ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΗ ΥΓΡΟΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΩΝ ΦΑΣΕΩΝ ΣΤΟ ΠΟΛΩΤΙΚΟ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΟ

ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΗ ΥΓΡΟΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΩΝ ΦΑΣΕΩΝ ΣΤΟ ΠΟΛΩΤΙΚΟ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΟ Εργαστηριακή οµάδα : ΤΑΠΕΙΝΟΣ ΧΡΗΣΤΟΣ ΧΑΤΖΗΛΑΜΠΗ ΗΒΗ ιδάσκων : κ. ΦΩΤΕΙΝΟΣ Επιβλέπων : /ις ΚΑΡΑΧΑΛΙΟΥ ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ Ηµεροµηνία παράδοσης : Τρίτη 08 Ιουνίου 2004 ΤΜΗΜΑ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ 1

ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΗ ΥΓΡΟΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΩΝ ΦΑΣΕΩΝ ΣΤΟ ΠΟΛΩΤΙΚΟ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΟ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ Παρατήρηση υγροκρυσταλικών φάσεων στο πολωτικό µικροσκόπιο. Καθορισµός θερµοκρασιών µετατροπής σε θέρµανση και ψύξη. Εξάρτηση των θερµοκρασιών µετατροπής από το ρυθµό θέρµανσης και ψύξης. Επιβεβαίωση των φάσεων που βλέπουµε (από τι χαρακτηρίζεται κάθε φάση) ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το πολωτικό µικροσκόπιο σχεδιάζεται για να παρατηρήσει και να φωτογραφίσει δείγµατα τα οποία έχουν οπτικά ανισόρροπο χαρακτήρα. Προκειµένου να ολοκληρωθεί αυτός ο στόχος, το µικροσκόπιο πρέπει να εξοπλιστεί µε έναν πολωτή, ο οποίος τοποθετείται πριν από το δείγµα, και µε µια συσκευή ανάλυσης (αναλύτης ένας δεύτερος πολωτής), ο οποίος τοποθετείται ανάµεσα στο δείγµα και τους προσοφθάλµιους φακούς. Η αντίθεση εικόνας την οποία παρατηρούµε προκύπτει από την αλληλεπίδραση του επίπεδου πολωµένου φωτός µε ένα διπλοθλαστικό υλικό. Στη περίπτωση µας το διπλοθλαστικό υλικό είναι, υγρός κρύσταλλος. Πιο συγκεκριµένα στο παρακάτω πείραµα περιγράφεται η µελέτη τριών δειγµάτων θερµοτροπικών υγρών κρυστάλλων µε τη βοήθεια πολωτικού µικροσκοπίου. Το πείραµα αυτό γίνεται για να µελετηθούν και να αναλυθούν περισσότερο οι φάσεις που παρουσιάζει ένας υγρός κρύσταλλος κάτι το οποίο µπορεί να µας βοηθήσει στη µελέτη και το σχεδιασµό διαφόρων υλικών. Στο παρακάτω σχήµα παρουσιάζεται η διαδοχή των φάσεων ενός θερµοτροπικού υγρού κρυστάλλου ανάλογα µε τη θερµοκρασία ενώ στον πίνακα παρουσιάζεται η σχέση µεταξύ της θερµοκρασίας, και της τάξης ως προς τη θέση και της θερµοκρασίας και της τάξης ως προς τον προσανατολισµό. (Παρατήρηση : Καθώς µειώνεται η θερµοκρασία αυξάνεται η τάξη) 2

[8]-[9] ΦΑΣΕΙΣ ΤΑΞΗ ΩΣ ΠΡΟΣ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟ Ισότροπο --- --- Νηµατική Τ(1) --- Σµηκτική Α Τ(1) Τ(1) ΤΑΞΗ ΩΣ ΠΡΟΣ ΘΕΣΗ Σµηκτική C Τ(2) Τ(1) Κρυσταλλικό Ο κρύσταλλος έχει πλήρη τάξη Τ(1) Τάξη ως προς µία διεύθυνση Τ(2) Τάξη ως προς δύο διευθύνσεις 3

