بلور مایع و زمینه های پژوهشی آن در اپتیک، فوتونیک و الکترونیک

 با گذر زمان و رشد سریع و روز افزون علم فوتونیک، زمینه های پژوهشی فراوانی در حوزه های مختلف علم فوتونیک ایجاد شده است. بخش مهمی از این پژوهشها شامل مطالعات الکترواپتیکی مواد بوده است که این خود شناخت مواد اپتیکی جدید و بررسی خواص نوری آنها را می طلبد. در این میان بلورمایعها دسته ای از مواد هستند با فازهای ترمودینامیکی پایدار که همزمان خواص ناهمسانگردی نوری بلورها و ویژگی سیال بودن مایعات را دارا می باشند. این مواد با مولکولهای نسبتا بزرگ آلی و شکل هندسی ناهمسانگرد به دلیل دارا بودن نظم جهتی بلند برد، از خود هم خواص نوری خطی و هم خاصیت دوشکستی وغیر خطی بالا نشان می دهند. همین امر باعث نفوذ کاربردهای این مواد در همه زمینهای صنعت فوتونیک و الکترونیک نوری شده است. تحقیقات بر روی بلور مایعها، در دو دهه گذشته بسیار شدت گرفته است. اکثر مطالعات برهمکنش لیزر توان پایین (که در بلور های معمولی به دلیل غیر خطیت کوچکشان غیر قابل تصور است) با محیط های اپتیکی مانند بلور مایع ها و ویژگی های فیزیکی و الکترواپتیکی انواع مختلف بلور مایعها را مورد توجه قرار داده است. غیر خطیت اپتیکی بلورمایع های نماتیک در حدود 108 مرتبه بزرگتر از CS2 می باشد که تقریبا تمام پدیده های اپتیک خطی و غیر خطی قابل تصور در تمامی فازهای بلور مایع را از جمله دوپایداری، خود کانونی، خود واکانونی، مدولاسیون خود فاز، تولید هماهنگهای اول و دوم، مزدوج فاز اپتیکی، اثر الکترواپتیکی کر، همیوغگر جبهه موج با بهره، خود نوسانی و …. را امکان می سازد[1]. از آنجایی که برخی از این خواص برای کاربرد های صنعتی ، پزشکی و… در بلور مایع خالص ضعیف است، از روش های مخلوط بلورمایع با نانو ذرات و پلیمر که به روش میهمان-میزبان مشهورند جهت افزایش خواص و ویژگی های اپتیکی و الکترواپتیکی آنها بهره می برند.  در این راستا پخش ذرات معلق در بلورمایعها به عنوان روشی برای بهبود خواص فیزیکی و الکترواپتیکی بلورمایع ها بدلیل پتانسیل کاربردی آنها در زمینه های مختلف مانند فوتونیک [2] و بیو فوتونیک[4-3] به صورت گسترده ای مورد مطالعه قرار گرفته است.

معرفی بلورهای مایع

بلورهای مایع سیالات ناهمسانگرد و تا حدی منظم هستند که به لحاظ ترمودینامیکی بین حالت جامد بلوری با نظم سه بعدی و مایع همسانگرد قرار می گیرند. در حقیقت ناهمسانگردی خصوصیات فیزیکی بلور های مایع، ناشی از نظم جهتی و ناهمسانگردی مولکولهای تشکیل دهنده این مواد است.

این مواد در فاز بلور مانند مایعات معمولی جاری می شوند ولی خواص ناهمسانگردی مشابه بلورهای جامد از خود نشان می دهند در حقیقت ناهمسانگردی خصوصیات فیزیکی بلورهای مایع، ناشی از نظم جهتی و ناهمسانگردی مولکول های تشکیل دهنده این مواد هستند. بلورهای مایع فازهای پایدار ترمودینامیکی هستند که توسط خواص ناهمسانگردی شان شناخته می شوند و فاقد شبکه بلور سه بعدی می باشند. در این فاز هر یک از مولکولها علاقه مند در همجهتی در راستای یک روش مشخص که توسط بردار واحد nکه بردار راهنما نام دارد هستند.

