Φυσική Υγρών Κρυστάλλων (ΥΚ) Υγροί κρύσταλλοι Εισαγωγή

Transcript

1 Φυσική Υγρών Κρυστάλλων (ΥΚ) 1 Υγροί κρύσταλλοι Εισαγωγή

2 Ανάλυση της δομής Συνάρτηση συσχέτισης μορίων g(r) Ιδανικό αέριο Ακτινική απόσταση Υγρό Μαλακή ύλη Στους ΥΚ η συνάρτηση g(r) εξαρτάται από τη διεύθυνση Κρύσταλλος 2 Υγροί κρύσταλλοι Εισαγωγή

3 Ημι-κρύσταλλοι: ημι-περιοδικές δομές με χαρακτηριστικά κρυστάλλων (Quasi-crystals) D. Shechtman, Νόμπελ Χημείας

4 Υγροί Κρύσταλλοι Κρύσταλλος ΥΚ Υγρό Τάξη Κρύσταλλος* Υγρός Κρύσταλλος Υγρό Προσανατολιστική τάξη Τάξη από μετατόπιση Υγροί κρύσταλλοι Εισαγωγή

5 προεξάρχουσα διεύθυνση (n director) Παράμετρος προσανατολιστικής τάξης: S 1 2 3cos θ 1 2 Ισοτροπική φάση: S=0 Κρυσταλλική φάση: θ=0, S= cosθ S (1/2)(3cos 2 θ-1) ( o ) 5

6 Με λίγα λόγια... Οι ΥΚ είναι ρευστά με μοριακή ανισοτροπία με κάποια τάξη μοριακών προσανατολισμών ή και θέσεων τουλάχιστον σε μια διεύθυνση 6 Υγροί κρύσταλλοι Εισαγωγή

7 Δυο μεγάλες κατηγορίες ΥΚ: Α. Λυοτροπικοί ΥΚ Β. Θερμοτροπικοί ΥΚ Λυοτροπικοί ΥΚ (αλλαγή φάσεων με τη συγκέντρωση και τη θερμοκρασία) Θερμοτροπικοί ΥΚ (αλλαγή φάσεων με τη θερμοκρασία) 7 Υγροί κρύσταλλοι Εισαγωγή

8 Α. Φάσεις Λυοτροπικών ΥΚ Επιφανειοδραστικές ουσίες (Surface active agents - Surfactants) Surfactants: κατηγορία ουσιών που περιέχουν υδρόφοβες (μη πολικές) ομάδες υδρογονανθράκων και μια υδρόφιλη (πολική) ομάδα. C 8 Υγροί κρύσταλλοι Εισαγωγή

9 Β. Θερμοτροπικοί ΥΚ 0 C C Ι. Ραβδόμορφοι Ι1 Νηματικοί ΥΚ Ι2. Σμηκτικοί ΥΚ Ι3. Χοληστερικοί ΥΚ ΙΙ. Δισκόμορφοι C Κρύσταλλος crystalline solid Υγρός liquid κρύσταλλος crystal liquid Υγρό 9 Υγροί κρύσταλλοι Εισαγωγή

10 Θερμοτροπικοί ΥΚ ασυμμετρία στο σχήμα ή στις διαμοριακές αλληλεπιδράσεις Δύο κατηγορίες: Ραβδόμορφοι ΥΚ (a) = C 8 H 17 igid rode-like part= mesogen (b) Δισκόμορφοι ΥΚ =C 10,6 igid disc-like part= mesogen 10 Υγροί κρύσταλλοι Εισαγωγή

11 Οι πιο γνωστοί ραβδόμορφοι ΥΚ (δομές/μόρια) Μόριο-δομή ε 1 ε 2 Δε Λόγος μήκους προς διάμετρο 5 11 Υγροί κρύσταλλοι Εισαγωγή

12 Διπλοθλαστικότητα ΥΚ Οι ΥΚ λόγω της ανισοτροπίας τους παρουσιάζουν διπλή διάθλαση Φως με πόλωση παράλληλη στο ñέχει διαφορετικό δείκτη διάθλασης (δηλ. ταξιδεύει με διαφορετική ταχύτητα) από ότι φως πολωμένο κάθετα στο ñ Προεξάρχουσα διεύθυνση Δείκτης διάθλασης θερμοκρασία 12 Υγροί κρύσταλλοι Εισαγωγή

13 Πολωτική Οπτική Μικροσκοπία (ΠΟΜ) 13 Υγροί κρύσταλλοι Εισαγωγή

14 Πολωτική Οπτική Μικροσκοπία (ΠΟΜ) νηματικών ΥΚ (schlieren texture) Απότομη αλλαγή της διπλοθλαστικότητας εξ αιτίας της απότομης μεταβολής του προσανατολισμού στη γειτονιά ατελειών (disclinations) 4-Brush defects in the nematic phase Polarizer Schlieren Brush Singularity two-brush defect Singularity Schlieren brush S=+1 Director Field S=-1 (a) four-brush defect (b) S=+1 S=+1 2-Brush defects in the nematic phase number of bands angular change of director strength = = o S=+1/2 (c) S=-1/2 14

15 ΠΟΜ: Μερικά παραδείγματα Νηματικός ΥΚ Σμηκτικός ΥΚ DNA ΥΚ 15

16 Πολωτική Οπτική Μικροσκοπία (ΠΟΜ) 10 μm 16

17 Φάσεις ραβδόμορφων ΥΚ (Ι 1 ) Νηματικοί (nematic) YK Μερική τάξη στον προσανατολισμό των μορίων με ευθυγράμμιση των κύριων μοριακών αξόνων κατά μήκος μιας προεξάρχουσας διεύθυνσης (n director) αλλά με αταξία στις θέσεις των μορίων 17 Υγροί κρύσταλλοι Εισαγωγή