ΘΕΩΡΙΑ Φυσικό και γραµµικά πολωµένο φως Το φως µπορεί να αντιπροσωπευθεί ως εγκάρσιο ηλεκτροµαγνητικό κύµα φτιαγµένο επάνω από αµοιβαία κάθετα, κυµαινόµενα ηλεκτρικά και µαγνητικά πεδία. Η αριστερή πλευρά του ακόλουθου διαγράµµατος παρουσιάζει το ηλεκτρικό πεδίο στη διεύθυνση xy, το µαγνητικό πεδίο στη διεύθυνση xz και τη διάδοση του κύµατος στην κατεύθυνση Χ. Μόνο το διάνυσµα των ηλεκτρικών πεδίων εξετάζεται επειδή το τµήµα των µαγνητικών πεδίων είναι ουσιαστικά το ίδιο. Στο φυσικό φως όλα τα στοιχειώδη ηλεκτρικά κύµατα πάλλονται διαρκώς εντός όλων των δυνατών επιπέδων ενώ στο «γραµµικά πολωµένο» τα στοιχειώδη ηλεκτρικά κύµατα πάλλονται διαρκώς εντός ενός επιπέδου. [8] Στην παραπάνω φωτογραφία παρουσιάζεται το διάνυσµα των ηλεκτρικών πεδίων καθώς διαδίδεται το άσπρο φως Οι εξισώσεις οι οποίες περιγράφουν το ηλεκτροµαγνητικό κύµα είναι οι εξής : [6] E y (x, t) = E y max cos(kx - ωt) E z (x, t) = E z cos(kx - ωt + ε) max Τα δύο κύµατα διαδίδονται στη θετική διεύθυνση x µε διαφορά φάσης ε. Όταν ε = 0 ή ε ακέραιο πολλαπλάσιο του ± 2π τα συνιστάµενα πεδία βρίσκονται σε φάση εποµένως το κύµα είναι γραµµικά πολωµένο. 4

Λειτουργία Πολωτή και Αναλύτη [5] O πολωτής είναι ένα υλικό το οποίο επιτρέπει να διέρχεται δια µέσου αυτού µόνο η παράλληλος συνιστώσα κάθε κύµατος, προς ένα χαρακτηριστικό επίπεδο, το οποίο εξαρτάται από την κατασκευή του πολωτή. Εάν οι οπτικοί άξονές του πολωτή και του αναλύτη είναι παράλληλοι, το φως περνά µέσω και των δύο. Εντούτοις, εάν οι οπτικοί άξονες είναι κάθετοι µεταξύ τους το πολωµένο φως περνά από τον πρώτο αλλά όχι από το δεύτερο. εδοµένου ότι η γωνία περιστρέφεται από 0 έως 90 µοίρες, το ποσό φωτός που περνά από τον αναλύτη µειώνεται. [8] ιπλοθλαστικότητα Οι υγροί κρύσταλλοι χαρακτηρίζονται ως διπλοθλαστικά, λόγω της ανισότροπης φύσης τους. ηλαδή καταδεικνύουν τη διπλή διάθλαση (έχοντας δύο δείκτες διάθλασης). Το πολωµένο φως το οποίο είναι παράλληλο στον κατευθυντή έχει έναν διαφορετικό δείκτη διάθλασης (δηλαδή ταξιδεύει σε µια διαφορετική ταχύτητα) από το πολωµένο φως το οποίο είναι κάθετο στο κατευθυντή. Κατά συνέπεια, όταν το φως διέρχεται µέσω ενός διπλοθλαστικού υλικού, όπως ένα δείγµα υγρού κρυστάλλου, η διαδικασία διαµορφώνεται από την άποψη του φωτός, που χωρίζεται στη γρήγορη (αποκαλούµενη τακτική ακτίνα) και αργή (αποκαλούµενη έκτακτος ακτίνα) συνιστώσα. Επειδή οι 5

