Tekoči kristali – zakaj se zdijo zanimivi meni?

Mojca ČepičPedagoška fakulteta

in Institut Jožef Štefan

O čem

• tekoči kristali za novince– kaj tekoči kristali sploh so– kako jih prepoznamo– zakaj so zanimivi

• tekoči kristali za vajence– njih optične lastnosti– kako jih urejamo

• tekoči kristali za strokovnjake

Kaj imenujemo “tekoči kristali”?

kristalkristal 66666666 tekotekoččinaina

običajne snovi

tekoči kristalikristalkristal 66666666 tekotekočči kristali kristal 66666666 tekotekoččinaina

Vsaj ena od faz mora biti tekoče kristalna.

Kaj imenujemo “tekoči kristali”?

Zakaj se tako imenujejo?

lastnosti tekočinetečejo

lastnosti kristalovanizotropne lastnosti

mikroskopska urejenost

Različne tekoče kristalne faze

NematikiKiralni nematiki

SmektikiNagnjeni smektiki

Kolumnarne faze

Molekularne lastnosti...

5CB

OOCBPDOBAMC

holesterik

banane

Podolgovate molekule

Nematiki

Med tekočino in kristalom:Motna, koloidom podobna tekočinaDvolomna

Kako opisati urejenost?

izotropna faza nematik

ureditveni parameter ureditveni parameter –– mera za redmera za red0 0 za neurejeno fazoza neurejeno fazoččim veim veččji je parameter tem veji je parameter tem veččji mora biti redji mora biti red1 1 za idealno urejenza idealno urejen (ni vedno res)(ni vedno res)upoupošštevati mora simetrijo tevati mora simetrijo

Nematski ureditveni parmeter

Uredtiveni parameter opisuje, kako dobro so urejene molekule.

•

•• čim večja je vrednost, tem večji je red• je 1/3 za enurejen sistem• renormalizacija: 23cos 1

2

θη −=

2

cos ?

cos ?

η θ

η θ

= =

= =

Določanje ureditvenega parametrana modelu zobotrebcev

22cos 1η θ= −

Dvolomnost

- debeline vzorca- dvolomnosti vzorca- orientacije polarizatorjev

- reda, ureditvenega parametra- smeri molekul

Barva tekočega kristala je odvisna od:

Dvolomnost tekočegakristala je odvisna od:

Dvolomnost

Svetloba s polarizacijo pravokotno na dolge osimolekul ima manjšo hitrostkot svetloba s polarizacijovzporedno z dolgimi osmimolekul.

TekoTekočči kristali imajo obii kristali imajo običčajno zelo veliko ajno zelo veliko razliko med lomnima kolirazliko med lomnima količčnikoma za obe nikoma za obe polarizacijipolarizaciji (0.1(0.1-- 0.3).0.3).

Vzroki za dvolomnost

V. Babič GIREP 2009

Kaj se dogaja pri prehodu ?

l/4 plošča

l/2 plošča

( )0

2r i

n n dπδ

λ= −

Kako je pri prehodu bele svetlobe?

Kako delujejo prikazalniki?

polarizator

analizator

Prikazalnik

polarizator

analizator električno polje zasuče dolge osi molekul v smeri polja

Termometri

mrzlo

Termometer

vroče

Tekoči kristali v naravi

Membrane v živih bitjih

Tekoči kristali v naravi

V različnih žlezah setvorijo snovi, ki na zraku polimerizirajo vvlakna pajkove mreže.

Med tokom skozi šobe, se podolgovatemolekule uredijo.

Svila

Smektiki

Kako opisati smektični red?

• smektični red–– koliko so molekule urejene v plastehkoliko so molekule urejene v plasteh

( )qzcos=ψ

Kaj se dogaja pri hlajenju?

izotropnafaza

nematska smektična kristal

hlajenjehlajenje66

Nagnjeni smektiki

Bolj kompleksne strukture

kiralni nematik ali holesterik

kiralni polarni smektik

SmC →SmC →SmC →SmC →SmC*

α* *

2FI

*

1FI

*

A

Bolj kompleksne strukture

Kaj je to kiralnost?

