρα, για να παρουσιάζει χρώμα κάθε πίξελ (Σχήμα 9.15). Με προσεκτικό έλεγχο και μικρές μεταβολές της τάσης, η ένταση φωτός καθενός υποπίξελ, μπορεί να κυμαίνεται σε περισσότερες από 256 διαφορετικές τιμές. Συνδυάζοντας τα υποπίξελ, παράγεται μια παλέτα με περισσότερα από 16,8 εκατομμύρια χρώματα (256 αποχρώσεις του κόκκινου Χ 256 αποχρώσεις του πράσινου Χ 256 αποχρώσεις του μπλε). Αυτές οι οθόνες χρειάζονται έναν πολύ μεγάλο αριθμό από τρανζίστορ. Για παράδειγμα, μια τυπική οθόνη φορητού υπολογιστή, υποστηρίζει ανάλυση το λιγότερο x 768. Αν πολλαπλασιάσουμε στήλες επί 768 γραμμές επί 3 υποπίξελ, παίρνουμε τρανζίστορ χαραγμένα πάνω σε μια πλακέτα. 177

12 Σχήμα 9.15 LCD με τρία υποπίξελ, με κόκκινο, πράσινο, και μπλε χρωματικά φίλτρα. Το μέγεθος της οθόνης περιορίζεται από την ποιότητα που επιβάλλει ο κατασκευαστής κατά τον έλεγχο ποιότητας των οθονών. Έτσι, ο κατασκευαστής, για να αυξήσει το μέγεθος της οθόνης, πρέπει να προσθέσει και άλλα πίξελ και τρανζίστορ. Καθώς αυξάνεται ο αριθμός των τρανζίστορ, αυξάνεται και η πιθανότητα να βρεθούν αρκετά απ αυτά ελαττωματικά επί της οθόνης. Οι κατασκευαστές των οθονών μεγάλου μεγέθους απορρίπτουν περίπου το 40% των οθονών που βγάζει η γραμμή παραγωγής, ως ελαττωματικές. Το επίπεδο απόρριψης επηρεάζει ευθέως την τιμή της οθόνης, διότι η πώληση των καλών οθονών πρέπει να γίνει σε τέτοια τιμή ώστε να καλυφθεί το κόστος και των απορριφθέντων. Με τη συνεχή βελτίωση των μεθόδων κατασκευής γίνονται πιο προσιτές οι οθόνες μεγαλύτερου μεγέθους Νέες τεχνολογίες LCD οθονών Οι οθόνες TN LCD (Twisted Nematic) αποτελούν την πιο απλή μορφή LCD οθονών. Περιέχουν υγρούς κρυστάλλους που περιστρέφονται σε διάφορες γωνίες επιτρέποντας τη διέλευση φωτός. Όταν δεν εφαρμόζεται τάση, το πολωμένο φως περνάει από την κατά 90 μοίρες στραμμένη επιφάνεια υγρών κρυστάλλων. Στον αντίποδα, όταν εφαρμόζεται τάση, τα μόρια του υγρού κρυστάλλου στρέφονται εμποδίζοντας το φως. Με την κατάλληλη ρύθμιση της έντασης της τάσης, σχεδόν κάθε απόχρωση του γκρι μπορεί να επιτευχθεί. Η οθόνη VA LCD (Vertical Alignment) είναι μια μορφή οθόνης LCD όπου οι υγροί κρύσταλλοι είναι φυσικά προσανατολισμένοι κάθετα στο υπόστρωμα του γυαλιού. Όταν δεν εφαρμόζεται τάση, οι υγροί κρύσταλλοι παραμένουν κάθετοι στο υπόστρωμα, δημιουργώντας ένα μαύρο φόντο μεταξύ δύο πολωτών. Όταν εφαρμοστεί τάση, οι υγροί κρύσταλλοι μετατοπίζονται σε κεκλιμένη θέση, επιτρέποντας το φως να περάσει και να δημιουργήσει μια γκριζωπή επιφάνεια με τον τόνο του χρώματος να εξαρτάται από τη μετατόπιση που προκάλεσε το ηλεκτρικό πεδίο. Οι VA LCD προσφέρουν υψηλό βαθμό αντίθεσης, μεγαλύτερη γωνία παρακολούθησης και καλή ποιότητα εικόνας σε υψηλές θερμοκρασίες, με κύριο μειονέκτημα την πτώση της ποιότητας των χρωμάτων κατά την αλλαγή γωνίας θέσης. Οι οθόνες TFT LCD (Thin Film Transistor) χρησιμοποιούν τρανζίστορ λεπτής μεμβράνης για να βελτιώσουν ποιοτικά χαρακτηριστικά της εικόνας (π.χ. αντίθεση). Η τεχνολογία TFT χρησιμοποιείται σε αρκετές εφαρμογές με επικράτηση κυρίως στην αγορά των τηλεοράσεων, οθονών υπολογιστή και κινητών τηλεφώνων. Η βασική διαφορά μιας TFT LCD οθόνης από μια απλή LCD βρίσκεται στο ότι, αντί για τρανζίστορ από απλή σιλικόνη, περιέχουν ένα λεπτό φιλμ άμορφης σιλικόνης που φυλάσσεται από ένα γυάλινο πλαίσιο. Το ίδιο το τρανζίστορ καταλαμβάνει μόνο ένα μικρό κομμάτι του πίξελ και το υπόλοιπο φιλμ σιλικόνης απομακρύνεται, επιτρέποντας στο φως να περάσει ελεύθερα. 178

13 Οι οθόνες IPS (In-Plane Switching) είναι από τις πιο σύγχρονες μορφές οθονών απεικόνισης υγρών κρυστάλλων, η οποίες αποτελούν ένα είδος TFT LCD, και, όπως όλες οι TFT, χρησιμοποιεί διόδους εκπομπής φωτός (LED) ως πηγή ενεργητικής απεικόνισης. Σχεδιάστηκε με σκοπό να επιλύσει τους περιορισμούς του στραμμένου νηματικού τύπου απεικονίσεων. Οι περιορισμοί αυτοί περιλαμβάνουν την ισχυρή εξάρτηση της οπτικής γωνίας θέασης της οθόνης με την ποιότητα αναπαραγωγής του χρώματος. Η τεχνολογία της IPS περιλαμβάνει τη διευθέτηση και αλλαγή του προσανατολισμού των μορίων του στρώματος του υγρού κρυστάλλου μεταξύ των γυάλινων πλακών. Σε μια οθόνη IPS LCD, οι υγροί κρύσταλλοι τοποθετούνται οριζόντια στην οθόνη αντί για κάθετα, και το ηλεκτρικό πεδίο εφαρμόζεται μεταξύ των άκρων κάθε μορίου κρυστάλλου (πλευρικό ηλεκτρικό πεδίο). Μ αυτόν τον τρόπο, οι κρύσταλλοι παραμένουν παράλληλοι στο ζεύγος των ηλεκτροδίων και επομένως στη γυάλινη πλάκα της οθόνης. Τα μόρια των υγρών κρυστάλλων δεν είναι καθηλωμένα στη γυάλινη πλάκα της οθόνης, με αποτέλεσμα να μπορούν να κινούνται πιο ελεύθερα προς τον επιθυμητό προσανατολισμό. Η τεχνολογία κατασκευής και λειτουργίας μιας οθόνης TFT δυσκολεύει τη ροή του φωτός προκαλώντας μειωμένη αντίθεση στην εικόνα, φωτεινότητα και διάκριση των χρωμάτων σε ευρύτερες γωνίες θέασης της οθόνης. Αντίθετα, οι οθόνες IPS βελτιώνουν τις γωνίες θέασης σε πολύ μεγάλο βαθμό, ωστόσο, για να το πετύχουν αυτό, απαιτείται η χρήση δύο τρανζίστορ για κάθε εικονοκύτταρο της οθόνης. Η χρήση δύο τρανζίστορ οδηγεί στην ανάγκη χρήσης δυνατότερων μέσων παραγωγής φωτός, με αποτέλεσμα τη μεγαλύτερη κατανάλωση ενέργειας. Παρά το μειονέκτημα της αυξημένης κατανάλωσης ενέργειας, οι οθόνες IPS βρίσκουν μεγάλη εφαρμογή ειδικά σε μικρές φορητές συσκευές (smartphones, tablets) λόγω των μικρών οθονών που διαθέτουν και την ανάγκη της ικανότητας θέασης από πολλές γωνίες. Η πρώτη οθόνη IPS LCD κατασκευάστηκε από την ιαπωνική εταιρεία Hitachi το 1996, ενώ η συνεχιζόμενη έρευνα της εταιρείας οδήγησε σε έξι είδη οθονών IPS έως το Η κορεατική εταιρεία LG επίσης συνέβαλε στην ανάπτυξη της τεχνολογίας των οθονών IPS LCD, με τέσσερα είδη οθονών από το 2007 έως το Οι οθόνες QLED (Quantum Dot Light Emitting Diode) εισήχθησαν στην κυκλοφορία για πρώτη φορά το 2015, από διάφορες εταιρείες παραγωγής οθονών. H συγκεκριμένη τεχνολογία βασίζεται στη χρήση κβαντικών κουκίδων (quantum dots) για τη μετατροπή φωτός σε LED φωτισμό οθονών LCD. Οι κβαντικές κουκίδες είναι φθορίζοντα νανοσωματίδια σε διάφορα χρώματα που αποτελούνται από ένα ημιαγώγιμο υλικό, ονομάζονται δε και ημιαγωγοί νανοκρύσταλλοι. Το μέγεθος αυτού του νανοκρύσταλλου είναι της τάξης μερικών έως εκατοντάδων νανόμετρων. Οι κβαντικές κουκίδες περιορίζουν τα ηλεκτρόνια, τις οπές, ή τα ζεύγη των ηλεκτρονίων-οπών (που λέγονται και εξιτόνια) σε μηδενικές διαστάσεις, σε μια περιοχή της τάξης του μήκους κύματος de Broglie των ηλεκτρονίων. Αυτός ο περιορισμός οδηγεί σε ιδιαίτερα κβαντοποιημένα ενεργειακά επίπεδα, καθώς και στην κβαντοποίηση του φορτίου σε μονάδες του στοιχειώδους ηλεκτρικού φορτίου. Οι QLED οθόνες χρησιμοποιούν τη φθορίζουσα ιδιότητα των κβαντικών κουκίδων για τη βελτίωση του φωτισμού των διόδων εκπομπής φωτός μιας LCD οθόνης. Το εκπεμπόμενο φως μιας μπλε διόδου μετατρέπεται από τις κβαντικές κουκίδες σε πράσινο και κόκκινο, έτσι ώστε ο συνδυασμός του μπλε, του πράσινου και του κόκκινου φωτός να υφίσταται μικρότερη απορρόφηση μη επιθυμητών χρωμάτων από τα φίλτρα της οθόνης LCD, με αποτέλεσμα να αυξάνεται η χρήσιμη διακίνηση του φωτός και να δημιουργείται μεγαλύτερη παλέτα χρωμάτων. Πλεονεκτήματα-Μειονεκτήματα των LCDs Πλεονεκτήματα: Μικρή κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας, και, κατά συνέπεια, λιγότερη έκλυση θερμότητας από τη συσκευή στον περιβάλλοντα χώρο. Μια οθόνη TFT των 15 ιντσών καταναλώνει γύρω στα 35 watt ηλεκτρικής ενέργειας, ενώ η κατανάλωση μιας αντίστοιχης CRT κυμαίνεται γύρω στα 90. Εκπέμπουν πολύ λίγη ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Μικρό βάρος και πολύ μικρός όγκος. Χαρακτηρίζονται κυρίως από το πολύ μικρό πάχος τους, που σε πολλές περιπτώσεις μπορεί να συγκριθεί μ αυτό ενός κάδρου. Δεν παρατηρείται τρέμουλο στην εικόνα τους, αφού αυτή δεν σχηματίζεται από μια ακτίνα που σαρώνει την επιφάνεια της οθόνης πολλές φορές το δευτερόλεπτο. Αντιθέτως, η εικόνα που σχηματίζεται παραμένει ως έχει μέχρι αυτή να ανανεωθεί με κάποια καινούρια. 179

