Μελέτη αναμειξιμότητας και οπτικών ιδιοτήτων υγροκρυσταλλικών διμερών

• Κύριος συγγραφέας: Μπαρμπάκη, Αιμιλία
• Άλλοι συγγραφείς: Barbaki, Aimilia
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2020
• Θέματα: Υγροί κρύσταλλοι; Νηματική φάση; Υγροκρυσταλλικά διμερή; Διπλοθλαστικότητα; Δομική χειρομορφία; Οπτική πολωτική μικροσκοπία; Αντισταθμιστής Berek; Liquid crystals; Nematic phase; Liquid crystal dimers; Birefringence; Structural chirality; Optical polarizing microscopy; Berek compensator

Η παρούσα εργασία πραγματεύεται τη μελέτη της αναμειξιμότητας και των οπτικών ιδιοτήτων συμμετρικών υγροκρυσταλλικών κυανοδιφαινυλικών διμερών με περιττό αριθμό ανθράκων στη συνδετική τους αλυσίδα. Τα διμερή αυτά ανήκουν στις ομόλογες σειρές CBnCB και CBOnOCB, τα μέλη των οποίων διαφέρουν μόνο στο είδος της σύνδεσης μεταξύ των μεσογόνων πυρήνων και της εύκαμπτης συνδετικής αλυσίδας. Τα CBOnOCB διμερή εμφανίζουν την μονοαξονική, απολική νηματική φάση (Ν), σε αντιδιαστολή με τα CBnCB διμερή, τα οποία κατά την ψύξη από το ισότροπο υγρό, εμφανίζουν πέραν της απλής νηματικής φάσης (Ν), μία επιπλέον νηματική φάση, την Nx/tb. Η Nx/tb μεσοφάση βρίσκεται στο επίκεντρο της τρέχουσας επιστημονικής έρευνας στο πεδίο των υγρών κρυστάλλων, λόγω των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών της. Συγκεκριμένα, η Nx/tb εμφανίζει αυθόρμητη δομική χειρομορφία, παρότι απαρτίζεται από μη χειρόμορφα μόρια, μία ιδιότητα μείζονος σημασίας τόσο στον τομέα των υγρών κρυστάλλων, όσο και της μαλακής συμπυκνωμένης ύλης γενικότερα. Επιπλέον, στην Nx/tb φάση παρατηρείται ηλεκτροοπτική απόκριση της τάξης των μs, πολύ μικρότερη αυτής των συμβατικών νηματικών υγρών κρυστάλλων, καθιστώντας την εξαιρετικά ελκυστική σε συστήματα οπτικής απεικόνισης. Στο πρώτο κεφάλαιο της εργασίας, αναλύονται οι κατηγορίες των νηματικών μεσοφάσεων και οι ιδιότητές τους, δίνοντας έμφαση στη νηματική φάση Nx/tb και στα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της. Επίσης, διασαφηνίζονται οι στόχοι της παρούσας εργασίας που αφορούν στην περαιτέρω κατανόηση της μοριακής αυτό-οργάνωσης εντός των υγροκρυσταλλικών φάσεων που εμφανίζουν τα διμερή υπό εξέταση, μέσω της μελέτης της θερμοκρασιακής εξάρτησης της διπλοθλαστικότητας (Δn) και της σύνδεσής της με μοριακές παραμέτρους. Η μελέτη επεκτείνεται και σε επιλεγμένα δυαδικά συστήματα υγροκρυσταλλικών διμερών, με σκοπό τη διερεύνηση των παραμέτρων που πρέπει να ικανοποιούνται για την εμφάνιση αυτής της νέας νηματικής μεσοφάσης, αλλά και τη μελέτη της θερμοκρασιακής εξάρτησης της διπλοθλαστικότητας με παράμετρο τη συγκέντρωση των επιμέρους συστατικών. Στο δεύτερο κεφάλαιο συζητείται εκτενέστερα η έννοια της διπλοθλαστικότητας, με έμφαση στα υγροκρυσταλλικά υλικά, και γίνεται αναφορά στις διάφορες μεθόδους προσδιορισμού αυτής. Τέλος, αναλύεται συνοπτικά η υπάρχουσα μοριακή θεωρία των δεικτών διάθλασης ενός ανισότροπου υλικού. Στο πλαίσιο της παρούσας εργασίας, πραγματοποιείται οπτικός χαρακτηρισμός των διμερών που ανήκουν στην ομόλογη σειρά CBnCB (n = 7, 9, 11) και εμφανίζουν δύο νηματικές φάσεις, αλλά και των μελών της ομόλογης σειράς CBOnOCB (n = 7, 9, 11), τα οποία εμφανίζουν μόνο την απλή Ν φάση, μέσω της τεχνικής της Οπτικής Πολωτικής Μικροσκοπίας (POM). Επιπλέον, μελετάται η αναμειξιμότητα και η μεσομορφική συμπεριφορά των μειγμάτων του μη υγροκρυσταλλικού διμερούς CB3CB με το διμερές CB9CB (το οποίο εμφανίζει την Nx/tb φάση), σε αντιδιαστολή με το ήδη μελετημένο δυαδικό σύστημα του CB3CB με το CBΟ9ΟCB (το οποίο εμφανίζει μόνο την Ν φάση), στο οποίο παρατηρείται η επαγωγή και σταθεροποίηση της