Μελέτη της διηλεκτρικής ανισοτροπίας συμμετρικών κυανοδιφαινυλικών υγροκρυσταλλικών διμερών και μειγμάτων αυτών που εμφανίζουν δύο νηματικές φάσεις
Αντικείμενο της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη της διηλεκτρικής ανισοτροπίας συστημάτων που βασίζονται σε συμμετρικά υγροκρυσταλλικά διμερή, με περιττό αριθμό ατόμων άνθρακα στη συνδετική τους αλυσίδα και με κυανοδιφαινυλικούς μεσογόνους πυρήνες (CBnCB). Τα διμερή αυτά βρίσκονται στην πρώτη γραμμή...
| Κύριος συγγραφέας: | |
|---|---|
| Άλλοι συγγραφείς: | |
| Μορφή: | Thesis |
| Γλώσσα: | Greek |
| Έκδοση: |
2018
|
| Θέματα: | |
| Διαθέσιμο Online: | http://hdl.handle.net/10889/11132 |
| id |
nemertes-10889-11132 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| institution |
UPatras |
| collection |
Nemertes |
| language |
Greek |
| topic |
Υγροί κρύσταλλοι Υγροκρυσταλλικά διμερή Διηλεκτρική ανισοτροπία Νηματικές φάσεις Nx/tb μεσοφάση Διηλεκτρική φασματοσκοπία Πολωτική μικροσκοπία Μείγματα υγροκρυσταλλικών υλικών Liquid crystals Liquid crystal dimers Dielectric anisotropy Nematic phases Nx/tb mesophase Dielectric spectroscopy Polarising optical microscopy LC mixtures 530.429 |
| spellingShingle |
Υγροί κρύσταλλοι Υγροκρυσταλλικά διμερή Διηλεκτρική ανισοτροπία Νηματικές φάσεις Nx/tb μεσοφάση Διηλεκτρική φασματοσκοπία Πολωτική μικροσκοπία Μείγματα υγροκρυσταλλικών υλικών Liquid crystals Liquid crystal dimers Dielectric anisotropy Nematic phases Nx/tb mesophase Dielectric spectroscopy Polarising optical microscopy LC mixtures 530.429 Ζάββου, Ευαγγελία Μελέτη της διηλεκτρικής ανισοτροπίας συμμετρικών κυανοδιφαινυλικών υγροκρυσταλλικών διμερών και μειγμάτων αυτών που εμφανίζουν δύο νηματικές φάσεις |
| description |
Αντικείμενο της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη της διηλεκτρικής ανισοτροπίας συστημάτων που βασίζονται σε συμμετρικά υγροκρυσταλλικά διμερή, με περιττό αριθμό ατόμων άνθρακα στη συνδετική τους αλυσίδα και με κυανοδιφαινυλικούς μεσογόνους πυρήνες (CBnCB). Τα διμερή αυτά βρίσκονται στην πρώτη γραμμή της τρέχουσας επιστημονικής έρευνας στο πεδίο των υγρών κρυστάλλων, μιας και εμφανίζουν δύο νηματικές φάσεις. Συγκεκριμένα, ψύχοντας από τη μονοαξονική απολική νηματική φάση (Ν) εμφανίζουν μετατροπή σε μία νέα νηματική φάση (Nx/tb), η οποία είναι χειρόμορφη, αν και αποτελείται από μη χειρόμορφα μόρια. Η ανακάλυψή της θεωρείται βασικής σημασίας, αφού διαφαίνεται να έχει προεκτάσεις τόσο σε θεμελιώδη επιστημονικά ζητήματα, όπως η κατανόηση της εμφάνισης της χειρομορφίας στη μαλακή συμπυκνωμένη ύλη, όσο και στην πιθανότητα εφαρμογών σε υγροκρυσταλλικά συστήματα οπτικής απεικόνισης (LC Displays) με απόκριση της τάξης των μs.