14 Μειονεκτήματα: Δεν παρουσιάζουν γεωμετρικές παραμορφώσεις στην εικόνα. Η ευθεία γραμμή απεικονίζεται ως ευθεία γραμμή. Η ιδιότητα αυτή, όπως θα δούμε παρακάτω, επέτρεψε την κατασκευή οθονών τρισδιάστατης στερεοσκοπικής απεικόνισης, οι οποίες επιτρέπουν σε έναν ή και περισσότερους χρήστες να αντιληφθούν πραγματικό βάθος, χωρίς τη χρήση ειδικών γυαλιών ή άλλων συσκευών. Η ωφέλιμη περιοχή απεικόνισης είναι ίση με το μέγεθος της οθόνης. Για παράδειγμα, μια οθόνη CRT 17 ιντσών το μέγιστο μέγεθος απεικόνισης που μπορεί να επιτύχει είναι μεταξύ 15 και 16 ίντσες, ενώ σε μια αντίστοιχη TFT αυτό είναι ίσο με 17 ίντσες. Κατασκευάζονται από οργανικά υλικά περισσότερο φιλικά προς το περιβάλλον. Μεγάλη διάρκεια ζωής. Εύθραυστες και ευαίσθητες σε κοινά καθαριστικά γυάλινων επιφανειών, με τα οποία πολλοί συνήθιζαν να καθαρίζουν τις οθόνες τύπου CRT. Υποστηρίζουν μόνο μια ανάλυση απεικόνισης. Για να αποδοθεί σωστά η απεικόνιση μεγαλύτερης ή μικρότερης ανάλυσης, εφαρμόζεται ανάλογα μεγέθυνση ή σμίκρυνση από τα ηλεκτρονικά κυκλώματα της οθόνης, με αποτέλεσμα να επηρεάζεται αρνητικά η καθαρότητα και η ευκρίνεια της απεικόνισης. Περιορισμένο εύρος γωνίας θέασης. Αν και οι περισσότερες σύγχρονες οθόνες τύπου TFT έχουν βελτιωθεί αρκετά σ αυτόν τον τομέα, παρόλα αυτά δεν είναι λίγες οι οθόνες των οποίων η παρακολούθηση από μεγάλη γωνία παρουσιάζει προβλήματα, όπως αλλοιώσεις, τόσο στα χρώματα, όσο και στη φωτεινότητα της απεικόνισης. Κακή χρωματική απόδοση και μικρή αντίθεση. Ειδικά στα μοντέλα χαμηλού κόστους. Μεγάλος χρόνος απόκρισης / μικρός ρυθμός ανανέωσης της εικόνας, δηλαδή χρόνος που απαιτείται μέχρι να αλλάξει χρώμα ή φωτεινότητα ένα εικονοστοιχείο της οθόνης, με αποτέλεσμα σε εφαρμογές όπου υπάρχει έντονη κίνηση να παρουσιάζονται είδωλα και άλλες παρενέργειες. Στις σύγχρονες οθόνες υγρών κρυστάλλων ωστόσο τέτοια φαινόμενα δεν είναι και τόσο συχνά, αφού είναι αρκετά γρήγορες στην απόκρισή τους (κοντά στα 12 χιλιοστά του δευτερολέπτου), και έτσι η χρήση τους για εφαρμογές με έντονη κίνηση δεν παρουσιάζει κανένα πρόβλημα. Παρόλα αυτά όμως, η στερεοσκοπική έγχρωμη απεικόνιση σε μια απλή (2D) οθόνη υγρών κρυστάλλων, χρησιμοποιώντας ειδικά γυαλιά ηλεκτρονικού διαφράγματος, είναι ακόμα αδύνατη. Ακριβές, σε σύγκριση με τις οθόνες τύπου CRT. Σήμερα η τεχνολογία οθονών LCD έχει τη δυνατότητα να προσφέρει μια πολύ μεγάλη γκάμα οθονών που διαφοροποιούνται τόσο σε κόστος παραγωγής όσο και σε τεχνικά χαρακτηριστικά και απόδοση. Οι οικονομικές κατηγορίες οθονών LCD, όπως οι TN ή οι VA LCDs, παρέχουν πολύ καλή ποιότητα εικόνας με χαμηλό κόστος παραγωγής και επομένως χαμηλό κόστος αγοράς σε σύγκριση με όλες τις ανταγωνιστικές προς τις LCD τεχνολογίες οθονών. Άλλες κατηγορίες LCD, όπως οι IPS και οι QLED, παρέχουν υψηλή ποιότητα εικόνας, με μεγάλη αντίθεση φωτεινότητας και ευρεία γκάμα χρωμάτων που ανταγωνίζεται -και σε ορισμένες περιπτώσεις (QLED) ξεπερνάει- τις ανταγωνιστικές OLED, ενώ το κόστος παραγωγής τους είναι περίπου το ίδιο. Επομένως, προκύπτει το συμπέρασμα ότι, παρά τις νέες τεχνολογίες οθονών που εισάγονται συνεχώς στην αγορά, οι απεικονίσεις υγρών κρυστάλλων δύσκολα θα ξεπεραστούν ως τεχνολογία και θα συνεχίσουν να κατέχουν σημαντικό μερίδιο της αγοράς οθονών για αρκετά χρόνια. 9.2 Εφαρμογές των υγροκρυσταλλικών πολυμερών Στις μέρες μας τα υγροκρυσταλλικά πολυμερή έχουν ανοίξει έναν μεγάλο καινούριο δρόμο στην τεχνολογία των πολυμερών λόγω της θερμικής σταθερότητας, χημικής αντοχής και των υψηλών μηχανικών ιδιοτήτων 180

