1

Φυσική Υγρών Κρυστάλλων (ΥΚ)

Υγροί  κρύσταλλοι  – Εισαγωγή  

2

Ανάλυση  της  δομής  – Συνάρτηση  συσχέτισης  μορίων g(r)

Στους  ΥΚ  η  συνάρτηση  g(r) εξαρτάται  από  τη  διεύθυνση  

Ιδανικό αέριο

Υγρό

Κρύσταλλος

Μαλακή  ύλη

Ακτινική  απόσταση

Υγροί  κρύσταλλοι  – Εισαγωγή  

Ημι-κρύσταλλοι: ημι-περιοδικές  δομές  με  χαρακτηριστικά  κρυστάλλων (Quasi-crystals)

D. Shechtman, Νόμπελ  Χημείας  2011

http://www.nobelprize.org/

4

Υγροί  Κρύσταλλοι

Τάξη Κρύσταλλος* Υγρός  Κρύσταλλος Υγρό

Προσανατολιστική  τάξη ++ + -

Τάξη  από  μετατόπιση ++ + -

Υγροί  κρύσταλλοι  – Εισαγωγή  

Κρύσταλλος ΥΚ Υγρό

5

1θcos321S 2

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

S

(o)

cosθ

• Παράμετρος  προσανατολιστικής  τάξης:

προεξάρχουσα  διεύθυνση (n director)

Ισοτροπική  φάση: S=0 Κρυσταλλική  φάση: θ=0, S=1

(1/2)(3cos2θ-1)

6

• Οι ΥΚ είναι ρευστά με μοριακή ανισοτροπία με κάποια τάξη μοριακών

προσανατολισμών ή και θέσεων τουλάχιστον σε μια διεύθυνση

Με λίγα λόγια...

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)

Υγροί  κρύσταλλοι  – Εισαγωγή  

8

Α.  Φάσεις  Λυοτροπικών  ΥΚ

C

Επιφανειοδραστικές  ουσίες (Surface active agents - Surfactants)

• Surfactants: κατηγορία  ουσιών που  περιέχουν  υδρόφοβες  (μη  πολικές) ομάδες  υδρογονανθράκων  και  μια   υδρόφιλη  (πολική)  ομάδα.

Υγροί  κρύσταλλοι  – Εισαγωγή  

9

Β.  Θερμοτροπικοί  ΥΚ  

145.5 °C

0 °C

178.5 °C

crystalline solid liquid crystal liquid

Ι.  Ραβδόμορφοι Ι1    Νηματικοί  ΥΚ Ι2.    Σμηκτικοί  ΥΚ Ι3.    Χοληστερικοί  ΥΚ ΙΙ.  Δισκόμορφοι    

Υγροί  κρύσταλλοι  – Εισαγωγή  

Κρύσταλλος      Υγρός  κρύσταλλος          Υγρό

10

Θερμοτροπικοί  ΥΚ  – ασυμμετρία  στο  σχήμα

ή  στις  διαμοριακές  αλληλεπιδράσεις   Δύο  κατηγορίες:

(a)

(b)

Rigid rode-like part= mesogen

R=C10,6 Rigid disc-like part= mesogen

R R

R RR = C8H17

R R

R

R

R

R

Ραβδόμορφοι  ΥΚ Δισκόμορφοι  ΥΚ

Υγροί  κρύσταλλοι  – Εισαγωγή  

11

Οι πιο γνωστοί ραβδόμορφοι ΥΚ (δομές/μόρια)

Μόριο-δομή                                                    ε1 ε2 Δε

Λόγος  μήκους  προς διάμετρο  ≥ 5

Υγροί  κρύσταλλοι  – Εισαγωγή  

12

Διπλοθλαστικότητα  ΥΚ • Οι  ΥΚ  λόγω  της  ανισοτροπίας τους  παρουσιάζουν  διπλή  διάθλαση

• Φως  με  πόλωση  παράλληλη  στο  ñ έχει  διαφορετικό  δείκτη  διάθλασης  (δηλ.  ταξιδεύει  με  διαφορετική  ταχύτητα)  από  ότι  φως  πολωμένο  κάθετα  στο ñ

Υγροί  κρύσταλλοι  – Εισαγωγή  

Προεξάρχουσα διεύθυνση

θερμοκρασία

Δείκτης  διάθλασ

ης

13

Πολωτική Οπτική Μικροσκοπία (ΠΟΜ)

Υγροί  κρύσταλλοι  – Εισαγωγή  

14

Πολωτική  Οπτική  Μικροσκοπία  (ΠΟΜ)  νηματικών  ΥΚ  (schlieren texture)

S=+1 S=-1

S=-1/2

Polarizer Schlieren Brush

Singularity

Director Field

S=+1 S=+1

4-Brush defects in the nematic phase

2-Brush defects in the nematic phase

S=+1/2

four-brush defect

two-brush defect

Schlieren brush

Singularity

(a) (b)