δύο συνιστώσες ταξιδεύουν σε διαφορετικές ταχύτητες, τα κύµατα έχουν διαφορά φάσης. [8] Ανάλυση Πολωτικού Μικροσκοπίου Τα βασικά µέρη ενός πολωτικού µικροσκοπίου είναι τα εξής [10] : Φωτεινή πηγή : Η φωτιστική πηγή βρίσκεται στη βάση του µικροσκοπίου και αποτελείται από µία λάµπα αλογόνου λευκού φωτός και ένα σύστηµα φακών και κατόπτρων, που κατευθύνουν το φως προς τα επάνω. Η ένταση του φωτός ρυθµίζεται µε ένα ροοστάτη Πολωτής (Polarizer) : Ο πολωτής είναι τοποθετηµένος αµέσως πάνω από τη φωτιστική πηγή. Αποτελείται από ένα πολωτικό φίλτρο που µετατρέπει το φυσικό φως σε ευθύγραµµα πολωµένο. Επίσης ο πολωτής έχει τη δυνατότητα να περιστρέφεται 360 0 Τράπεζα µικροσκοπίου (Circular Rotating Stage ή Hot Stage) : Η στρεφόµενη τράπεζα ή απλώς τράπεζα του πολωτικού µικροσκοπίου είναι κυκλική και τοποθετηµένη κατά τέτοιο τρόπο ώστε να περιστρέφεται περί κατακόρυφο άξονα. Στην εξωτερική της πλευρά είναι βαθµολογηµένη σε µοίρες και στο πλάι υπάρχει ένας βερνιέρος για την ακριβή µέτρηση διαφόρων γωνιών. Ο υγρός κρύσταλλος τοποθετείται στο κέντρο της τράπεζας όπου υπάρχει µία οπή για να επιτρέπει τη διέλευση του φωτός. Αναλύτης (Analyzer) : Ο αναλύτης βρίσκεται πάνω από τους αντικειµενικούς φακούς και παρεµβάλλεται στην πορεία του φωτός 6

κατά βούληση. Είναι όµοιος µε τον πολωτή, έχει όµως διεύθυνση πόλωσης κάθετη σε αυτή του πολωτή. Όταν ο αναλύτης παρεµβάλλεται στην πορεία του φωτός, τότε ο πολωτής και ο αναλύτης είναι διασταυρωµένοι και η παρατήρηση γίνεται µε πολωτή και αναλύτη. Στην περίπτωση που δεν υπάρχει τίποτε στην τράπεζα του µικροσκοπίου το πεδίο παρατήρησης φαίνεται σκοτεινό, διότι το πολωµένο φως που φθάνει στον αναλύτη έχει διεύθυνση πόλωσης κάθετη και εποµένως δεν περνά. Όταν ο αναλύτης αποµακρυνθεί από την πορεία του φωτός, τότε το πεδίο είναι φωτεινό. Πολωτικό µικροσκόπιο και Υγροί Κρύσταλλοι [11] 7

Το φυσικό φως προερχόµενο από µία φωτεινή πηγή κατευθύνεται προς τον πολωτή. Όταν διέλθει δια µέσου του πολωτή µετατρέπεται σε γραµµικά πολωµένο φως. Εν συνεχεία το γραµµικά πολωµένο φως περνάει από το διπλοθλαστικό µας υλικό (υγρός κρύσταλλος) και χωρίζεται σε δύο επιµέρους τµήµατα κυµάτων τα οποία έχουν διαφορετικές ταχύτητες. Όταν µετά βγουν από το δείγµα, τα επιµέρους κύµατα αποκτούν διαφορά φάσης, αλλά επανασυνδυάζονται µε την εποικοδοµητική και καταστρεπτική παρέµβαση όταν περνούν µέσω του αναλύτη. Χρώµατα που προκύπτουν από τη µελέτη της πόλωσης του φωτός Το φυσικό φως αποτελείται από πολλά µήκη κύµατος και άρα από πολλά χρώµατα. Στο διπλοθλαστικό µας υλικό υπάρχουν περιοχές οι οποίες έχουν διαφορετική διεύθυνση του κατευθυντή µε αποτέλεσµα όταν το φως προσκρούει πάνω σε κάθε µία από αυτές τις περιοχές αντανακλάται σε συγκεκριµένα µήκη κύµατος και άρα σε συγκριµένα χρώµατα. Ανάµεσα στα χρώµατα στα οποία παρατηρούµε κατά µικροσκοπία πόλωσης ανήκει και το µαύρο (δεν υπάρχει διέλευση φωτός από τον αναλύτη), όπου το υλικό αντιλαµβάνεται µόνο ένα δείκτη διάθλασης. Το µαύρο χρώµα το 8