15 των εμπορικά διαθέσιμων υλικών. Η αξιοποίηση των τάσεων αυτοδιάταξής τους για τη δημιουργία ανισότροπων ή με υψηλή τάξη μικροδομών βρίσκεται συνεχώς σε εξέλιξη. Ο συνδυασμός της μόνιμης ανισοτροπίας τους με τα οπτικά, ηλεκτρικά και μαγνητικά φαινόμενα έχει μεγάλες δυνατότητες ανάπτυξης. Η θερμοδυναμική κινητήρια δύναμη των υγροκρυσταλλικών πολυμερών να παραμείνουν σε προσανατολισμένη τάξη δημιούργησε τη δυνατότητα για νέες μεθόδους είτε εξ απαγωγής είτε με έλεγχο της ευθυγράμμισης των μορίων του πολυμερούς. Παραδείγματος χάρη, μια ενδιαφέρουσα ιδιότητα των υγρών κρυστάλλων είναι ο εύκολος μοριακός τους προσανατολισμός σε μαγνητικά ή ηλεκτρικά πεδία ή, ακόμα, όταν έρχονται σε επαφή με ειδικές επιφάνειες. Χημικά τροποποιημένες επιφάνειες ή επιφάνειες που περιέχουν τοπογραφικά χαρακτηριστικά, όπως μονοαξονικά μικρά αυλάκια ή κοιλότητες, επιδρούν ως οδηγός στον προσανατολισμό μορίων των υγρών κρυστάλλων. Σε διάφορες εργασίες αναφέρεται ότι τα αυλάκια (κοιλότητες) Ǻ πλάτος στα τοιχώματα των γυάλινων σωληνώσεων τριπλασιάζουν την ταχύτητα της μαγνητικής ευθυγράμμισης των μορίων του πολυμερούς. Η χαρακτηριστική επιφάνεια ή το μαγνητικό πεδίο χωριστά δεν είναι σε θέση να προκαλέσουν μακροσκοπικό προσανατολισμό, αλλά ο συνδυασμός των δυνάμεων που γεννιούνται λόγω της επίδρασης της επιφάνειας και του μαγνητικού πεδίου έχει μια δυναμική επίδραση στις δυνάμεις προσανατολισμού των υγροκρυσταλλικών πολυμερών. Τα επιφανειακά φαινόμενα και το εξωτερικό πεδίο μπορούν να οδηγήσουν σε διεπιφανειακή ενέργεια που, στη συνέχεια, μπορεί να προκαλέσει μια σημαντική αλλαγή στη δυναμική του πολυμερούς. Μία χαρακτηριστική ιδιότητα μερικών υγροκρυσταλλικών πολυμερών είναι ότι σε υψηλές θερμοκρασίες γίνεται διαχωρισμός της φάσης τους σε μία διπλοδιαθλαστική υγρή κρυσταλλική φάση και μία ανισότροπη φάση. Η «διφασική» θερμική περιοχή μπορεί να έχει εύρος της τάξης των 100 ο C, και η αιτία και οι μηχανισμοί μέσα από τους οποίους γίνεται ο διαχωρισμός δεν έχουν ακόμα κατανοηθεί και ερμηνευθεί πλήρως. Πάντως, με κάποια φαντασία θα μπορούσαν να σχεδιαστούν ενδιαφέροντα μορφώματα μέσα από τη στερεοποίηση αυτών των «διφασικών» ρευστών Το μέλλον των υγροκρυσταλλικών πολυμερών Η Επιστήμη των αυτοταξινομούμενων πολυμερών είναι ακόμα νέα. Ο συνδυασμός της ποικίλης και αυτοταξινομούμενης συμπεριφοράς τους μπορεί να οδηγήσει στο μέλλον και σε νέα υλικά και ιδιότητες. Μερικές από τις τεχνικές δυνατότητες αναφέρονται στις οπτικές ιδιότητες που απορρέουν από τη μεγάλη ακτίνα αυτοταξινόμησης των μορίων του πολυμερούς. Για παράδειγμα, μπορεί να παρασκευαστεί χρώμα χωρίς χρωστικές ουσίες, εφόσον ο προσανατολισμός των μορίων στη χοληστερική φάση παγώσει μέσα σε στέρεο υλικό. Πρέπει να γνωρίζουμε ότι πολλά βιοπολυμερή παρουσιάζουν υγρή κρυσταλλικότητα. Μέσω της Επιστήμης και της τεχνικής των υγροκρυσταλλικών πολυμερών μπορούμε να μάθουμε περισσότερα για τη δομή και τις λειτουργίες στα οργανικά κύτταρα και μεμβράνες, ένας τομέας που είναι μεγάλης σημασίας για τη Βιοτεχνολογία. Μία πολλά υποσχόμενη εφαρμογή των υγροκρυσταλλικών πολυμερών αφορά σε επικαλύψεις οπτικών ινών. Στον τομέα της Μικροηλεκτρονικής, τα θερμοτροπικά υγροκρυσταλλικά πολυμερή επίσης μπορούν να βρουν εφαρμογές ως λεπτά μονωτικά στρώματα σε προχωρημένες τεχνολογίες συσκευασίας. Λόγω της χημικής τους αδράνειας και σκληρότητας, τα υγροκρυσταλλικά πολυμερή αποτελούν ένα εξαιρετικό επικάλυμμα για εύθραυστα κεραμικά υλικά. 9.3 Θερμογραφία με υγρούς κρυστάλλους Το βήμα της ελικοειδούς δομής ενός χοληστερικού υγρού κρυστάλλου εξαρτάται από τη θερμοκρασία, τα πρόσθετα, το ηλεκτρικό και το μαγνητικό πεδίο. Το βήμα συνδέεται άμεσα με το μήκος του ανακλώμενου φωτός. Έτσι, ορισμένοι τύποι χοληστερικών υγρών κρυστάλλων έχουν την ικανότητα να ανακλούν ορατό φως διαφορετικού μήκους κύματος, σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Μ αυτόν τον τρόπο, οι διαφορές θερμοκρασίας ενός σώματος μπορούν να παρατηρηθούν οπτικά. Οι θερμοχρωμικοί υγροί κρύσταλλοι (TLC), όπως συνηθίζονται να αναφέρονται σήμερα, δεν είναι άλλο από μείγματα χοληστερικών υγρών κρυστάλλων. Οι μεταβολές της θερμοκρασίας στα μείγματα οδηγούν στην εκλεκτική ανάκλαση των διαφορετικών μηκών κύματος του ορατού φωτός, με αποτέλεσμα την εμφάνιση διαφορετικών χρωμάτων. Οι TLC λειτουργούν από τους -30 C έως τους 120 C με εύρος ζώνης (η 181

16 ενεργή περιοχή θερμοκρασίας) 0.1 C έως 30 C, αλλάζοντας το χρώμα ομαλά από κόκκινο σε μπλε. Ο χρόνος απόκρισης των TLC είναι περίπου 3 ms. Οι TLC είναι οργανικές ενώσεις που μπορούν εύκολα να αλλοιωθούν όταν εκτίθενται σε χημική μόλυνση και σε υπεριώδη ακτινοβολία (UV). Οι θερμοχρωμικοί υγροί κρύσταλλοι (TLC) θα πρέπει να έχουν βήμα εξαιρετικά ευαίσθητο στη θερμοκρασία. Οι χοληστερικοί υγροί κρύσταλλοι παρουσιάζουν πολύ μικρό βήμα έλικας, με αποτέλεσμα να ικανοποιείται η απαίτηση για ευαισθησία στις θερμοκρασιακές μεταβολές. Οι θερμοχρωμικοί υγροί κρύσταλλοι μπορούν εύκολα να απλώνονται πάνω σε μια επιφάνεια και ο χρωματικός χάρτης μπορεί να καταγραφεί από τεχνικές απεικόνισης (για παράδειγμα, ψηφιακή φωτογραφία), ώστε να δημιουργηθεί ένας θερμικός χάρτης της περιοχής ενδιαφέροντος. Το βήμα του χοληστερικού υγρού κρυστάλλου, όπως είδη έχει αναφερθεί, συναρτάται από τη θερμοκρασία και μειώνεται με την αύξηση αυτής, έτσι το εκλεκτικά ανακλώμενο μήκος κύματος του φωτός μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. δηλαδή με την αύξηση της θερμοκρασίας, παρατηρείται σταδιακή μετατόπιση από το κόκκινο στο μπλε χρώμα (Σχήμα 9.16). Σχήμα 9.16 Με την αύξηση της θερμοκρασίας σε χοληστερικό υγροκρυσταλλικό μείγμα παρουσιάζεται μείωση του βήματος, με αποτέλεσμα τη σταδιακή μετατόπιση του εκλεκτικά ανακλώμενου φωτός από το κόκκινο στο μπλε χρώμα. Χρησιμοποιώντας ελεύθερα το παχύρρευστο υγροκρυσταλλικό υλικό γίνεται δύσκολη η θερμική χαρτογράφηση, ενώ με εγκλεισμό (microencapsulation) των TLC με πολυμερή γίνεται ευκολότερη η θερμική χαρτογράφηση. Επιπλέον, μ αυτήν τη μέθοδο παρέχεται προστασία από χημική και περιβαλλοντική μόλυνση, καθώς και προστασία από την υπεριώδη έκθεση (UV) Εφαρμογές των ΥΚ στη θερμογραφία και ειδικότερα στην Ιατρική Η θερμογραφία με υγρούς κρυστάλλους μπορεί να χρησιμοποιηθεί και να επαναληφθεί όσο συχνά επιθυμούμε χωρίς παρενέργειες για τον οργανισμό. Το αποτέλεσμα είναι ένας έγχρωμος θερμοκρασιακός χάρτης (Σχήμα 9.17). Για την καλύτερη απόδοση των χρωμάτων, πριν την επάλειψη του μείγματος των ΥΚ γίνεται επίστρωση του δέρματος με μαύρο ειδικό χρώμα. Στη συνέχεια, παρατίθενται ορισμένες από τις πολλές εφαρμογές της θερμογραφίας με ΥΚ στην Ιατρική. Εξέταση της κυκλοφορίας του αίματος Κάθε χρώμα αντιστοιχεί σε μια ορισμένη θερμοκρασία (Σχήμα 9.17): Οι χαμηλές θερμοκρασίες παρουσιάζονται με τα χρώματα καφέ και κόκκινο, που δείχνουν μια πολύ κακή κυκλοφορία του αίματος. Η «πιο κρύα» θερμοκρασία καθορίζεται από την καφέ απόχρωση. Αυτό σημαίνει πολύ κακή αιμάτωση των ιστών. Οι υψηλότερες θερμοκρασίες παρουσιάζονται με πράσινο, μοβ και μπλε και είναι σημάδια μιας καλής έως πολύ καλής παροχής αίματος. Η «θερμότερη» θερμοκρασία, και, συνεπώς, η καλύτερη ροή του αίματος, υποδεικνύεται από ένα έντονο μπλε χρώμα. Στον Πίνακα 9.1 παρουσιάζονται μείγματα από χοληστερικούς υγρούς κρυστάλλους σε διαφορετικές συστάσεις και οι θερμοκρασιακές περιοχές εμφάνισης της εκλεκτικής ανάκλασης του ορατού φάσματος που χρησιμοποιούνται στην ιατρική θερμογραφία. 182