Στα πλαίσια του χαρακτηρισμού των φυσικών ιδιοτήτων της νέας αυτής φάσης, ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει, μεταξύ άλλων, ο ηλεκτρικός χαρακτηρισμός των παραπάνω υλικών. Η παρούσα μελέτη δεν περιορίζεται μόνο στον χαρακτηρισμό υγροκρυσταλλικών διμερών που εμφανίζουν τη νέα νηματική φάση (CBnCB), αλλά επεκτείνεται και σε διμερή παρόμοιας χημικής δομής με τα αυτά (CBOnOCB), τα οποία όμως δε την εμφανίζουν. Επίσης, μελετώνται μείγματα με το αντίστοιχο μονομερές (CBnCB-5CB) και μείγματα διμερών (CBnCB-CBOnOCB). Εκτός από τον προσδιορισμό των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών σε συνάρτηση με τη συγκέντρωση των επιμέρους συστατικών, η μελέτη των μειγμάτων δίνει τη δυνατότητα διερεύνησης του εύρους των συγκεντρώσεων, στις οποίες οι διάφορες υγροκρυσταλλικές φάσεις είναι ευσταθείς.
Ο ηλεκτρικός χαρακτηρισμός των καθαρών υλικών και των μειγμάτων πραγματοποιήθηκε μέσω της τεχνικής της Διηλεκτρικής Φασματοσκοπίας Ευρέως Φάσματος (Broadband Dielectric Spectroscopy, BDS). Για κάθε εξεταζόμενο δείγμα ελήφθησαν ισόθερμες καμπύλες της διηλεκτρικής σταθεράς συναρτήσει της συχνότητας, σε εύρος συχνοτήτων 100 Hz - 1 MHz. Το θερμοκρασιακό εύρος για τη λήψη των μετρήσεων διαφέρει για το κάθε σύστημα και αντιστοιχεί σε θερμοκρασιακό εύρος που περιλαμβάνει όλες τις φάσεις, στις οποίες μεταβαίνει το δείγμα (από ισότροπο υγρό μέχρι και την κρυστάλλωσή του).
Στην παρούσα εργασία, ιδιαίτερη βαρύτητα δόθηκε στην ανάπτυξη μίας συστηματικής και συνεπούς μεθοδολογίας για την λήψη των ηλεκτρικών μετρήσεων. Όπως προέκυψε, προκειμένου να επιτευχθεί ο παραπάνω σκοπός αναπόσπαστο κομμάτι της πειραματικής μεθοδολογίας θα πρέπει να είναι τόσο ο οπτικός χαρακτηρισμός, όσο και η μελέτη της ηλεκτροοπτικής απόκρισης των δειγμάτων. Ο οπτικός χαρακτηρισμός γίνεται με τη χρήση Πολωτικού Μικροσκοπίου (POM), εξοπλισμένου με σύστημα θέρμανσης/ψύξης, ενώ η ηλεκτροοπτική απόκριση πραγματοποιείται επίσης κάτω από το πολωτικό μικροσκόπιο με την εφαρμογή ηλεκτρικού πεδίου στο δείγμα.
Όσο αφορά στην εξάρτηση των συνιστωσών ε|| και ε⊥ της διηλεκτρικής σταθεράς, ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η συνεχής πτώση της παράλληλης συνιστώσας της διηλεκτρικής σταθεράς, ε||, με τη μείωση της θερμοκρασίας. Η πτώση αυτή η οποία εμφανίζεται σε όλα τα διμερή ανεξάρτητα με το αν εμφανίζουν την Nx/tb φάση. Επίσης, η διηλεκτρική ανισοτροπία, Δε=ε|| - ε⊥, λαμβάνει μικρές τιμές στην περίπτωση των καθαρών διμερών και των μειγμάτων μεταξύ διμερών. Σε κάποιες περιπτώσεις μάλιστα, παρατηρείται και μηδενισμός της ποσότητας αυτής εντός της Nx/tb φάσης. Ο μηδενισμός αυτός δε συνοδεύεται από αντίστοιχο μηδενισμό της οπτικής ανισοτροπίας Δn≠0. Επίσης, είναι χαρακτηριστικό το γεγονός ότι τα υγροκρυσταλλικά διμερή και μείγματα που μελετώνται στην παρούσα εργασία εμφανίζουν φαινόμενα μνήμης κατά τη μελέτη της ηλεκτροοπτικής τους συμπεριφοράς και μετά την απομάκρυνση του ηλεκτρικού πεδίου εντός της Nx/tb φάσης.