Nx/tb φάσης σε ένα μεγάλο εύρος συγκεντρώσεων. Τον οπτικό χαρακτηρισμό ακολουθεί ο προσδιορισμός της διπλοθλαστικότητας με χρήση του περιστροφικού αντισταθμιστή Berek, και συγκεκριμένα η μελέτη της θερμοκρασιακής της εξάρτησης με παράμετρο αφενός τον αριθμό των ατόμων άνθρακα στην εύκαμπτη αλυσίδα για την περίπτωση των καθαρών υλικών, αφετέρου τη συγκέντρωση του μη υγροκρυσταλλικού διμερούς CB3CB στα δύο συστήματα μειγμάτων. Στο τρίτο κεφάλαιο, γίνεται εκτενής αναφορά στην αρχή λειτουργίας της Οπτικής Πολωτικής Μικροσκοπίας και του περιστροφικού αντισταθμιστή Berek, ενώ περιγράφεται ενδελεχώς η πειραματική διαδικασία του οπτικού χαρακτηρισμού και του προσδιορισμού της οπτικής ανισοτροπίας. Στο τέταρτο και πέμπτο κεφάλαιο παρατίθενται τα πειραματικά αποτελέσματα, όπως αυτά προκύπτουν από τον οπτικό χαρακτηρισμό και τον προσδιορισμό της διπλοθλαστικότητας, αντίστοιχα, για καθαρά υλικά και τα συστήματα μειγμάτων. Συγκεκριμένα, από τον οπτικό χαρακτηρισμό του συστήματος CB3CB - CB9CB, παρατηρείται η γρήγορη κατάρρευση του θερμοκρασιακού εύρους των δύο νηματικών φάσεων, με την Nx/tb να παρουσιάζει μη τυπικά οπτικά μοτίβα και να αντικαθίσταται από μία σμηγματική φάση σε μεγαλύτερες συγκεντρώσεις του μη υγροκρυσταλλικού διμερούς. Με περαιτέρω αύξηση της συγκέντρωσης σε CB3CB, παρατηρείται απευθείας μετάβαση από την ισότροπη στη σμηγματική φάση. Τα αποτελέσματα αυτά βρίσκονται σε αντίθεση με την περίπτωση του συστήματος CB3CB – CBO9OCB, το οποίο παρουσιάζει επαγωγή της Nx/tb μεσοφάσης και σταθεροποίηση αυτής σε ένα μεγάλο εύρος συγκεντρώσεων. Όσον αφορά τις μελέτες διπλοθλαστικότητας, παρατηρείται έντονη μείωση της διπλοθλαστικότητας Δn της Nx/tb φάσης κατά την ψύξη σε σχέση με την απλή Ν φάση, τόσο στα καθαρά υλικά όσο και στα μείγματα που εμφανίζουν την Nx/tb. Η θερμοκρασιακή εξάρτηση της διπλοθλαστικότητας στην Nx/tb δεν ικανοποιεί το υπάρχον θεωρητικό μοντέλο (μοντέλο Haller) για την απλή Ν φάση, ενώ συνδέεται άμεσα με την πολική τάξη που υπάρχει σε τοπικό επίπεδο στα συστήματα αυτά, ενδεχομένως ήδη από την απλή νηματική φάση. Στην περίπτωση των καθαρών υλικών, τα διμερή που ανήκουν στην ομόλογη σειρά CBnCB εμφανίζουν ισχυρή εξάρτηση της θερμοκρασιακής μεταβολής της διπλοθλαστικότητας από τον αριθμό των ανθράκων στη συνδετική αλυσίδα και στις δύο νηματικές φάσεις, γεγονός που δεν παρατηρείται στα διμερή της ομόλογης σειράς CBOnOCB. Η θερμοκρασιακή μεταβολή της διπλοθλαστικότητας παρουσιάζει και στην περίπτωση του συστήματος μειγμάτων CB3CB – CBO9OCB έντονη εξάρτηση από τη συγκέντρωση, ήδη από τη νηματική φάση. Με άλλα λόγια, στα συστήματα που εμφανίζουν και τις δύο νηματικές φάσεις υπάρχει εξάρτηση της θερμοκρασιακής μεταβολής της διπλοθλαστικότητας Δn είτε από τον αριθμό των ανθράκων στη συνδετική αλυσίδα, είτε από τη συγκέντρωση των επιμέρους συστατικών, κάτι που δεν συναντάται στα συστήματα που εμφανίζουν μόνο τη απλή νηματική. Τα αποτελέσματα της παρούσας εργασίας αποτελούν έναν ικανοποιητικό όγκο πειραματικών δεδομένων που θα μπορούσαν να συνεισφέρουν στην προσπάθεια διερεύνησης της σχέσης δομής – οπτικών ιδιοτήτων στις νηματικές φάσεις των κυανοδιφαινυλικών διμερών. Επιπλέον, με δεδομένο ότι το ήδη υπάρχον θεωρητικό μοντέλο για την εξάρτηση της διπλοθλαστικότητας από τη θερμοκρασία στην απλή νηματική φάση δεν δύναται να περιγράψει την αντίστοιχη εξάρτηση στην Nx/tb, τα πειραματικά δεδομένα αυτά θα μπορούσαν να συμβάλλουν στη θεμελίωση ενός θεωρητικού μοντέλου που θα ερμηνεύει την συμπεριφορά της διπλοθλαστικότητας στην νέα νηματική μεσοφάση, λαμβάνοντας υπόψη την ισχυρή τοπική πολική τάξη των διμερών.