17 Σχήμα 9.17 Εξέταση της κυκλοφορίας του αίματος σε χέρια με εφαρμογή μείγματος ΧΥΚ. Πίνακας 9.1 Μείγματα χοληστερικών υγρών κρυστάλλων και οι θερμοκρασίες μεταβολές εμφάνισης της εκλεκτικής ανάκλασης του ορατού φάσματος. Υγρός κρύσταλλος Ελαϊκός εστέρας της χοληστερόλης Πελαργονικός εστέρας της χοληστερόλης Βενζοϊκός εστέρας της χοληστερόλης Θερμοκρασία ( ο C) Τύπος 1 0,65 0,25 0, Τύπος 2 0,45 0,45 0,10 26,5-30,5 Τύπος 3 0,40 0,50 0, Τύπος 4 0,30 0,60 0, Διάγνωση του καρκίνου του μαστού σε πρώιμα στάδια Κλινικές μελέτες και πειράματα έχουν δείξει ότι οι συστάδες των καρκινικών κυττάρων έχουν μια υψηλότερη θερμοκρασία από τον περιβάλλοντα ιστό (Σχήμα 9.18). Αυτό είναι μια συνέπεια του ταχύτατου μεταβολισμού των καρκινικών κυττάρων, καθώς και της ικανότητάς τους να παράγουν χημικές ουσίες που διεγείρουν την ταχεία ανάπτυξη των αιμοφόρων αγγείων. Ως αποτέλεσμα, η εμφάνιση όγκου εκδηλώνεται με μια αύξηση της θερμοκρασίας του ιστού κατά τουλάχιστον 0,7 C. Τέτοιες αλλαγές μπορεί να ανιχνευθούν εύκολα με τη θερμογραφία υγρών κρυστάλλων. Όσο πιο προχωρημένο είναι το στάδιο του καρκίνου, τόσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά θερμοκρασίας. Όμως, οι κύστες και οι καλοήθεις βλάβες έχουν θερμοκρασία χαμηλότερη από τους υγιείς ιστούς. 183

18 Σχήμα 9.18 Θερμογραφήματα σε στήθος με νεοπλασία. Το μείγμα των ΥΚ έχει τοποθετηθεί σε εύκαμπτο ειδικό υπόστρωμα για να είναι σε καλή επαφή με την εξεταζόμενη επιφάνεια. Παρατηρείται η αύξηση της θερμοκρασίας (Μπλε χρώμα) σε συγκεκριμένα σημεία. Θερμόμετρα υγρών κρυστάλλων Άλλη σημαντική εφαρμογή της θερμογραφίας με υγρούς κρυστάλλους στην Ιατρική είναι τα θερμόμετρα υγρών κρυστάλλων. Τα θερμόμετρα αυτά είναι θερμόμετρα θερμικής απεικόνισης και μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως μια απλή και μη επεμβατική μέθοδος για τον προσδιορισμό της θερμοκρασίας του ανθρώπινου σώματος (Σχήμα 9.19). Αν και η ακριβής μέτρηση της θερμοκρασίας είναι προτέρημα των θερμομέτρων υγρού - γυαλιού, υπάρχουν περιπτώσεις όπου συνιστάται η χρήση των «εναλλακτικών» θερμομέτρων των υγρών κρυστάλλων. Τα παραδοσιακά θερμόμετρα είναι εύθραυστα και δύσκολο να παραληφθούν σε πολλά μέρη του κόσμου, κάνοντας έτσι τα θερμόμετρα υγρών κρυστάλλων μια βιώσιμη και εναλλακτική λύση για τη μέτρηση της θερμοκρασίας του σώματος. Ταυτόχρονα, το φθηνό κόστος, καθώς και η άνεση και η ευκολία χρήσης τους, τους δίνει ένα επιπλέον πλεονέκτημα για τη χρησιμοποίησή τους στις παραπάνω περιπτώσεις. Έχει ωστόσο παρατηρηθεί ότι τα αποτελέσματα που δίνουν οι συσκευές TLC για τη μέτρηση της θερμοκρασίας του σώματος εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από την περιοχή-στόχο, επομένως, η αποτελεσματικότητά τους περιορίζεται σε εντοπισμένες περιοχές. Για την καλύτερη ακρίβεια θα πρέπει να διασφαλιστεί θερμική ισορροπία και σταθερότητα της περιοχής του ιστού που πρόκειται να εξεταστεί. Έτσι, ενδείκνυται ο έλεγχος και η αποφυγή ρευμάτων αέρα και υγρασίας, έκθεσης στην ηλιακή ακτινοβολία, σωματικής άσκησης και λήψης ζεστής ή κρύας τροφής κατά τη διάρκεια των μετρήσεων. Σχήμα 9.19 Θερμόμετρο υγρών κρυστάλλων. Lasers υγρών κρυστάλλων για βιοαπεικόνιση Ως επί το πλείστον, ο εξοπλισμός στον οποίον οι κλινικοί γιατροί βασίζονται μέσα στον χώρο του εργαστηρίου είναι τα lasers. Ομοεστιακό μικροσκόπιο, οπτική τομογραφία συνοχής, μικροσκόπιο φθορισμού και κοντινού πεδίου σάρωσης, οπτικό μικροσκόπιο είναι μερικές από τις τεχνικές απεικόνισης που 184

19 χρησιμοποιούνται άμεσα ή έμμεσα από τους γιατρούς, τόσο in vivo όσο και in vitro. Καθεμία απ αυτές τις μεθόδους απεικόνισης απαιτεί τη χρήση μιας πηγής laser. Η δυνατότητα ενσωμάτωσης ενός laser υγρού κρυστάλλου μέσα σ αυτά τα οπτικά συστήματα θα επέτρεπε την διεύρυνση των μηκών κύματος στα οποία λειτουργεί η συσκευή, προκειμένου να προσαρμοστούν στο είδος του ιστού που εξετάζεται. Αυτό το σύστημα θα ήταν μια αξιοθαύμαστη εξέλιξη των συστημάτων απεικόνισης, επιτυγχάνοντας υψηλά επίπεδα ελέγχου. Φωτοδυναμική θεραπεία - ένα ιδανικό σύστημα για τα lasers υγρών κρυστάλλων Η φωτοδυναμική θεραπεία (PDT) έχει εξελιχθεί ταχύτατα σε μια αποδεκτή μορφή θεραπείας για έναν αριθμό περιπτώσεων καρκίνων. Η φωτοδυναμική θεραπεία χρησιμοποιεί ένα φάρμακο και μια πηγή που διανέμει φως. Συγκεκριμένα, το φάρμακο στοχεύει τον καρκινογόνο ιστό παραμένοντας στα κύτταρα του όγκου για περισσότερο χρόνο από ό, τι στα υγιή κύτταρα. Όταν ενεργοποιείται από την πηγή φωτός, μία έως τρεις ημέρες μετά την έκχυση, το φάρμακο μεταφέρεται στα μόρια του οξυγόνου μέσα στον βιολογικό ιστό. Η συνεπακόλουθη αύξηση ενέργειας μέσα στο κύτταρο έχει ως συνέπεια τη νέκρωση του κυττάρου. Λόγω της υψηλής συγκέντρωσης του φαρμάκου μέσα στον ιστό του όγκου, σε σύγκριση με εκείνην μέσα στον υγιή ιστό, η κυτταρική νέκρωση δεν συμβαίνει μέσα στον υγιή ιστό. Μια απεικόνιση της διενέργειας της φωτοδυναμικής θεραπείας παρουσιάζεται στο Σχήμα Η φωτοδυναμική θεραπεία χρησιμοποιείται στη θεραπεία του καρκίνου της ουροδόχου κύστης, του καρκίνου του πνεύμονα, των γυναικολογικών κακοηθειών, καρκίνων της κεφαλής και του αυχένα, σε γαστρεντερικούς καρκίνους, ενδοκρανιακούς όγκους, οφθαλμικούς καρκίνους, δερματικούς, υποδερμικούς και όχι μόνον. Για περισσότερο από έναν αιώνα είναι γνωστό ότι η ακτινοβολία μπορεί να καταστρέψει ευαισθητοποιημένο βιολογικό υλικό. Στη δεκαετία του 1960, ογκολογικοί ιστοί φάνηκαν να εκδηλώνουν φθορισμό όταν ενισχύονταν με παράγωγα αιματοπορφυρίνης. Η καταστροφή του καρκινογόνου ιστού μέσα από τη φωτοδυναμική θεραπεία είναι περιοχή έρευνας από τη δεκαετία του 1970 και αποτελεί μια εγκεκριμένη θεραπεία από τη δεκαετία του Ένας από τους καθοριστικούς παράγοντες στην αποτελεσματικότητα της φωτοδυναμικής θεραπείας είναι το μήκος κύματος που ενεργοποιείται από την πηγή της ακτινοβολίας. Σχήμα 9.20 Η διαδικασία της φωτοδυναμικής θεραπείας αρχίζει με την έκχυση ενός φωτοευαισθητοποιητή με τη μορφή φαρμάκου, ακολουθούμενου από την ενεργοποίηση του φαρμάκου με τη μέθοδο της ακτινοβολίας σε ένα μήκος κύματος που εξαρτάται από το φάρμακο που έχει χρησιμοποιηθεί. Η διαδικασία της ενεργοποίησης έχει ως αποτέλεσμα το θάνατο των κυττάρων μέσα στον καρκινογόνο ιστό. Αυτό το μήκος κύματος ποικίλλει ανάλογα με το φάρμακο ή τον φωτοευαισθητοποιητή που χρησιμοποιείται. Πολλοί κοινοί φωτοευαισθητοποιητές για (PDT), εγκεκριμένοι από την Ένωση Τροφών και Φαρμάκων (FDA), είναι τα παράγωγα αιματοπορφυρίνης, ένα παράδειγμα που παρουσιάζεται στο Σχήμα 185