Απώτερος στόχος της παρούσας εργασίας είναι η αξιοποίηση των πειραματικών αποτελεσμάτων και συμπερασμάτων, ώστε: (i) να συνεισφέρουν στην κατανόηση των ελάχιστων μοριακών χαρακτηριστικών που ευθύνονται για την εκδήλωση της Nx/tb φάσης, (ii) να συνεισφέρουν στη γενικότερη διερεύνηση της σχέσης δομής-ιδιοτήτων για τα συστήματα των διμερών που μελετώνται και (iii) να τροφοδοτηθούν θεωρητικές μελέτες για την Νx/tb φάση με σκοπό την ανάπτυξη νέων μοριακών μοντέλων (που θα μπορούσαν να περιλαμβάνουν και την περίπτωση των μειγμάτων), ή/και τον έλεγχο των ήδη υπαρχόντων σχετικά με τη δυνατότητά τους να ερμηνεύσουν το σύνολο των διαθέσιμων πειραματικών δεδομένων (μεσομορφική συμπεριφορά και αποτελέσματα διαφόρων τεχνικών, όπως BDS, DSC, XRD, FFTEM, AFM, NMR, μετρήσεις διπλοθλαστικότητας), ο όγκος των οποίων στην περίπτωση της Nx/tb είναι μεγάλος την τελευταία δεκαετία και συνεχίζει να αυξάνεται με αμείωτους ρυθμούς. |
| author2 |
Καραχάλιου, Παναγιώτα |
| author_facet |
Καραχάλιου, Παναγιώτα Ζάββου, Ευαγγελία |
| format |
Thesis |
| author |
Ζάββου, Ευαγγελία |
| author_sort |
Ζάββου, Ευαγγελία |
| title |
Μελέτη της διηλεκτρικής ανισοτροπίας συμμετρικών κυανοδιφαινυλικών υγροκρυσταλλικών διμερών και μειγμάτων αυτών που εμφανίζουν δύο νηματικές φάσεις |
| title_short |
Μελέτη της διηλεκτρικής ανισοτροπίας συμμετρικών κυανοδιφαινυλικών υγροκρυσταλλικών διμερών και μειγμάτων αυτών που εμφανίζουν δύο νηματικές φάσεις |
| title_full |
Μελέτη της διηλεκτρικής ανισοτροπίας συμμετρικών κυανοδιφαινυλικών υγροκρυσταλλικών διμερών και μειγμάτων αυτών που εμφανίζουν δύο νηματικές φάσεις |
| title_fullStr |
Μελέτη της διηλεκτρικής ανισοτροπίας συμμετρικών κυανοδιφαινυλικών υγροκρυσταλλικών διμερών και μειγμάτων αυτών που εμφανίζουν δύο νηματικές φάσεις |
| title_full_unstemmed |
Μελέτη της διηλεκτρικής ανισοτροπίας συμμετρικών κυανοδιφαινυλικών υγροκρυσταλλικών διμερών και μειγμάτων αυτών που εμφανίζουν δύο νηματικές φάσεις |
| title_sort |
μελέτη της διηλεκτρικής ανισοτροπίας συμμετρικών κυανοδιφαινυλικών υγροκρυσταλλικών διμερών και μειγμάτων αυτών που εμφανίζουν δύο νηματικές φάσεις |
| publishDate |
2018 |
| url |
http://hdl.handle.net/10889/11132 |
| work_keys_str_mv |
AT zabboueuangelia meletētēsdiēlektrikēsanisotropiassymmetrikōnkyanodiphainylikōnygrokrystallikōndimerōnkaimeigmatōnautōnpouemphanizoundyonēmatikesphaseis AT zabboueuangelia dielectricanisotropystudiesofsymmetricalcyanobiphenylliquidcrystaldimersandmixturesexhibitingtwonematicphases |
| _version_ |
1771297253239029760 |
| spelling |
nemertes-10889-111322022-09-05T14:09:22Z Μελέτη της διηλεκτρικής ανισοτροπίας συμμετρικών κυανοδιφαινυλικών υγροκρυσταλλικών διμερών και μειγμάτων αυτών που εμφανίζουν δύο νηματικές φάσεις Dielectric anisotropy studies of symmetrical cyanobiphenyl liquid crystal dimers and mixtures exhibiting two nematic phases Ζάββου, Ευαγγελία Καραχάλιου, Παναγιώτα Γεωργά, Σταυρούλα Κροντηράς, Χριστόφορος Zavvou, Evangelia Υγροί κρύσταλλοι Υγροκρυσταλλικά διμερή Διηλεκτρική ανισοτροπία Νηματικές φάσεις Nx/tb μεσοφάση Διηλεκτρική φασματοσκοπία Πολωτική μικροσκοπία Μείγματα υγροκρυσταλλικών υλικών Liquid crystals Liquid crystal dimers Dielectric anisotropy Nematic