παρατηρούµε όταν ο κατευθυντής είναι παράλληλος ή κάθετος ως προς τον πολωτή ή ως προς τον αναλύτη. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΙΑ ΙΚΑΣΙΑ Για την πειραµατική µας διαδικασία θα χρησιµοποιήσουµε τρία δείγµατα τα οποία είναι : είγµα 1 4-(trans-4-Pentylcyclohexyl)benzonitrile {99 % crystal (Nematic liquid)} είγµα 2 (S)-(+)-2-Methylbutyl 4-(4- decyloxybenzylideneamino)cinnamate {Ferroelectric liquid crystal} είγµα 3 4-Octyl-4-biphenylcarbonitrile {crystal (Nematic liquid) 98 %} Αρχικά επιλέγουµε το δείγµα που θέλουµε να µελετήσουµε στο πολωτικό µικροσκόπιο και το τοποθετούµε ανάµεσα σε 2 γυαλάκια µε τη βοήθεια µία σπάτουλας. Στη συνέχεια τοποθετούµε τα δύο γυαλάκια στην ειδική υποδοχή της θερµαινόµενης τράπεζας του µικροσκοπίου (Hot Stage). Αφού τοποθετηθεί το δείγµα στην κατάλληλη θέση, το θερµαίνουµε µε έναν αρκετά γρήγορο ρυθµό (rate). Σκοπός αυτής της διαδικασίας είναι να προσδιορίσουµε που περίπου κυµαίνεται η θερµοκρασία µετάβασης σε ισότροπο υγρό. Αφού προσδιορίσουµε τη θερµοκρασία µετάβασης αφήνουµε το δείγµα µας να θερµανθεί λίγο περισσότερο σε µία θερµοκρασία την οποία χρησιµοποιούµε ως τη µέγιστη θερµοκρασία στην οποία θα φτάσει το δείγµα µας. Με αντίστοιχο τρόπο ρυθµίζουµε και µια ελάχιστη θερµοκρασία για την διαδικασία της ψύξης. Για να παρατηρήσουµε όλες τις µετατροπές των φάσεων του δείγµατός µας κατά την ψύξη, το αφήνουµε να ψυχθεί από την ανώτερη θερµοκρασία σε µια ελάχιστη θερµοκρασία, µε χαµηλό ρυθµό, παρατηρώντας παράλληλα για αλλαγές φάσης. Αντίστοιχη διαδικασία ακολουθείται στη θέρµανση. 9

Σε κάθε δείγµα εφαρµόσαµε διαφορετικούς ρυθµούς θέρµανσης και ψύξης µε σκοπό να δούµε πως επηρεάζει αυτός ο ρυθµός τις θερµοκρασίες µετατροπής. Η διαδικασία που ακολουθήθηκε για κάθε δείγµα περιγράφεται πιο αναλυτικά στους παρακάτω πίνακες. [12] είγµα 1 (PCH-5) Με γρήγορο ρυθµό (rate) θέρµανσης παρατηρούµε ότι η θερµοκρασία µετατροπής φάσης είναι γύρω στους 55 0 C. *Παρατηρήσεις: εν αλλάζει σηµαντικά η θερµοκρασία µετατροπής φάσης κατά την ψύξη σε σχέση µε την θέρµανση. Οι ρυθµοί θέρµανσης και ψύξης παρατηρούµε ότι δεν επηρεάζουν τις θερµοκρασίες µετατροπής φάσης. Στη θέρµανση µε ταχύτητα 10 0 C / min η θερµοκρασία µετατροπής φάσης έχει µετατοπιστεί στους 53.7 0 C. Αυτό µπορεί να εξηγηθεί γιατί ο ρυθµός µε τον οποίο αυξανόταν η θερµοκρασία ήταν αρκετά µεγάλος µε αποτέλεσµα η συσκευή να µην µπορεί να παρακολουθήσει µε ακρίβεια την ταχύτητα. Από την άλλη µεριά στην ψύξη δε έχει µετατοπιστεί αισθητά η θερµοκρασία µετατροπής φάσης. 10

[12] είγµα 2 (DOBAMBC) Με γρήγορο ρυθµό (rate) θέρµανσης παρατηρούµε ότι η θερµοκρασία µετατροπής φάσης είναι γύρω στους 122 0 C. *Παρατηρήσεις : Στη θέρµανση µε ταχύτητα 10 0 C / min παρατηρείτε ότι ενώ ακόµη γίνεται µετατροπή από S C S A γίνεται ταυτόχρονα και µετατροπή από S A Ισότροπο υγρό. Συµπεραίνουµε ότι κατά τη θέρµανση µε γρήγορο ρυθµό µειώνεται το εύρος της S A φάσης.. 11