20 9.21. Το φάρμακο που απεικονίζεται εδώ υφίσταται τη μέγιστη απορρόφηση ακτινοβολίας περίπου 630nm. Όμως, άλλα παράγωγα αιματοπορφυρίνης μπορούν να υποστούν τη μέγιστη απορρόφηση σε άλλα μήκη κύματος. Μερικές βακτηριοχλωρίνες, μια άλλη κατηγορία φωτοευαισθητοποιητών που επί του παρόντος διερευνώνται για χρήσεις στη φωτοδυναμική θεραπεία, δοκιμάζουν τη μέγιστη απορρόφησή τους ανάμεσα στα 750nm και 800nm. Σχήμα 9.21 Το φωτοευαισθητοποιημένο φάρμακο της αιματοπορφυρίνης χρησιμοποιείται ευρέως στη φωτοδυναμική θεραπεία. Τα lasers υγρών κρυστάλλων μπορεί να έχουν έναν σημαντικό ρόλο να παίξουν στη φωτοδυναμική θεραπεία για αρκετούς λόγους. Πολλά lasers και πηγές ακτινοβολίας που χρησιμοποιούνται στη φωτοδυναμική θεραπεία λειτουργούν σε μια ορατή εμβέλεια τυπικά ανάμεσα στα nm. Χρησιμοποιώντας ένα laser υγρού κρυστάλλου, ένας κλινικός ερευνητής μπορεί να τελειοποιήσει με ακρίβεια το μήκος κύματος εκπομπής του laser, που τις περισσότερες φορές προέρχεται μέσα από ένα καλώδιο οπτικών ινών. Η χημική αντίδραση Στη διάρκεια της φωτοδυναμικής θεραπείας εισάγεται φάρμακο στις αρτηρίες του ασθενούς, το οποίο κάνει τα καρκινικά κύτταρα ιδιαίτερα ευαίσθητα στο φως. Στους συμμετέχοντες στην έρευνα δόθηκε 3-4 ημέρες πριν υποβληθούν στη συνηθισμένη χημειοθεραπεία ένα νέο φάρμακο - γνωστό ως amphinex - το οποίο αυξάνει την ευαισθησία στο φως. Επειδή οι όγκοι παρουσιάζουν υψηλή μεταβολική δραστηριότητα και περιβάλλονται από πολλά νέα αιμοφόρα αγγεία, το φάρμακο συσσωρεύεται στα καρκινικά κύτταρα και όχι στους υγιείς ιστούς. Όταν στραφεί προς τον όγκο ένα κόκκινο laser χαμηλής έντασης, απευθείας ή μέσω του δέρματος, το φως προκαλεί μια χημική αντίδραση που καταστρέφει τα καρκινικά κύτταρα και ενισχύει τη δράση της χημειοθεραπείας. Η χρησιμότητα των υγρών κρυστάλλων για βιοϊατρικές εφαρμογές έχει ξεκάθαρα καταδειχθεί. Ο τομέας των υγρών κρυστάλλων είναι έτοιμος να διαδραματίσει έναν σημαντικό ρόλο στον τομέα της Βιολογίας και της Ιατρικής. Για δεκαετίες, η χρήση των υγρών κρυστάλλων είχε κατεξοχήν περιοριστεί στη βιομηχανία. Οι ερευνητές είναι έτοιμοι να ξεφύγουν απ αυτό το πλαίσιο και να επιδιώξουν να βρουν καινούριες και πρωτοποριακές χρήσεις γι αυτές τις πολύπλευρες μοριακές δομές. Το laser των υγρών κρυστάλλων μπορεί να παίξει έναν ενεργό ρόλο στις φασματοσκοπικές, αισθητήριες και διαγνωστικές εφαρμογές. Οι ΥΚ παρέχουν μεγάλες δυνατότητες στην Ιατρική, όπως τη γρήγορη διάγνωση, που είναι ζωτικής σημασίας, καθώς έτσι προλαμβάνονται ασθένειες όπως τα περιστατικά που αναπτύχθηκαν προηγουμένως. Η ανάγκη για περαιτέρω ανάπτυξη και εξέλιξη των υγρών κρυστάλλων είναι μια πραγματικότητα. Στο μέλλον ενδέχεται ο καθένας από εμάς να κάνει διάγνωση μέσω θερμογραφικού συστήματος στο σπίτι του, πριν επισκεφτεί τον γιατρό του. Επίσης, η τεχνολογία των υγρών κρυστάλλων ως βιοαισθητήρων έχει έναν σημαντικό αριθμό μελλοντικών εφαρμογών στον τομέα των μολυσματικών ασθενειών και της δημόσιας υγείας. Αποτελεί ένα υποσχόμενο εργαλείο για τη βιοάμυνα. Η ανάπτυξη των υγρών κρυστάλλων ως βιοαισθητήρων, με τη δυναμική τους ως μία χαμηλού κόστους, φορητή, ευαίσθητη και συγκεκριμένη επί της ουσίας διαγνωστική πλατφόρμα, προσφέρει μια πολλά υποσχόμενη υψηλής αξίας τεχνολογία. 186

21 9.3.2 Εφαρμογές στη βιομηχανία Η θερμογραφία με υγρούς κρυστάλλους έχει βρει πολλές εφαρμογές σε πολλούς τομείς της βιομηχανίας, ιδιαίτερα σε θέματα ελέγχων παραγωγής προϊόντων αλλά και κατασκευών. Θα παρατεθούν, στη συνέχεια, ενδεικτικά, κάποιες απ αυτές. Έλεγχος και αξιολόγηση σύνθετων υλικών Λόγω του υψηλού ειδικού μέτρου ελαστικότητας και της αντοχής τους, τα σύνθετα υλικά έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως στην Αεροδιαστημική, στη Ναυπηγική, στη Χημική και στην Ηλεκτρική / Ηλεκτρονική Βιομηχανία, καθώς και στις Κατασκευές. Σε γενικές γραμμές, ελαττώματα μπορούν να παράγονται σε κάθε δομή κατά τη διάρκεια κατασκευής και χρήσης. Για να αποφευχθεί η περαιτέρω καταστροφή των σύνθετων υλικών, είναι αναγκαίο να βρεθεί μία μη καταστρεπτική μέθοδος για τον έλεγχό τους. Η θερμογραφία με υγρούς κρυστάλλους εφαρμόζεται με επιτυχία στις περιπτώσεις αυτές λόγω της μεγάλης ευαισθησίας τους στη θερμοκρασία και έτσι καθίσταται δυνατόν να ανιχνευθεί αόρατο ελάττωμα, καθώς και οι αποκολλήσεις σε σύνθετες κατασκευές (Σχήμα 22 α, β, γ). Για την παρασκευή δειγμάτων για LC θερμογραφία, η μία πλευρά των υποστρωμάτων επικαλύπτεται με ένα πολύ λεπτό στρώμα μαύρου χρώματος. Στη συνέχεια, ψεκάζεται το μαύρο υπόστρωμα με το επιθυμητό μείγμα των υγρών κρυστάλλων. Ένα ισοθερμικό δοχείο χρησιμοποιείται για να εφαρμοστεί σταθερή ροή θερμότητας προς την άβαφη πλευρά του δοκιμίου. Οι μεταβολές της θερμοκρασίας στην επιφάνεια των δειγμάτων λόγω της παρουσίας ελαττωμάτων καταγράφονται χρησιμοποιώντας ψηφιακή φωτογραφική μηχανή, όπως φαίνονται στα παρακάτω σχήματα (Σχήματα 9.22 α,β,γ). ΕΛΑΤΤΩΜΑ Σχήμα 9.22α Δείγμα από E-γυαλί / εποξικό υλικό. ΕΛΑΤΤΩΜΑ Σχήμα 9. 22β Δείγμα από άνθρακα/πολυεστέρα. 187