فاز ها و اشکال مختلف بلور مایع

طبقه بندی بلورهای مایع

گذار بین دو فاز برای یک سیستم از طریق تغییر یک یا چند پارامتر ترمودینامیکی صورت می پذیرد. مواد بلور مایعی می توانند در اثر تغییر دما یا غلظت و یا تغییر در هر دو، فاز میانی را از خود بروز دهند. بر همین اساس این مواد در دو دسته ترموتروپیک[1] و لیوتروپیک[2] طبقه بندی می شوند. در بلورهای مایع ترموتروپیک ، حالت میانی در اثر تغییر دما و در بلور مایع لیوتروپیک ، حالت میانی در اثر تغییر دما و غلظت بدست می آید. دسته ی سوم از بلورهای مایع، بلورهای مایع پلیمریک[3] هستند، که به صورت مجزا در دو دسته ی دیگر قرار می گیرند و نظم موجود در حالت میانی این مواد، به ساختار پلیمری آنها مربوط می شود.


بلور مایع ترموتروپیک

بلورهای مایع ترموتروپیک فقط در یک محدوده ی دمایی خاص تشکیل فاز بلور مایع می دهند، یعنی ماده ی جامد در یک دمای مشخص ذوب شده و به یک مایع کدر تبدیل می شود که حالت بلور مایع است و سپس با گرم کردن بیشتر این ماده حالت مایع همسانگرد بدست می آید که معمولاً شفاف است. در برخی از این مواد فاز میانی در دمای بالاتر از دمای ذوب ماده مشاهده می شود و در هر دو فرایند سرد کردن و گرم کردن فاز میانی قابل مشاهده می باشد که این فاز انانتروپیک[1] نامیده می شود. برای ترکیباتی استثنا هم داریم به این صورت که فاز ترموتروپیک چنین ترکیباتی در طی فرایند سرما دادن ظاهر می شود ، نه در فرایند گرما دادن ، که این گذار فاز مونوتروپیک[2] نام دارد. خواص فیزیکی بلور مایع ترموتروپیک مانند ضریب شکست، ثابت دی الکتریک ، ثابت الاستیکی، و ویسکوزیته همگی وابسته به دما هستند. فریدل[3] بلورهای مایع ترموتروپیک را از نظر ساختار فازی به سه دسته ی اساسی دسته بندی کرد که به صورت : بلورهای مایع نماتیک[4] و کلستریک[5] و سمکتیک[6] می باشد.

بلور مایع نماتیک

بلور مایع نماتیک نسبت به انواع دیگر بلورهای مایع، دارای حداقل نظم و بالاترین تقارن مولکولی است. تفاوت یک بلور مایع نماتیک با مایعات معمولی وجود یک نظم جهتی، نسبت به یک راستای مولکولی است که همان محور بلند مولکولی است که با بردار واحد n مشخص می شود. به دلیل نظم جهتی، مولکول های بلور مایع نماتیکی متقارن تک محوری اند و محور تقارن این ساختار تک محوری همان جهت ترجیهی n است. با وجود این مولکول ها در فاز نماتیک مانند مایعات معمولی به طورتصادفی توزیع یافته اند و مولکول ها مجاز به چرخش حول محور بلند خود هستند در نتیجه بلورهای مایع نماتیکی علاقه به ناهمسانگردی نوری و دی الکتریک و غیره دارند.

نحوه ی آرایش بلور مایع نماتیکدر

بلور مایع سمکتیک

 فاز سمکتیک علاوه بر نظم جهتی، دارای نظم مکانی با برد کوتاه نیز است. نظم و ویسکوزیته در این فاز نسبت به فاز نماتیک بیشتر است. از نقطه نظر ساختار فازی، مولکولها در فاز سمکتیک یک ساختار لایه ای دارند، که با توجه به نحوه قرار گرفتن مولکولها در لایه ها و زاویه ای که راستای جهت گیری مولکولهای هر لایه نسبت به راستای عمود بر صفحه لایه دارد، مشخص می شوند.  این بلور مایع به سمکتیک های نوع c ، b  ، a   و … تقسیم میشود. سمکتیک نوع a به لحاظ نوری تک محور است و آرایش مولکولی آن به گونه ای است که راستای عمود بر صفحات لایه ها با راستای محور نوری در یک امتداد می باشد، درحالیکه در سمکتیک نوع c محور بلند مولکولی با محور عمود بر صفحات لایه ها زاویه می سازد و همچنین در سمکتیک b مولکول ها در یک آرایش شش گوشه روی لایه ها قرار می گیرند. انواع مختلف سمکتیک ها را می توان از روی بافت آنها زیر میکروسکوپ پلاریزان تشخیص داد.. در شکل زیر ساختارهای انواع سمکتیک ها قابل مشاهده می باشد.