18 Δι-αξονικοί νηματικοί ΥΚ Οι συνήθεις νηματικοί ΥΚ είναι μονοαξονικοί Πιο σπάνια: δι-αξονικοί YK 18 Υγροί κρύσταλλοι Εισαγωγή

19 (Ι 2 ) Σμηκτικοί (smectic) ΥΚ Σμηκτική A Μερική τάξη στον προσανατολισμό και τη θέση των μορίων - Δημιουργία στρωμάτων κάθετα στη διεύθυνση n - Εσωτερικό κάθε στρώματος = διδιάστατο υγρό Σμηκτική C 19

20 Πολωτική Οπτική Μικροσκοπία (ΠΟΜ) 5CB: Ισοτροπική Νηματική - Σμηκτική

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49 Χειρoμορφικοί Σμηκτικοί ΥΚ(Chiral Smectic) Η προεξάρχουσα διεύθυνση (director) αλλάζει από το ένα σμηκτικό επίπεδο στο άλλο 49 Υγροί κρύσταλλοι Εισαγωγή

50 (Ι 3 ) Χοληστερικοί (cholesteric) ή νηματικοί στρέψης (twisted nematics) ΥΚ Μικρή περιστροφή της προεξάρχουσας διεύθυνσης (director) από το ένα νηματικό επίπεδο στο άλλο Βήμα της έλικας: απόσταση κατά μήκος του άξονα της έλικας κατά την οποία το επίπεδο της κατεύθυνσης περιστρέφεται κατά 2π. Για πολλούς ΥΚ το βήμα είναι παραπλήσιο με το μήκος κύματος του φωτός οπτικές ιδιότητες 50 Υγροί κρύσταλλοι Εισαγωγή

51 (ΙΙ) Δισκόμορφοι ΥΚ Λόγος διαμέτρου προς πάχος 5 Στην κιονική φάση τα μόρια σχηματίζουν ευθύγραμμες στήλες οι οποίες διατάσσονται περιοδικά στο επίπεδο κάθετα των κιόνων - Οι δίσκοι μπορούν να κινούνται ελεύθερα στο εσωτερικό των κιόνων 51 Υγροί κρύσταλλοι Εισαγωγή

52 Τυπικές φάσεις ΔΥΚ μοριακά «σύρματα» Αγωγιμότητα και ευκινησία ιόντων σε ΔΥΚ Εξάρτηση από τη θερμοκρασία και τη δομή 52 Υγροί κρύσταλλοι Εισαγωγή

53 Σχηματική αναπαράσταση των φάσεων ραβδόμορφων μορίων Σχηματική αναπαράσταση των φάσεων δισκόμορφων μορίων Με λίγα λόγια Υγροί κρύσταλλοι Εισαγωγή

54 Ι. Εφαρμογές νηματικών/σμηκτικών ΥΚ Οθόνες ΥΚ 2D&3D Θερμόμετρα ΥΚ Παράθυρα ΥΚ 54 Υγροί κρύσταλλοι Εισαγωγή

55 Οθόνες ΥΚ LCD Αρχή λειτουργίας: χρήση νηματικών στρέψης και ηλεκτρικού πεδίου (αποσυστροφή ΥΚ) 55 Υγροί κρύσταλλοι Εισαγωγή

56 LCD ενεργούς μήτρας - Μερικοί αριθμοί 256 επίπεδα λαμπρότητας για κάθε πίξελ 256 κόκκινα x 256 πράσινα x 256 μπλε = 16.8 εκ. χρώματα Για μια οθόνη με ανάλυση 1024 x στήλες x 768 γραμμές x 3 υποπίξελ = τρανζίστορ χαραγμένα σε γυαλί 56

57 Προτερήματα LCD - μικρή κατανάλωση ενέργειας (μπλοκάρισμα φωτός αντί για παραγωγή φωτός) - επίπεδες οθόνες - αρκετά λεπτές οθόνες Μειονεκτήματα - Κατεστραμμένα πίξελ -Προβληματικά χρώματα (μαύρο, λευκό) Μικρή αντίθεση - Μικρή γωνία παρατήρησης Και η λύση..oleds (Organic Light Emitting Diodes) - Εύκαμπτες, υπέρλεπτες οθόνες - Γωνία παρατήρησης ~

58 ΙΙ. Νέα μόρια ΥΚ με εφαρμογές σε οθόνες Διμερές Dimer Τριμερές Trimer Τετραμερές Tetramer Πενταμερές Pentamer ΠΟΜ: Χαρακτηριστική νηματική και σμηκτική φάση Hexamer Εδώ τα μόρια δεν στρέφουν απλώς το φώς Heptamer αλλά εκπέμπουν φώς. Pentamer with fluorenone O Norm. abs. (a.u.) Ένταση absorption, sol emission, film ex = 371 nm emission, sol ex = 320 nm Norm. Ints. (a.u.) = Wavelength (nm) Μήκος κύματος (nm) Φάσματα απορρόφησης και φθορισμού 58 (με εκπομπή στο μπλε) Υγροί κρύσταλλοι Εισαγωγή

59 Σχετικά μαθήματα Θερμοδυναμική Πολυμερικά Στερεά Επιστήμη των Υλικών Φυσική Στερεάς Κατάστασης De Gennes The physics of Liquid Crystals 59 Υγροί κρύσταλλοι Εισαγωγή