Οι θερµοκρασίες µετατροπής φάσης είναι διαφορετικές στη θέρµανση σε σχέση µε την ψύξη. Οι ρυθµοί θέρµανσης και ψύξης µειώνουν τις θερµοκρασίες µετατροπής φάσης. Οι στατικές (χαµηλός ρυθµός θέρµανσης) θερµοκρασίες µετατροπής των φάσεων του παραπάνω δείγµατος είναι : [7] 0 0 76 C * 95 C 117 C C10 SmC SmA Iso Παρατηρούµε ότι οι στατικές θερµοκρασίες µετατροπής διαφέρουν από τις αντίστοιχες θερµοκρασίες του πειράµατός µας. Αυτό οφείλεται στην καθαρότητα (διάφορες προσµίξεις) του δείγµατός µας. 0 [12] είγµα 3 (8CB) Παρατηρήσεις εν αλλάζει σηµαντικά η θερµοκρασία µετατροπής φάσης κατά την ψύξη σε σχέση µε την θέρµανση. 12

Οι ρυθµοί θέρµανσης και ψύξης παρατηρούµε ότι δεν επηρεάζουν τις θερµοκρασίες µετατροπής φάσης. Κατά τη διάρκεια του πειράµατός ψύξαµε το δείγµα µας σε πολύ χαµηλή θερµοκρασία για να βρούµε τη θερµοκρασία µετατροπής από SmA Cry. Παρατηρήσαµε ότι η θερµοκρασία µετατροπής ήταν -10 ο C. Οι θεωρητικές τιµές των θερµοκρασιών µετατροπής είναι : 0 21.5 C 33.5 C 40.5 C Cry SmA Nem Iso 0 0 [2] Επιβεβαίωση και χαρακτηρισµός υγροκρυσταλικών φάσεων στο πολωτικό µικροσκόπιο Οι φάσεις των υγρών κρυστάλλων οι οποίες παρατηρούνται στο πολωτικό µικροσκόπιο περιγράφονται σύµφωνα µε κάποια βασικά χαρακτηριστικά που παρουσιάζουν. Κατά κύριο λόγο τα χαρακτηριστικά αυτά οφείλονται σε ατέλειες οι οποίες αναφέρονται παρακάτω. Νηµατική φάση [3] Στη νηµατική φάση ο κατευθυντής µπορεί συχνά να τείνει σε ένα σηµείο (σηµειακή ατέλεια). Οι διευθύνσεις των κατευθυντών µπορούν να κατανεµηθούν µε διάφορους τρόπους στο χώρο δηµιουργώντας σηµειακές ατέλειες και ατέλειες γραµµών. Κάποιες από αυτές τις ευθυγραµµίσεις φαίνονται στο σχήµα I (a-d). Στην περίπτωση (Ia) τα µόρια είναι ακτινικά ευθυγραµµισµένα δείχνοντας προς την ατέλεια σηµείου. Εποµένως οι διασταυρωµένοι πολωτές προκαλούν έκλειψη φωτός σε τέσσερις περιοχές από τη σηµειακή ατέλεια. Τέτοια ατέλεια ονοµάζεται four-brush schlieren και όπως παρατηρούµε στην εικόνα σχηµατίζει έναν σταυρό. Η ευθυγράµµιση στο σχήµα Ib επίσης δηµιουργεί µία four-brush schlieren. Εκεί όπου οι διευθύνσεις του κατευθυντή σχηµατίζουν ένα τόξο γύρω από τη σηµειακή ατέλεια σχήµα (Ic) υπάρχουν δύο περιοχές όπου ο κατευθυντής ευθυγραµµίζεται µε έναν από τους δύο πολωτές και έτσι αυτές οι δύο περιοχές οπτικά εξαλείφονται, δηµιουργώντας µία two-brush schlieren. Οµοίως το σχήµα Id παρουσιάζει µία διευθέτηση των νηµατικών οι οποίοι προσανατολίζονται γύρω από µία σηµειακή ατέλεια η οποία οδηγεί σε µία 13

two-brush schlieren. Προφανώς τέτοιες καταστάσεις φαίνονται µόνο όταν κοιτάς την σηµειακή ατέλεια από πάνω. Μια disclination γραµµή συνδέει ένα σηµείο µίας επιφάνειας µε µία άλλη και όταν αυτές οι γραµµές παρατηρούνται παράλληλα ως προς την επιφάνεια µία µαύρη οπτικά περιοχή φαίνεται µε τη µορφή νήµατος. Η φωτογραφία 1 δείχνει µία κλασική schlieren δοµή ενός νηµατικού υγρού κρυστάλλου µε περιοχές four brushes και νήµατα τα οποία προκύπτουν από ατέλεια γραµµής arrangement of crossed appearance of Nematic molecules polarizers schlieren brushes 14