ساختارهای بلور مایع سمکتیک

بلور مایع کلستریک

اولین بلور مایع شناخته شده بلورمایع کلستریک بود. این نوع از بلور مایع ها نسبت به دو نوع قبلی دارای نظم بیشتری می باشند و شباهت زیادی به جامدات دارند. در این مواد مولکول ها یک ساختار مولکولی ایجاد می کنند که در هر لایه نظم جهتی نماتیکی وجود دارد. در اثر ممانعت فضایی مولکول ها، جهت گیری مولکول ها در لایه های مجاور، مشابه نبوده و امتداد بردار راهنما در هر لایه تحت زاویه معینی نسبت به امتداد لایه مجاور، دوران می یابد و یک ساختار پیچ خورده مطابق شکل زیر که می توان محور آنرا با بردار واحد z نشان داد ایجاد می شود. فاصله ای را که با حرکت در امتداد z وn به اندازه 180درجه می چرخد، یک پیچ[10] (p) نامیده میشود.

شکل بلور مایع سمکتیک

بلور مایع لیوتروپیک

بلور مایع لیوتروپیک از حل شدن مقدار مناسبی از ترکیبات دو گانه دوست در حلالی مانند آب حاصل می شوند، مانند صابون ها و پاک کننده ها. این ترکیبات دوگانه دوست[11] دارای مولکول هایی از یک قسمت آبدوست[12] که به شدت جذب آب می شوند و یک قسمت آبگریز[13] که نامحلول در آب مثل صابون ها، مواد شوینده و چربی ها تشکیل شده اند. اکثر تغییرات مهم در شکل گیری فاز میانی به غلظت محلول بستگی خواهد داشت وقتی محلول رقیق باشد مولکول های حل شونده و حلال دور از هم قرار می گیرند ولی با افزایش غلظت در اثر اندرکنش قسمت های دوگانه دوست با حلال، مولکول های حل شونده به سمت هم کشیده شده و ساختارهایی به نام میسل[14] به وجود می آورد و با افزایش بیشتر غلظت فاز بندی بلور مایع لیوتروپیک شکل می گیرد. ابتدا میسل ها یک حالت مکعبی ایجاد می کنند و سپس حالت های میله ای، شش گوشه و در نهایت حالت لایه لایه ایجاد می کنند در شکل زیر فازبندی بلور مایع لیوتروپیک به صورت تابعی از دما و غلظت نشان داده شده است.

نحوه شکل گیری بلور مایع تحت دما و غلظت های مختلف

بلور مایع پلیمریک

این نوع از بلورهای مایع از لحاظ رفتاری شبیه به بلور مایع های ترموتروپیک بوده و از نظر ساختاری مشابه با مولکول های واحد بلور مایع های لیوتروپیک می باشند. پلیمریک ها به تنهایی ساختارهای انعطاف پذیر دارند که از تکرار واحد های اصلی یا قسمت هایی که مونومر اند تشکیل شده اند. در این مواد باید قسمت هایی از پلیمر سخت و میله ای باشد تا بتواند در یک محدوده دمایی خاص نظم جهتی یا مکانی بر خود بگیرد و خاصیت بلور مایع از خود بروز دهند. در یک پلیمر یا زنجیره اصلی[1] بخش های ساختاری سخت، شبیه مولکول های بلورمایع میله ای هستند که توسط زنجیره های هیدروکربنی انعطاف پذیر از هم جدا شده اند. در حالیکه در پلیمر های با زنجیره کناری[2] (جانبی)، بخش های ساختاری سخت بلور مایعی، توسط زنجیره های هیدروکربنی انعطاف پذیر بسیار کوتاه به زنجیره طولانی پلیمر چسبیده اند.


ساختمان کلی یک مولکول بلورمایع

بیشتر ترکیبات بلورمایع از یک یا چند حلقه آروماتیک A یا ‘Aکه توسط گروه پیوندی X با هم در ارتباطند تشکیل شده اند که در شکل زیر می بینیم.