(c)

Απότομη  αλλαγή  της  διπλοθλαστικότητας  εξ  αιτίας  της  απότομης  μεταβολής  του  προσανατολισμού  στη  γειτονιά  ατελειών (disclinations)

o

angular change of directornumber of bandsstrength = =4 360

15

Σμηκτικός  ΥΚ

ΠΟΜ: Μερικά παραδείγματα

DNA ΥΚ

Νηματικός ΥΚ

16

Πολωτική Οπτική Μικροσκοπία (ΠΟΜ)

10 μm

17

Φάσεις ραβδόμορφων ΥΚ

(Ι1) 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

Υγροί  κρύσταλλοι  – Εισαγωγή  

18

Δι-αξονικοί νηματικοί  ΥΚ Οι  συνήθεις  νηματικοί  ΥΚ  είναι  μονοαξονικοί Πιο  σπάνια: δι-αξονικοί YK

Υγροί  κρύσταλλοι  – Εισαγωγή  

19

(Ι2)  Σμηκτικοί  (smectic)  ΥΚ

Σμηκτική  C

Σμηκτική  A

Μερική  τάξη  στον  προσανατολισμό  και  τη  θέση  των  μορίων - Δημιουργία  στρωμάτων  κάθετα  στη  διεύθυνση  n - Εσωτερικό  κάθε  στρώματος  =  διδιάστατο  υγρό    

Πολωτική Οπτική Μικροσκοπία (ΠΟΜ)

5CB: Ισοτροπική  – Νηματική  - Σμηκτική

49

Χειρoμορφικοί  Σμηκτικοί  ΥΚ(Chiral Smectic)

Η  προεξάρχουσα  διεύθυνση  (director) αλλάζει   από  το  ένα  σμηκτικό επίπεδο  στο  άλλο

Υγροί  κρύσταλλοι  – Εισαγωγή  

50

(Ι3)  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

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

Υγροί  κρύσταλλοι  – Εισαγωγή  

52

Τυπικές  φάσεις  ΔΥΚ

Αγωγιμότητα  και  ευκινησία  ιόντων  σε  ΔΥΚ   Εξάρτηση  από  τη  θερμοκρασία  και  τη  δομή  

Υγροί  κρύσταλλοι  – Εισαγωγή  

μοριακά  «σύρματα»

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

Υγροί  κρύσταλλοι  – Εισαγωγή  

55

Οθόνες  ΥΚ LCD

Αρχή  λειτουργίας: χρήση  νηματικών  στρέψης και ηλεκτρικού  πεδίου   (αποσυστροφή  ΥΚ)

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 768 1024 στήλες  x 768  γραμμές  x 3  υποπίξελ  = 2.359.296  τρανζίστορ  χαραγμένα  σε  γυαλί

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

57

Και  η  λύση..OLEDs (Organic Light Emitting Diodes) - Εύκαμπτες,  υπέρλεπτες  οθόνες

- Γωνία  παρατήρησης  ~900

58

ΙΙ.  Νέα  μόρια  ΥΚ  με  εφαρμογές  σε  οθόνες    

RR

R R

RR

R R

RR

RR

R R

RR

R R

RR

R R

RR

R R

RR

RR

R R

RR

R R

RR

R R

RR

R R

RR

R R

RR

R R

RR

R =

Dimer

Trimer

Tetramer

Pentamer

Hexamer

Heptamer

Pentamer with fluorenoneR R

R R

O

R R

R R

ΠΟΜ: Χαρακτηριστική  νηματική  και  σμηκτική  φάση

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

300 350 400 450 500 550 6000.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Nor

m. a

bs. (

a.u.

)

Wavelength (nm)

absorption, sol emission, film

ex = 371 nm

emission, sol ex

= 320 nm

406 430371

Norm

. Ints. (a.u.)

Φάσματα  απορρόφησης  και  φθορισμού   (με  εκπομπή  στο  μπλε)

Υγροί  κρύσταλλοι  – Εισαγωγή  

Διμερές

Τριμερές

Τετραμερές

Πενταμερές

Μήκος  κύματος  (nm)

Έντασ

η        

Εδώ  τα  μόρια  δεν  στρέφουν  απλώς  το  φώς αλλά  εκπέμπουν φώς.

59

Σχετικά μαθήματα

• Θερμοδυναμική • Πολυμερικά Στερεά • Επιστήμη των Υλικών • Φυσική Στερεάς Κατάστασης

_________________________________ • De Gennes “The physics of Liquid Crystals” • http://plc.cwru.edu/tutorial/enhanced/files/lc/Intro.htm

Υγροί  κρύσταλλοι  – Εισαγωγή