Σχήµα I [3] S A Φάση [3] Από τη σκοπιά ενός οπτικού πολωτικού µικροσκοπίου η φάση S A επιδεικνύει δύο χαρακτηριστικές δοµές. Πρώτον, όταν τα µόρια είναι ευθυγραµµισµένα οµοιοτροπικά τότε το πολωµένο φως εξαλείφεται και η δοµή εµφανίζεται εντελώς σκοτεινή επειδή το πολωµένο φως περνάει κάτω από τον κατευθυντή. εύτερον όταν τα µόρια δεν είναι ευθυγραµµισµένα οµοιοτροπικά η δοµή της φάσης υιοθετεί µία εστιακή - κονική σαν βεντάλια δοµή η οποία εµφανίζεται εξαιτίας ενός ενεργητικού ευνοϊκού πακεταρίσµατος της φυλλώδης δοµής για να δώσει ένα σύστηµα κυρτών ισαπέχοντων στρωµάτων τα οποία απαντούν σε γεωµετρικά σχήµατα τα οποία ονοµάζονται κύκλοι του Dupin (σχήµατα ΙΙ και ΙΙΙ). Το πολωµένο φως τώρα επηρεάζεται από την ανισότροπη, διπλοθλαστική φύση της δοµής της φάσης και µία φωτεινή δοµή εµφανίζεται η οποία είναι αντιπροσωπευτική των ατελειών µέσα στη δοµή. Η εστιακή - κωνική σε σχήµα βεντάλιας δοµή µίας S A φάσης αναπτύσσεται από µία νηµατική φάση ή φάση ισότροπου υγρού καθώς υπάρχουν batonnets τα οποία ενώνονται και εν συνεχεία δηµιουργούν τη εστιακή - κωνική δοµή. Οι µαύρες γραµµές οι οποίες είναι ορατές προέρχονται από οπτικές ασυνέχειες οι οποίες δηµιουργούνται από τη δοµική διευθέτηση των µορίων µέσα στη φάση. Οι ασυνέχειες αυτές φαίνονται µε τη µορφή ελλείψεων και υπερβολών (ή µέρη αυτών) και οι δύο αυτές γραµµές ονοµάζονται ζευγάρι εστιακής - κωνικής. Η µοριακή διευθέτηση των στρωµάτων της δοµής S A είναι τέτοια ώστε τα στρώµατα να πακετάρονται σε οµόκεντρους κύκλους. 15

Σχήµα Α [4] ύο οµάδες αυτών των οµόκεντρων κύκλων φαίνεται να συγχωνεύονται µεταξύ τους, τυπικά µε έναν ασύµµετρο τρόπο, όπως καθαρά φαίνεται στο σχήµα ΙI (κύκλοι Dupin). Μία επιπλέον οµάδα οµόκεντρων στρωµάτων ολοκληρώνει την τρισδιάστατη δοµή και αποτελεί την ελλειψοειδή βάση της εστιακής κωνικής. Σχήµα Β [4] 1 2 3 Για λόγους απλότητας η τρισδιάστατη εστιακή - κωνική δοµή µπορεί να περιγραφεί εκεί όπου η έλλειψη πλησιάζει σε έναν κύκλο και η υπερβολή είναι ισοδύναµη σε µία ευθεία γραµµή. (σχήµα ΙΙ). 16

Σχήµα ΙΙ [3] S C Φάση [3] Η φάση S C είναι βασικά η υπό κλίση αναλογία της φάσης S Α και η οπτική µικροσκοπία ανακλά αυτή τη δοµική κατάσταση. ύο δοµές παρουσιάζονται σε µία S C φάση. Πρώτον, η εστιακή κωνική σα βεντάλια δοµή που είναι πανοµοιότυπη µε αυτή της S Α φάσης µε τη µόνη διαφορά ότι τα µόρια µέσα στα στρώµατα είναι υπό κλίση. Εάν η φάση S C έχει δηµιουργηθεί µε ψύξη µίας S Α φάσης τότε οι βεντάλιες θα φαίνονται σπασµένες εξαιτίας της µείωσης της απόστασης των στρωµάτων όταν τα µόρια µέσα στα στρώµατα πάρουν κλίση. εύτερον η φάση S C παρουσιάζει µία schlieren δοµή η οποία είναι παρόµοια µε αυτή που παρουσιάζεται στη νηµατική φάση. Απλά η S C φάση δε µπορεί να δηµιουργήσει µία οπτικά µαύρη περιοχή σαν την S Α φάση επειδή ο κατευθυντής είναι υπό κλίση. Η schlieren δοµή της φάσης S C εµφανίζεται πιο συχνά από την εστιακή κωνική σα βεντάλια δοµή και πάντα παρατηρείται στη ψύξη όταν η φάση S C 17