ساختمان مولکولی یک بلور مایع

حلقه های آروماتیک نشان داده شده، می توانند یک سیکلوهگزان کاملاً اشباع شده، یک فنیل غیر اشباع شده، بای فنیل، تری فنیل و یا ترکیبی از این دو باشد. معمولاً ترکیباتی که دارای حلقه های طولانی هستند، دارای نقطه ذوب بالایی هستند. گروه های انتهایی R و’R، معمولاً گروه های کوچک و یا اغلب زنجیره های کوتاه هستند. این گروه ها، نقش مهمی در مقدار ناهمسانگردی دی الکتریک بلورهای مایع ایفا می کنند. مقدار بالای ناهمسانگردی دی الکتریک نیز به نوبه خود، باعث پایین تر بودن ولتاژ آستانه بعضی از ابزارهای کلیدزنی که بر پایه بلورهای مایع طراحی شده اند، می شود. انتخاب زنجیره های الکیلی با طول مناسب می تواند باعث پایداری فاز نماتیک و کاهش دمای ذوب ماده شود گروه های انتهایی اغلب شامل آلکیل، آلکوکسی، سیانوCN- ایزوتیوسیانات NCS-، سولفید و هالیدهایی مثل OCF3,CL,F,CF3 می باشند. در این میان آلکیل و آلکوکسی و سولفید گروه هایی قطبی ضعیف اند و تاثیرشان روی ناهمسانگردی دی الکتریک ضعیف است.NCS-و-CN وF وCL گروه های قطبی قوی اند که مواد شامل یکی از این گروه ها ناهمسانگردی دی الکتریک نسبتاً بزرگی دارند.

 گروه های اتصالیX نقش مهمی در دمای گذار فاز و همچنین در خواص فیزیکی بلورهای مایع ایفا می کنند. معروف ترین گروه هایX که حلقه های فنیل را به هم پیوند می دهند، می توانند گروه های اشباع شده، استرها، گروه های غیر اشباع شده، شامل یک پیوند دوگانه یا شامل پیوند سه گانه باشند. تمام ویژگی های اپتیکی و فیزیکی بلورهای مایع توسط ویژگی های گروه های تشکیل دهنده و چگونگی سنتز آنها تعیین می شود. ثابت های دی الکتریک، ثابت های الاستیکی، ویسکوزیته، طیف جذبی، دمای گذار، وجود مزوفازهای مختلف، ناهمسانگردیها و ویژگی های غیر خطی اپتیکی، همگی از چگونگی پیوند ها و کنار هم قرارگیری مولکولها ناشی می شود.

منابع

Hirouki Ido , Hirokazu Furue, Teruki Niori b, jumji Watanabe “ molecular alignment structure of dimeric liquid crystals” a Materials Science and engineering B 120,P37-40, (2005).

A.C. Edrington, A.M. Urbas, P. DeRege, C.X. Chen, T.M. Swager, N. Hadjichristidis, M. Xenidou, L.J. Fetters, J.D. Joannopoulos, Y. Fink, E.L. Thomas, Adv. Mat.13, 421 (2001).

T. Araki, H. Tanaka, J. Phys.: Condens. Matter18, 193 (2006).

V.K. Gupta, J.J. Skaife, T.B. Dubrovsky, N.L. Abbott, Science279, 2077 (1998)

S.H. Chen, N.M. Amer, Phys. Rev. Lett. 51 2298(1983).

F. Brochard, P.G. de Gennes, J. Phys. 31: 691(1970)

P. Kopc ansky, N. Tomasovic ova, M. Koneracka, M. Timko, V. Zavisova, N. Eber, K. Fodor-Csorba, T. Toth-Katona, A. Vajda, J. Jadzyni, et al., J. Magn. Magn. Mater. 322 3696(2010).

P. Kopc ansky, N. Tomasovic ova, M. Koneracka, M. Timko, V. Zavisoa, A. Dzarova, A. Sprincova, N. Eber, K. Fodor-Csorba, T. Tóth-Katona, et al., Phys.(2012)

G. Cordoyiannis, L.K. Kurihara, L.J. Martinez-Miranda, C. Glorieux, J. Thoen, Phys. Rev. E. 79 011702(2009).

[1] Main chain

[2] Side chain

[1] Amphiphile

[2] Hydrophilic

[3] Hydrophobic

[4] Micell

[1] Pitch

[1] Enatiotropic liquid Crystal

[2] Monotropic

[3] Georges Friedel

[4] Nematic

[5] Cholestric

[6] Semectic

[1] Thermotropic liquid crystal

[2] Lyotropic liquid Crystal

[3] Polymeric liquid Crystal

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

17 + یازده =