phases Nx/tb mesophase Dielectric spectroscopy Polarising optical microscopy LC mixtures 530.429 Αντικείμενο της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη της διηλεκτρικής ανισοτροπίας συστημάτων που βασίζονται σε συμμετρικά υγροκρυσταλλικά διμερή, με περιττό αριθμό ατόμων άνθρακα στη συνδετική τους αλυσίδα και με κυανοδιφαινυλικούς μεσογόνους πυρήνες (CBnCB). Τα διμερή αυτά βρίσκονται στην πρώτη γραμμή της τρέχουσας επιστημονικής έρευνας στο πεδίο των υγρών κρυστάλλων, μιας και εμφανίζουν δύο νηματικές φάσεις. Συγκεκριμένα, ψύχοντας από τη μονοαξονική απολική νηματική φάση (Ν) εμφανίζουν μετατροπή σε μία νέα νηματική φάση (Nx/tb), η οποία είναι χειρόμορφη, αν και αποτελείται από μη χειρόμορφα μόρια. Η ανακάλυψή της θεωρείται βασικής σημασίας, αφού διαφαίνεται να έχει προεκτάσεις τόσο σε θεμελιώδη επιστημονικά ζητήματα, όπως η κατανόηση της εμφάνισης της χειρομορφίας στη μαλακή συμπυκνωμένη ύλη, όσο και στην πιθανότητα εφαρμογών σε υγροκρυσταλλικά συστήματα οπτικής απεικόνισης (LC Displays) με απόκριση της τάξης των μs. Στα πλαίσια του χαρακτηρισμού των φυσικών ιδιοτήτων της νέας αυτής φάσης, ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει, μεταξύ άλλων, ο ηλεκτρικός χαρακτηρισμός των παραπάνω υλικών. Η παρούσα μελέτη δεν περιορίζεται μόνο στον χαρακτηρισμό υγροκρυσταλλικών διμερών που εμφανίζουν τη νέα νηματική φάση (CBnCB), αλλά επεκτείνεται και σε διμερή παρόμοιας χημικής δομής με τα αυτά (CBOnOCB), τα οποία όμως δε την εμφανίζουν. Επίσης, μελετώνται μείγματα με το αντίστοιχο μονομερές (CBnCB-5CB) και μείγματα διμερών (CBnCB-CBOnOCB). Εκτός από τον προσδιορισμό των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών σε συνάρτηση με τη συγκέντρωση των επιμέρους συστατικών, η μελέτη των μειγμάτων δίνει τη δυνατότητα διερεύνησης του εύρους των συγκεντρώσεων, στις οποίες οι διάφορες υγροκρυσταλλικές φάσεις είναι ευσταθείς. Ο ηλεκτρικός χαρακτηρισμός των καθαρών υλικών και των μειγμάτων πραγματοποιήθηκε μέσω της τεχνικής της Διηλεκτρικής Φασματοσκοπίας Ευρέως Φάσματος (Broadband Dielectric Spectroscopy, BDS). Για κάθε εξεταζόμενο δείγμα ελήφθησαν ισόθερμες καμπύλες της διηλεκτρικής σταθεράς συναρτήσει της συχνότητας, σε εύρος συχνοτήτων 100 Hz - 1 MHz. Το θερμοκρασιακό εύρος για τη λήψη των μετρήσεων διαφέρει για το κάθε σύστημα και αντιστοιχεί σε θερμοκρασιακό εύρος που περιλαμβάνει όλες τις φάσεις, στις οποίες μεταβαίνει το δείγμα (από ισότροπο υγρό μέχρι και την κρυστάλλωσή του). Στην παρούσα εργασία, ιδιαίτερη βαρύτητα δόθηκε στην ανάπτυξη μίας συστηματικής και συνεπούς μεθοδολογίας για την λήψη των ηλεκτρικών μετρήσεων. Όπως προέκυψε, προκειμένου να επιτευχθεί ο παραπάνω σκοπός αναπόσπαστο κομμάτι της πειραματικής μεθοδολογίας θα πρέπει να είναι τόσο ο οπτικός χαρακτηρισμός, όσο και η μελέτη της ηλεκτροοπτικής απόκρισης των δειγμάτων. Ο οπτικός χαρακτηρισμός γίνεται με τη χρήση Πολωτικού Μικροσκοπίου (POM), εξοπλισμένου με σύστημα θέρμανσης/ψύξης, ενώ η ηλεκτροοπτική απόκριση πραγματοποιείται επίσης κάτω από το πολωτικό μικροσκόπιο με την εφαρμογή ηλεκτρικού πεδίου στο δείγμα. Όσο αφορά στην εξάρτηση των συνιστωσών ε|| και ε⊥ της διηλεκτρικής σταθεράς, ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η