σχηµατίζεται από τη νηµατική φάση. Εάν η φάση S C (φωτογραφία 5) δηµιουργηθεί από ψύξη µίας S A φάσης (φωτογραφία 4), τότε οι περιοχές της φάσης S Α οι οποίες εµφανίζονται µαύρες γεµίζουν µε schlieren δοµή καθώς τα µόρια παίρνουν κλίση κατά την ψύξη. Σχήµα ΙΙΙ [3] Έχοντας γνώση των παραπάνω χαρακτηριστικών για την περιγραφή ενός υγρού κρυστάλλου θα προσπαθήσουµε παρακάτω να περιγράψουµε τα δείγµατα τα οποία χρησιµοποιήθηκαν κατά τη διάρκεια του πειράµατός µας. Το πρώτο µας δείγµα του οποίου η εµπειρική ονοµασία είναι (PCH-5) παρουσιάζει µόνο µία αλλαγή φάσης από ισότροπο σε νηµατικό όταν πρόκειται για ψύξη και αντίστροφα όταν πρόκειται για θέρµανση. 18

Στην παρακάτω φωτογραφία µπορούµε να διακρίνουµε τις χαρακτηριστικές δοµές οι οποίες µας υποδηλώνουν ακριβώς ποια είναι η φάση που φαίνεται. Φωτογραφία 1(Nem) Στην παραπάνω φωτογραφία µπορούµε να διακρίνουµε τα νήµατα τα οποία είναι χαρακτηριστικά της νηµατικής φάσης. Επίσης µπορούµε να δούµε ατέλειες γραµµής οι οποίες δηµιουργούν four-brush schlieren στα σηµεία 1, 2, 3 και 4. 19

Φωτογραφία 2 (Iso Nem) 20

είγµα 2 Φωτογραφία 3 (Iso S A ) 21

Φωτογραφία 4 (S A ) 22

Φωτογραφία 5 (S C ) Στην παραπάνω φωτογραφία παρατηρούµε κάποιες γραµµές οι οποίες είναι * χαρακτηριστικές της φεροηλεκτρικής S C φάσης και οι οποίες µας κάνουν να την ξεχωρίζουµε από την SA φάση. Οι γραµµές αυτές αναπαριστούν το βήµα της έλικας. 23

Φωτογραφία 6 (Cry) 24

είγµα 3 Φωτογραφία 7 (Iso Nem) 25

Φωτογραφία 8 (Nem S A ) Βιβλιογραφία The Physics Of Ferroelectric and Antiferroelectric Liquid Crystals, I. Musevic, R. Blinc, B. Zeks [1] Handbook Of Liquid Crystals Low (or High) Molecular Weight Liquid Crystals I Edited By D.Demus, J. Goodby, G.W. Gray, H.W Spiess, V.Vill [2] Introduction to liquid Crystals (Chemistry and Physics) Peter J. Collings and Michael Hird [3] 26

Textures Of Liquid Crystals, Dietrich Demus, Lothar Richter (Weinheim New York 1978) [4] Οπτική Eugene Hecht, Ph. D (Μετάφραση Ιωάννης Ε. Σπυριδέλης), Σ. Σπυριδέλη και Α. Καπνίδου [5] Φυσική (Τόµος Β), Ηλεκτροµαγνητισµός Οπτική Σύγχρονη Φυσική, Hugh D. Young [6] Thermotropic Liquid Crystals,Fundamentals G. Vertogen, W.H. de Jeu [7] INTERNET http://plc.cwru.edu/tutorial/enhanced/files/hindex.html [8] http://www.eng.ox.ac.uk/lc/research/introf.html [9] http://www.geo.auth.gr/ [10] http://micro.magnet.fsu.edu [11] http://www.sigmaaldrich.com [12] http://www.lci.kent.edu/index.html [ιστοσελίδα γενικών φωτογραφιών υγρών κρυστάλλων] 27