22 ΕΛΑΤΤΩΜΑ Σχήμα 9.22γ Δείγμα από Kevlar / E-γυαλί / εποξικό υλικό. Στον σχεδιασμό ψυκτήρων αεροστροβίλων και κινητήρων Η θερμογραφία με ΥΚ είναι ικανή να παρέχει υψηλή ακρίβεια για τη μέτρηση της θερμοκρασίας σε δομημένες επιφάνειες μεταφοράς θερμότητας (πτερύγια). Παρέχει τα τοπικά δεδομένα θερμοκρασίας τοιχώματος σε συνδυασμό με μια θερμαντική ταινία που προσδίδει ομοιόμορφη ροή θερμότητας στη μετρούμενη επιφάνεια. Μ αυτόν τον τρόπο μπορεί να ληφθεί ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας. Τα πτερύγια είναι κοινά στοιχεία ενίσχυσης μεταφοράς θερμότητας που χρησιμοποιούνται σε κανάλια αεροστρόβιλων εσωτερικής ψύξης, τα οποία παράγουν ισχυρή τυρβώδη ροή στα κανάλια ψύξης, και αυξάνουν σημαντικά την απόδοση συναγωγής μεταφοράς θερμότητας. Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της θερμογραφίας με ΥΚ Κρίνεται σκόπιμο να αναφερθούν τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα της θερμογραφίας υγρών κρυστάλλων. Πλεονεκτήματα: Μειονεκτήματα: - Παρέχουν ένα γρήγορο οπτικό και ποιοτικό θερμοκρασιακό προφίλ της επιφάνειας. - Εύκολη βαθμονόμηση χρησιμοποιώντας έγχρωμη ψηφιακή φωτογραφική μηχανή και μία ισοθερμική επιφάνεια ελέγχου έτσι ώστε να παρέχει ακριβή ποσοτικά θερμοκρασιακά δεδομένα με βήμα 0,1 C. - Λειτουργούν μεταξύ των -30 C και 120 C με εύρος ζώνης 0,1-30 C. - Παρέχουν θερμοκρασιακό προφίλ επιφανειών τόσο σε μόνιμη όσο και σε μεταβατική κατάσταση. - Έχουν γρήγορο χρόνο απόκρισης, περίπου 100ms. - Φθηνή μέθοδος θερμογραφίας. - Απαιτείται σταθερή ομοιόμορφη πηγή λευκού φωτός χωρίς υπέρυθρη υπεριώδη ακτινοβολία. Η IR ως θερμική μπορεί να προκαλέσει υπερθέρμανση της επιφάνειας, ενώ η UV μπορεί να εξασθενίσει τους δεσμούς των υγρών κρυστάλλων. - Η προετοιμασία των δειγμάτων πρέπει να είναι προσεκτική, και η εφαρμογή τους σε ανώμαλες επιφάνειες (μη επίπεδες- ασύμμετρες επιφάνειες) είναι δύσκολη. - Μπορεί να είναι παρεμβατικοί στη θερμική αγωγιμότητα των σωμάτων. - Δεν μπορεί να εφαρμοστεί σε μεγάλες επιφάνειες και χώρους. - Δεν παρέχει τόση μεγάλη ακρίβεια συγκριτικά με τη θερμογραφία υπερύθρου. 188

23 9.4 Ελεγχόμενη αποδέσμευση φαρμάκων Η πρόοδος στην ελεγχόμενη αποδέσμευση των φαρμάκων σχετίζεται με την ανάπτυξη συνθετικών νανοσυστημάτων για τη στοχευμένη απόδοση περίπλοκων θεραπευτικών φαρμάκων και βιομορίων. Τα στοχευμένα συστήματα απόδοσης φαρμάκων έχουν πολλαπλές ιδιότητες, με πιο χαρακτηριστική την ικανότητά τους να αναγνωρίζουν συγκεκριμένα μόρια τα οποία μπορεί να βρίσκονται είτε στην εξωτερική μεμβράνη των προς στόχευση κυττάρων ή στο εσωτερικό τους. Μία σημαντική πρόκληση για τη Nανοϊατρική αποτελεί, επίσης, η ανάπτυξη συστημάτων στοχευμένης απόδοσης πρωτεϊνικών/πεπτιδικών (Π/Π) φαρμάκων για εισπνεόμενη, ρινική ή στοματική χορήγηση. Μέχρι σήμερα, η πλειοψηφία των φαρμάκων αυτών χορηγούνται σε ενέσιμη μορφή. Δεδομένου όμως ότι τα Π/Π φάρμακα απομακρύνονται εξαιρετικά γρήγορα από τον ανθρώπινο οργανισμό προτού επιτύχουν τον θεραπευτικό τους στόχο, είναι απαραίτητη η συχνή χορήγησή τους, προκειμένου να ενισχυθεί η θεραπευτική τους αποτελεσματικότητα, κάτι το οποίο είναι ιδιαίτερα επώδυνο για τους ασθενείς. Οι παραπάνω στόχοι αναμένεται να επιτευχθούν μέσω της ανάπτυξης συστημάτων στοχευμένης απόδοσης, τα οποία απελευθερώνουν επιλεκτικά το φάρμακο σε συγκεκριμένα σημεία στο ανθρώπινο σώμα. Δεδομένου όμως ότι τα χαρακτηριστικά των φαρμάκων διαφέρουν σημαντικά σε ό, τι αφορά τη σύσταση, το μοριακό μέγεθος, την υδροφιλικότητα, τη βιοδιαθεσιμότητα, τη βέλτιστη συγκέντρωση κ.λπ., τα βασικά χαρακτηριστικά που καθορίζουν την αποτελεσματικότητα των συστημάτων στοχευμένης απόδοσης είναι ιδιαίτερα πολύπλοκα. Για τον λόγο αυτόν, η ανάπτυξή τους θα πρέπει να είναι αποτέλεσμα συνεργασίας επιστημόνων διαφόρων ειδικοτήτων με βαθιά κατάρτιση στα ακόλουθα πεδία: Ανόργανη και Οργανική Χημεία, Πολυμερή, Φαρμακευτική Χημεία, Mοριακή Bιολογία, Τοξικολογία κ.λπ Φορείς φαρμάκων Τα μικκύλια σχηματίζονται με αυτo-οργάνωση συστάδων αμφιφιλικών μορίων συμπολυμερών σε υδατικά διαλύματα και αποτελούν μία σημαντική πλατφόρμα για τη Νανοϊατρική λόγω του μικρού μεγέθους τους ( nm) και των εξαιρετικών τους ιδιοτήτων. Μέσω της τεχνικής παρασκευής τους είναι δυνατός ο ακριβής έλεγχος του μεγέθους και της μορφολογίας τους, καθώς και η δυνατότητα εγκλεισμού υδρόφιλων φαρμάκων στον πυρήνα τους. Έχει παρατηρηθεί ότι τα μικκύλια εμφανίζουν εξαιρετική σταθερότητα in vivo και υψηλό χρόνο παραμονής στο αίμα. Επιπλέον, η δομή πυρήνα/κελύφους των μικκυλίων επιτρέπει την αποτελεσματική προστασία του εγκλεισμένου φαρμάκου από υδρόλυση και ενζυματική αποικοδόμηση. Είναι επίσης δυνατή και η σύνθεση πολυλειτουργικών μικκυλίων που αποβλέπουν στη στοχευμένη απόδοση φαρμάκων μέσω σύζευξης ομάδων στόχευσης (π.χ. φολικό οξύ, πεπτίδιο RGD, αντισώματα, υδρογονάνθρακες όπως γλυκόζη, λακτόζη κ.λπ.) στα άκρα των αμφιφιλικών πολυμερικών αλυσίδων. Τα λιποσώματα είναι μία μορφή κυστιδίων που αποτελούνται από λιπιδικές διπλοστοιβάδες. Οι φορείς αυτοί είναι κατάλληλοι τόσο για τον εγκλεισμό πολικών/υδρόφιλων φαρμάκων στον πυρήνα των λιποσωμάτων, όσο και αμφιφιλικών ή λιπόφιλων φαρμάκων στο εσωτερικό της λιπιδικής διπλοστοιβάδας. Η έρευνα στην τεχνολογία των λιποσωμάτων έχει προχωρήσει από τα συμβατικά κυστίδια (λιποσώματα πρώτης γενιάς) στα λιποσώματα δεύτερης γενιάς, τα οποία φέρουν στην επιφάνειά τους λειτουργικές ομάδες όπως γλυκολιπίδια, σιαλικό οξύ και πολυαιθυλενογλυκόλη (PEG). Τα τελευταία είναι δυνατό να φέρουν και ομάδες στόχευσης (π.χ. μονοκλωνικά αντισώματα) με σύζευξη αυτών με κατάλληλα τροποποιημένα μόρια PEG. Τα δενδριμερή είναι διακλαδισμένα πολυμερή με συμμετρική αρχιτεκτονική. Αποτελούνται από έναν κεντρικό πυρήνα, μονάδες διακλάδωσης και τελικές λειτουργικές ομάδες. Αυτή η μορφή αρχιτεκτονικής ευνοεί τον σχηματισμό νανο-κοιλοτήτων, το περιβάλλον των οποίων καθορίζει τη διαλυτοποίηση μορίων μέσα σ αυτές, ενώ οι εξωτερικές ομάδες χαρακτηρίζουν τη διαλυτότητα και τη χημική συμπεριφορά των φορέων. Τα υπερδιακλαδωμένα πολυμερή σχηματίζουν επίσης νανο-κοιλότητες, αλλά, σε αντίθεση με τα δενδρομερή, είναι πολυδιάσπαρτα και μη-συμμετρικά. Πολυλειτουργικά δενδριτικά πολυμερή (δενδριμερή και υπερδιακλαδωμένα πολυμερή) μπορούν να συντεθούν προκειμένου να χρησιμοποιηθούν ως συστήματα ελεγχόμενης αποδέσμευσης φαρμάκων μέσω κατάλληλης τροποποίησης των επιφανειακών τους ομάδων (π.χ. σύζευξη με PEG και ομάδες στόχευσης). Οι υγροί κρύσταλλοι συνδυάζουν τις ιδιότητες των υγρών και των στερεών που απαιτούνται. Εμφανίζουν διαφορετικές γεωμετρίες, με εναλλαγή πολικών και μη-πολικών στοιβάδων (στρωματική δομή) όπου μπορούν να περιέχονται υδατικά διαλύματα φαρμάκων. 189