συνεχής πτώση της παράλληλης συνιστώσας της διηλεκτρικής σταθεράς, ε||, με τη μείωση της θερμοκρασίας. Η πτώση αυτή η οποία εμφανίζεται σε όλα τα διμερή ανεξάρτητα με το αν εμφανίζουν την Nx/tb φάση. Επίσης, η διηλεκτρική ανισοτροπία, Δε=ε|| - ε⊥, λαμβάνει μικρές τιμές στην περίπτωση των καθαρών διμερών και των μειγμάτων μεταξύ διμερών. Σε κάποιες περιπτώσεις μάλιστα, παρατηρείται και μηδενισμός της ποσότητας αυτής εντός της Nx/tb φάσης. Ο μηδενισμός αυτός δε συνοδεύεται από αντίστοιχο μηδενισμό της οπτικής ανισοτροπίας Δn≠0. Επίσης, είναι χαρακτηριστικό το γεγονός ότι τα υγροκρυσταλλικά διμερή και μείγματα που μελετώνται στην παρούσα εργασία εμφανίζουν φαινόμενα μνήμης κατά τη μελέτη της ηλεκτροοπτικής τους συμπεριφοράς και μετά την απομάκρυνση του ηλεκτρικού πεδίου εντός της Nx/tb φάσης. Απώτερος στόχος της παρούσας εργασίας είναι η αξιοποίηση των πειραματικών αποτελεσμάτων και συμπερασμάτων, ώστε: (i) να συνεισφέρουν στην κατανόηση των ελάχιστων μοριακών χαρακτηριστικών που ευθύνονται για την εκδήλωση της Nx/tb φάσης, (ii) να συνεισφέρουν στη γενικότερη διερεύνηση της σχέσης δομής-ιδιοτήτων για τα συστήματα των διμερών που μελετώνται και (iii) να τροφοδοτηθούν θεωρητικές μελέτες για την Νx/tb φάση με σκοπό την ανάπτυξη νέων μοριακών μοντέλων (που θα μπορούσαν να περιλαμβάνουν και την περίπτωση των μειγμάτων), ή/και τον έλεγχο των ήδη υπαρχόντων σχετικά με τη δυνατότητά τους να ερμηνεύσουν το σύνολο των διαθέσιμων πειραματικών δεδομένων (μεσομορφική συμπεριφορά και αποτελέσματα διαφόρων τεχνικών, όπως BDS, DSC, XRD, FFTEM, AFM, NMR, μετρήσεις διπλοθλαστικότητας), ο όγκος των οποίων στην περίπτωση της Nx/tb είναι μεγάλος την τελευταία δεκαετία και συνεχίζει να αυξάνεται με αμείωτους ρυθμούς. This work aims to investigate the dielectric anisotropy of systems, based on odd symmetric cyanobiphenyl liquid crystal dimers (CBnCB). These dimers are at the forefront of the current research in the field of liquid crystals owning to the fact that they exhibit two nematic phases. Specifically, upon cooling from the uniaxial apolar achiral Nematic (N), another nematic mesophase (Nx/tb) occurs which is chiral in nature, even though comprised by achiral molecules. The discovery of this new nematic phase, termed within this thesis as Nx/tb, is esteemed to be of major importance since it has become apparent that it can offer multiple challenges to the research field of liquid crystals and soft matter, in general. These range from fundamental scientific concepts such as understanding the emergence of chirality in such systems, to important technological implications like the possibility of faster LC displays, with micro-second electrooptical switching. Among the several complementary characterization techniques implemented to probe the physical properties of this novel nematic phase, dielectric characterization is of particular importance. The present experimental studies involve the characterization of liquid crystal dimers that form the new nematic mesophase (CBnCB) but also extend to dimesogens with similar molecular affinity that do not exhibit it (CBOnOCB). Furthermore, mixtures with the corresponding monomer are investigated (CBnCB-5CB) along with dimeric mixtures (CBnCB- CBOnOCB). This investigation allows for the determination of the dielectric properties of the mixtures under study as a function of the concentration of the constituent compounds, as well as provides the opportunity to probe the mesophase stability in terms of composition. The dielectric characterization of the pure dimers and compounds was performed via Broadband Dielectric Spectroscopy. The isothermal curves of the static permittivity for each examined specimen were obtained as a function of frequency in the range of 100 Hz to 1 MHz. The experimental temperature range varies for each individual system and relates to the temperature range where all the corresponding mesophases are formed (from the Isotropic to the Crystalline state). Particular emphasis was placed on the development of a systematical and consistent methodology for the measurement process. In order to achieve this purpose, it is established that both optical characterization and electrooptic response should be implemented in the experimental procedure. The optical characterization is achieved by means of a Polarising Optical Microscope (POM) equipped with a heating/cooling hotstage, whereas the electrooptical response is carried out under the microscope upon the application of an external electric field. An interesting finding in the dielectric analysis is the continuous decrease of the parallel component of the dielectric constant, εΙΙ, with decreasing temperature. Such a behaviour is found in all studied dimeric materials regardless of their Nx/tb forming capability. Moreover, the dielectric anisotropy Δε=ε||-ε⊥ exhibits extremely low values in the case of the pure dimers, as well as dimeric mixtures, whereas in some instances becomes zero within the Nx/tb phase. However, this observation is not accompanied by a similar reduction of the optical anisotropy (Δn≠0). Moreover, it should be noted that the liquid crystal dimesogens and corresponding mixtures under study exhibit memory effects, during electrooptic studies, after the removal of the externally applied electrical field, while being in the Nx/tb mesophase. Overall this work aims to is to exploit the experimental results and conclusions in order to: i) contribute to the better understanding of the least molecular parameters responsible for the manifestation of the Nx/tb phase, ii) provide further information on the structure-properties relationship of the systems under study, iii) give valuable feedback for theoretical studies in order to develop new molecular models for the Nx/tb phase (that can account for the cases of mixtures as well) and/or test the ones that already exist A rigorous model for the Nx/tb phase should be generic and capable to interpret consistently the overall experimental findings (mesomorphic behaviour and results obtained via experimental techniques such as BDS, DSC, XRD, FFTEM, AFM, NMR, birefringence measurements), which in the case of the Nx/tb phase are in abundance since the last decade and continue to grow rapidly. 2018-03-02T12:27:09Z 2018-03-02T12:27:09Z 2017-11-20 Thesis http://hdl.handle.net/10889/11132 gr 0 application/pdf |