Predmet, ki se razlikuje od svoje zrcalne slike, je kiralen.

ogledalo

Kiralnost v naravi

Kiralnost v naravi

amino-kisline – desno sučne

sladkorji – levo sučni

Nivoji kiralnosti

– osnovna kiralnost

– molekularna kiralnost

– strukturna kiralnost

– kiralnost objektov

Kuball, LCToday 1999

Prenos kiralnosti

dopanti

med molekulami

med strukturami

med objekti

molekule

strukture

predmeti

Labirinti v tankih filmih smektičnegatekočega kristala*

Nataša Vaupotič1,2, Mojca Čepic1,3, Damian Pociecha4, Ewa Gorecka4, Jozef Mieczkowski4

1 Inštitut Jožef Stefan, Ljubljana2 Oddelek za fiziko, Fakulteta za naravoslovje in matematiko (FNM),

Univerza v Mariboru3Oddelek za fiziko in tehniko, PeF, Univerza v Ljubljani

4Oddelek za kemijo, Univerza v Varšavi, Poljska

*Phys. Rev. Lett. 95, 207901 (2005)

obe spojini tvorita interkaliranoSmC strukturo

10 µµµµm

EKSPERIMENT

odbojmed prekrižanima polarizatorjema

440 nm

520 nm

homogena ureditev molekul →→→→ spreminjanje debeline filma

ππππ -stena

PLOŠČICA LAMBDA

EO

Ee

PA

tukaj povečamo razliko optičnih poti

nmin

nmax

tukaj zmanjšamo razliko optičnih poti

PLOŠČICA LAMBDA

smer naklona molekul se izmenjuje med ππππ - stenami

NAGNJEN FILM

π wall

c c

Ee

Eo

Ee

Eo

π wall

c c

Ee

Eo

Ee

Eo

π wall

c c

Ee

Eo

Ee

Eo

ππππ-stena π wall

c

c

Light propagation direction

EeEo

Ee

Eo

dark stripe

bright stripe

π wall

c

c

Light propagation direction

EeEo

Ee

Eo

dark stripe

bright stripe

ππππ-stena

temno

svetlo

10 µµµµm10 µµµµm10 µµµµm

odbojodbojmed prekrižanima polarizatorjemamed prekrižanima polarizatorjema

440 nm

520 nm

440 nm440 nm

520 nm520 nm

homogena ureditev molekul →→→→ spreminjanje debeline filmahomogena ureditev molekul →→→→ spreminjanje debeline filma

ππππ -stena

ππππ -stena

smer naklona molekul se izmenjuje med ππππ - stenami

NAGNJEN FILM

smer naklona molekul se izmenjuje med ππππ - stenami

NAGNJEN FILM

TEORETIČNA RAZMIŠLJANJA

labirintna nagubanost debeline filma

površina se poveča

visoka Tnizka T

Kako lahko sistem zmanjša debelino vrnje plasti?

ππππ ππππ ππππ

Ali so lahko defekti blizu površine ?

KB

γ1

KB

γ >

1KB

γ <

površina defekte odbija

površina defekte privlači

Vzrok za takšno prostorsko odvisnost c-direktorja?

c

x

y

z

δδδδ

Vzrok za takšno prostorsko odvisnost c-direktorja?

22

2

0

1( ) 1

2S S SF W T d

δ= − δ c

x

y

z

δδδδ ccedge ErdKBF += )2/(20

2

22S

S

KF d d

dπ

π=

Sedge FNFFF ++= π

0.5

Sd d∝

0( ) 2SW T KB< δpotreben pogoj ta tvorbo

labirintne strukture

H

AV

AL

AZ

V

JJJJ

AOŠ

P OZORNO

ST

JJJJ

JJJJJJJJ