24 9.5 Η βιολογική σημασία των υγρών κρυστάλλων Τα περισσότερα βιολογικά μόρια είναι μακρομόρια αρκετών kdalton (κιλοντάλτον), όπως οι πρωτεΐνες, το DNA, διάφορα μεταλλοένζυμα, τα λιπίδια και φωσφολιπίδια. Επιπλέον, οι ζωντανοί οργανισμοί περιέχουν μεγάλη ποσότητα νερού. Στην πράξη, μπορούν να θεωρηθούν υδατικά διαλύματα. Η οργάνωση των μεγαλομορίων στο υδατικό βιολογικό σύστημα προκαλεί τον σχηματισμό των κυττάρων. Σ αυτή τη σύντομη αναφορά, διαπιστώνεται ότι οι υγροί κρύσταλλοι παίζουν σημαντικότατο ρόλο, όχι μόνο στον σχηματισμό ειδικών δομών, αλλά και σε όλες τις διεργασίες που διεξάγει κάθε κύτταρο. Βιολογικές δομές Οι μεμβράνες των κυττάρων σχηματίζονται από αμφίφιλα μόρια, όπως είναι τα λιπίδια και φωσφολιπίδια, τα οποία είναι υγροί κρύσταλλοι. Όπως είναι γνωστό, επειδή ο ανθρώπινος οργανισμός αποτελείται, από 75% έως 90%, από νερό, τα αμφίφιλα μεγαλομόρια, όταν αποκτήσουν την λεγόμενη κρίσιμη συγκέντρωση (cmc, critical micellar concentration) οργανώνονται και σχηματίζουν υγροκρυσταλλικές δομές. Το πρότυπο που επικρατεί μέχρι σήμερα είναι το λεγόμενο «ρευστό μωσαϊκό» του κυττάρου (Σχήμα 9.23), που αποτελείται από μία διπλή στοιβάδα λιπιδίων (κυστίδιο). Σχήμα 9.23 Σχηματικό διάγραμμα κυψελίδας μεμβράνης που παρουσιάζει τη φωσφολιπιδική διεπιφάνεια και τις ενσωματωμένες πρωτεΐνες. Στο κύτταρο η διπλή μεμβράνη βρίσκεται σε δυναμική ισορροπία. Αυτό σημαίνει ότι τα μακρομόρια εναλλάσσονται προς και εκτός του κυττάρου, μέσω των σχηματιζόμενων «καναλιών». Αυτή η δυναμική ισορροπία διατηρεί την ευκινησία (fluidity) του κυττάρου, ενώ η υψηλή οργάνωση (order) των μεγαλομορίων των λιπιδίων προσδίδει μία μορφή «δυσκαμψίας». Ανάμεσα απ αυτές τις ακραίες συνθήκες σχηματίζονται τα «κανάλια». Είναι γνωστό ότι τα «κανάλια» ασβεστίου ή καλίου επιτρέπουν τη μετακίνηση των ιόντων για να διατηρείται το κύτταρο ηλεκτροστατικά ουδέτερο. Επίσης, μέσα από τα «κανάλια» εισέρχονται τα διατροφικά συστατικά και εξέρχονται τα προϊόντα μεταβολισμού. Ανάμεσα από τις διπλές στοιβάδες των λιπιδίων της μεμβράνης εντοπίζονται διάφορες πρωτεΐνες (ενδομεβρανικές) και άλλα οργανίλια, τα οποία συμβάλλουν στην ομαλή λειτουργία του οργανισμού. Οι ενδομεβρανικές πρωτεΐνες, όπως π.χ. οι ΑΤΡασες, ρυθμίζουν την ενέργεια του κυττάρου, ενώ παράλληλα λειτουργούν ως μεσάζοντες στη μεταφορά γενετικών πληροφοριών, προς το RNA και DNA. Ένα από τα πιο εντυπωσιακά παραδείγματα υγρών κρυστάλλων στη Βιολογία είναι τα ιριδίζοντα χρώματα που εμφανίζουν μερικά σκαθάρια. Αυτά δημιουργούνται σε ορισμένα είδη σκαθαριών (σκαραβαίων) με την έκκριση μιας χοληστερικής υγροκρυσταλλικής φάσης. Η προκύπτουσα επίστρωση είναι ιριδίζουσα και αντανακλά το κυκλικά πολωμένο φως (Σχήμα 9.24). 190

25 Σχήμα 9.24 Σκαραβαίοι με ιριδίζουσα χοληστερική υγροκρυσταλλική επίστρωση. Η μυελίνη, η οποία σχηματίζει τη θήκη γύρω από τα νευρικά κύτταρα και είναι εξέχουσα στη μετάδοση ηλεκτρικών παλμών από το νεύρο, είναι επίσης υγρή κρυσταλλική, και πράγματι ήταν ένας από τους πρώτους υγρούς κρυστάλλους που παρατηρήθηκαν. Μελέτες δείχνουν ότι το μεγαλύτερο μέρος της χοληστερόλης που παρατηρείται στη μυελίνη και στον εγκέφαλο συντίθεται επί τόπου και σχηματίζει φλοιώδη (lamellar) φάση με νερό. Άλλα παραδείγματα βιολογικών λυοτροπικών υγρών κρυστάλλων περιλαμβάνουν το DΝΑ και ιούς. Το αίμα μπορεί, σε ορισμένες περιπτώσεις, να σχηματίσει μια υγροκρυσταλλική φάση, μια κατάσταση που είναι μάλλον επικίνδυνη επειδή προκαλεί αύξηση του ιξώδους, παρεμποδίζοντας τη ροή. Δεν προκαλεί έκπληξη το γεγονός ότι τόσα πολλά βιολογικά συστήματα εμφανίζουν υγροκρυσταλλικές φάσεις. Τα βιολογικά συστήματα πρέπει γενικά να είναι υγρά - τα στερεά δεν αντιδρούν εύκολα στις αλλαγές και τα ισοτροπικά υγρά (χωρίς τάξη) έχουν λιγότερη ικανότητα σε ό, τι αφορά τη λειτουργικότητα. Ο συνδυασμός ρευστότητας και τάξης, που διακρίνει την υγροκρυσταλλική κατάσταση, αποτελεί προφανή προϋπόθεση για πολλές βιολογικές δομές. Πώς μπορεί ένας οργανισμός να ελέγξει τη μεταβολή της θερμοκρασίας στην κυτταρική μεμβράνη του; Πρέπει να θυμηθούμε ότι οι διάφοροι υγροί κρύσταλλοι έχουν και διαφορετικές θερμοκρασίες μεταπτώσεων (θερμοκρασίες αλλαγής φάσης). Φωσφολιπίδια με την ίδια πολική ομάδα έχουν διαφορετικές θερμοκρασίες μεταπτώσεων που εξαρτώνται από το μήκος της αλκυλικής αλυσίδας και τον αριθμό των διπλών δεσμών που περιέχονται στην ανθρακική αλυσίδα. Όσο μικρότερη είναι η αλυσίδα και περισσότεροι οι διπλοί δεσμοί, τόσο πιο χαμηλή είναι η θερμοκρασία μετάπτωσης. Οι βιολογικοί μηχανισμοί επιλέγουν τα κατάλληλα μόρια φωσφολιπιδίων κατά τη διάρκεια της ανάπτυξής τους, έτσι ώστε η θερμοκρασία μετάπτωσης της διπλοστοιβάδας να συμβαίνει μόλις λίγο πιο χαμηλά από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος. 9.6 Εφαρμογή των ΥΚ στις φασματοσκοπικές μεθόδους Η χρήση των υγρών κρυστάλλων στις φασματοσκοπικές μεθόδους έχει το πλεονέκτημα ότι τα μόρια της διαλυμένης ουσίας προσανατολίζονται, κατά μέσο όρο, παράλληλα με τον κύριο άξονα (κατευθυντή) των μορίων του υγρού κρυστάλλου. Αυτό μπορεί να προσφέρει πληροφορίες για ορισμένες ιδιότητες τόσο της διαλυμένης ουσίας, όσο και του ίδιου του διαλύτη (υγρού κρυστάλλου), όπως π.χ. τη διάταξη των μορίων στον χώρο (configuration) και τον βαθμό οργάνωσης των μορίων του υγρού κρυστάλλου. Οι υγροί κρύσταλλοι χρησιμοποιούνται ως στατικές φάσεις στην αέρια χρωματογραφία για τον διαχωρισμό διαφόρων συντακτικών ή γεωμετρικών ισομερών που διαφέρουν κυρίως ως προς το σχήμα. Η έρευνα για καλύτερες στατικές φάσεις, συμπεριλαμβανομένων και αυτών που έχουν μεγαλύτερη εκλεκτικότητα, είναι μια σημαντική τάση στην εξέλιξη της χρωματογραφίας. Τα προηγούμενα χρόνια οι 191

26 υγροί κρύσταλλοι μελετήθηκαν κυρίως ως στατική φάση στην αέρια χρωματογραφία. Ωστόσο, τον τελευταίο καιρό όλο και περισσότερες έρευνες βλέπουν το φως σχετικά με την εφαρμογή τους στην υγρή χρωματογραφία. Η δομή των υγρών κρυστάλλων στις συνθήκες που επικρατούν σε μία στήλη υγρής χρωματογραφίας δεν διατηρείται σταθερή όπως στην περίπτωση της αέριας χρωματογραφίας. Σε κάθε περίπτωση, όμως, ο διαχωρισμός του μείγματος στα συστατικά του συμβαίνει με βάση τη διαφορετική διάδραση μεταξύ των υγροκρυσταλλικών στατικών φάσεων και των μορίων διαφορετικού γεωμετρικού σχήματος. Επίσης, στις περιπτώσεις μειγμάτων όπου ο διαχωρισμός δεν δύναται να επιτευχθεί με τη χρήση συμβατικών στατικών φάσεων, λόγω της έλλειψης ή της παρουσίας πολικότητας κάποιων μορίων, επιτυγχάνεται με τη χρήση υγροκρυσταλλικής στατικής φάσης. Οι πρώτες υγροκρυσταλλικές φάσεις που χρησιμοποιήθηκαν ήταν μονομερείς υγροί κρύσταλλοι σε πληρωμένες στήλες στην αέρια χρωματογραφία, αλλά, στη συνέχεια, πολυμερικές υγροκρυσταλλικές φάσεις άρχισαν να χρησιμοποιούνται ευρέως σε τριχοειδείς στήλες. 9.7 Εφαρμογή των ΥΚ στις σύγχρονες τεχνολογίες Οι χοληστερικοί υγροί κρύσταλλοι χρησιμοποιούνται εδώ και αρκετά χρόνια στην κατασκευή οπτικών φίλτρων, καθώς και για γυαλιά ανίχνευσης της υπέρυθρης ακτινοβολίας, αλλά και άλλων ακτινοβολιών, όπως UV, μικροκύματα και υπέρηχοι. Πολλές φορές χρησιμεύουν ως δείκτες ρύπανσης της ατμόσφαιρας, βασιζόμενοι στην αλλαγή των χρωμάτων της χοληστερικής μεσοφάσης κάτω από την επίδραση διαφόρων ρυπαντών (ευαισθησία μέχρι ppm). Μια νέα εφαρμογή των υγροκρυσταλλικών πολυμερών αφορά τις επικαλύψεις οπτικών ινών. Στον τομέα της Μικροηλεκτρονικής, τα θερμοτροπικά υγροκρυσταλλικά πολυμερή επίσης μπορούν να βρουν εφαρμογές ως λεπτά μονωτικά στρώματα σε προχωρημένες τεχνολογίες συσκευασίας. Λόγω της χημικής τους αδράνειας και σκληρότητας, τα υγροκρυσταλλικά πολυμερή αποτελούν ένα εξαιρετικό επικάλυμμα για εύθραυστα κεραμικά υλικά Φωτοβολταϊκά με υγρούς κρυστάλλους Μια νέα και πολλά υποσχόμενη εφαρμογή που χρησιμοποιεί υγρούς κρυστάλλους είναι ο υγροκρυσταλλικός ημιαγωγός. Οι υγροί κρύσταλλοι είναι οργανικά μόρια που είναι παρόμοια με τα πολυμερή. Σε πολυμερή που περιέχουν συζευγμένα συστήματα (εναλλασσόμενο απλό και διπλό δεσμό), η δημιουργία ενός υψηλότερου και χαμηλότερου π-δεσμού οδηγεί στη δημιουργία ενός ενεργειακού χάσματος παρόμοιου με τους ημιαγωγούς. Η χρήση ενός τέτοιου υγρού κρυστάλλου σε μια συσκευή παρόμοια με το κύτταρο Grätzel μπορεί να οδηγήσει σε νέους τύπους ηλιακών κυττάρων. Τα τελευταία χρόνια έχει παρατηρηθεί τεράστια ανάπτυξη στον τομέα των οργανικών φωτοβολταϊκών (OPV), λόγω της προβλεπόμενης περιορισμένης διαθεσιμότητας ορυκτών καυσίμων και της επίδρασης της καύσης αυτών των υδρογονανθράκων στο περιβάλλον. Η περίπτωση μιας οικονομικά χαμηλής, ελαφριάς, ευέλικτης και ημιδιαφανούς κατασκευής φωτοβολταϊκών από οργανικά υλικά είναι μια από τις πιο υποσχόμενες υποψήφιες, τόσο για περιβαλλοντικούς σκοπούς όσο για αποδεκτές και εμπορικά βιώσιμες ενεργειακές συσκευές. Ένας αριθμός από οργανικά μονομερή, ολιγομερή και πολυμερή υλικά είναι έτοιμος να χρησιμοποιηθεί στην κατασκευή φωτοβολταϊκών. Πρόσφατα, οι ΥΚ έχουν εισαχθεί σε OPV για να προσδώσουν τάξη σε ενεργά στρώματα. Η κατάσταση των ΥΚ αντιπροσωπεύει μια συναρπαστική κατάσταση της ύλης που συνδυάζει και την τάξη αλλά και την κινητικότητα από μοριακό επίπεδο σε μακροσκοπικό επίπεδο. Η χρήση ΥΚ σε OPV είναι επί του παρόντος θέμα μεγάλης σημασίας. Το πεδίο των υγρών κρυσταλλικών φωτοβολταϊκών είναι σχετικά μικρό, αλλά έχει σημειώσει σημαντική πρόοδο κατά την τελευταία δεκαετία. Με τη βοήθεια των ΥΚ, η απόδοση των φωτοβολταϊκών OPV έχει φθάσει στο 10%, δηλαδή πλέον θεωρείται απαραίτητη για την εμπορική βιωσιμότητα των φωτοβολταϊκών κελιών. Ωστόσο, επί του παρόντος, τα αποτελέσματα περιορίζονται μόνο σε εργαστηριακή εφαρμογή και απαιτούνται περισσότερες προσπάθειες για να μπουν στη βιομηχανική παραγωγή. Μέχρι σήμερα, έχει διερευνηθεί σχεδόν το 0,01% των συνολικά γνωστών ΥΚ αν μπορούν να εφαρμοστούν στα OPV. Φαίνεται, πλέον, χωρίς αμφιβολία, ότι στο εγγύς μέλλον οι LC θα επικρατήσουν στα OPV. Ωστόσο, υπάρχουν προς το παρόν προβλήματα σχετικά με τον τρόπο χρήσης των ΥΚ στα συστήματα OPV, όπως η κατάλληλη ευθυγράμμιση, η σταθερότητα ή η 192

27 κατάλληλη αντιστοίχιση των επιπέδων ενέργειας, οι οποίες πρέπει να επιλυθούν, προκειμένου να υλοποιηθεί η εφαρμογή τους. Η βελτίωση των ΥΚ θα αναδείξει τον σημαντικό ρόλο στην προηγμένη μελλοντική γενιά λειτουργικών ή μηχανικών υλικών κατασκευασμένων για εφαρμογές OPV Νανοσωλήνες υγρών κρυστάλλων Μεγάλο μέρος του ενδιαφέροντος που περιβάλλει τα νέα νανοϋλικά άνθρακα στρέφεται στις ιδιότητες κατεύθυνσης, οι οποίες προκύπτουν μέσα από τον ακριβή προσανατολισμό των στρωμάτων γραφένιου, που είναι τα δομικά ανισότροπα μπλοκ όλων υβριδικών μορφών άνθρακα sp2-. Η υψηλή αγωγιμότητα, αντοχή και ακαμψία των νανοσωλήνων άνθρακα έχουν άμεση σχέση με τον παράλληλο προσανατολισμό των στρωμάτων γραφένιου σε σχέση με τον άξονα του σωλήνα. Εναλλακτικές κρυσταλλικές δομές παρατηρούνται σε μερικές κυλινδρικές νανομορφές άνθρακα, συμπεριλαμβανομένων των νανοϊνών, των οποίων οι στοιβάδες γραφένιου τοποθετούνται κάθετα στον άξονα των ινών. Ένας μακροπρόθεσμος στόχος στη σύνθεση άνθρακα είναι η ανάπτυξη τεχνικών για τον συστηματικό έλεγχο της διάταξης (διαμόρφωσης) του στρώματος του γραφένιου, προκειμένου να σχεδιαστούν υλικά, και νανοϋλικά, με κρυσταλλικές δομές προγραμματισμένες εκ των προτέρων για συγκεκριμένες εφαρμογές. Μια νέα προσέγγιση για την κατασκευή νανοϋλικών που κρυσταλλογραφικά είναι ανεστραμμένες μορφές των «κλασικών» νανοσωλήνων άνθρακα έχει επιτευχθεί με τη χρήση της φάσης των δισκοτικών υγρών κρυστάλλων σε πολυαρωματικές ενώσεις γνωστές ως πίσσα. Η διείσδυση πολυαρωματικών ενώσεων και διαλυμάτων σε νανο-κανάλια αλουμίνας οργανώνει τα δισκοτικά υλικά στα όρια των περιοριστικών κοιλοτήτων, έτσι ώστε να μπορούν να συνδεθούν ομοιοπολικά ως sp2- υβριδικές δομές άνθρακα στην ταξινομημένη τους διάταξη. Χρησιμοποιώντας νανο-κανάλια δεν επιτυγχάνεται μόνο ο έλεγχος του σχήματος, αλλά και η κατεύθυνση της μοριακής δομής του υλικού μέσω διεπιφανειακών αλληλεπιδράσεων της υγροκρυσταλλικής φάσης πολυαρωματικών ενώσεων/αλουμίνας. Το Σχήμα 9.24 παρουσιάζει τα ορθογώνια ευθυγραμμισμένα νάνο-ινίδια που δημιουργούνται από τη σύνθεση νανοϋλικών με πολυαρωματικούς δισκοτικούς υγρούς κρυστάλλους. _ Πολυαρωματικές ενώσεις ή η πίσσα που εμφανίζουν μια υγροκρυσταλλική φάση. Παρουσιάζονται εικόνες από ορθογώνια ευθυγραμμισμένα νάνο ινίδια που σχηματίζονται μέσω ενός υγρού κρυστάλλου. Σήμερα, η Επιστήμη των υγρών κρυστάλλων προσφέρει ένα πλούσιο πεδίο για έρευνα, που ενσωματώνει πολλές θεμελιώδεις φυσικές πτυχές, καθώς και ένα ευρύ φάσμα πιθανών εφαρμογών. Για δεκαετίες, η έρευνα στους υγρούς κρυστάλλους είχε επικεντρωθεί στη βιομηχανία LCD οθονών, ιδιαίτερα δε στη διερεύνηση υγροκρυσταλλικών υλικών για απεικονίσεις. Καθώς η βιομηχανία ωριμάζει, νέες εφαρμογές 193