Transcript Parousiasi_mathimatos_YK

Τομέας Επιστήμης και Τεχνικής των Υλικών
ΥΓΡΟΙ ΚΡΥΣΤΑΛΛΟΙ- ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ
ΣΤΙΣ ΝΕΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ
Μάθημα επιλογής 6ου εξαμήνου Χ. Μ
Μ. Κουή, Καθηγήτρια ΕΜΠ
Σκοπός του μαθήματος
Σκοπός του μαθήματος είναι η κατανόηση της
δομής, των ιδιοτήτων και της επίδρασης των
παραγόντων που στοιχειοθετούν τις εφαρμογές
των Υγρών Κρυστάλλων στις νέες τεχνολογίες
Οι υγροί κρύσταλλοι αποτελούν σήμερα υλικά
αιχμής με εφαρμογές σε πολλούς τομείς της
επιστήμης και της τεχνολογίας (συστήματα
ενδείξεων, απεικονίσεων, οθόνες τηλεοράσεων,
ιατρική, βιολογία, φαρμακευτική, καλλυντικά,
μηχανική, διαστημική τεχνολογία, κλπ)
Σκοπός του μαθήματος
• Στον φοιτητή της Σχολής Χημικών
Μηχανικών φιλοδοξεί να προσφέρει, με την
απόκτηση της γνώσης, το ερέθισμα για
περαιτέρω διερεύνηση της σχέσης δομής ιδιοτήτων αυτών των υλικών με σκοπό το
σχεδιασμό νέων υγροκρυσταλλικών υλικών
με τις κατάλληλες φυσικοχημικές ιδιότητες
για την βελτίωση αλλά και την επινόηση
νέων τεχνολογικών εφαρμογών.
Τι είναι οι υγροί κρύσταλλοι;
Ακούγοντας για πρώτη φορά τον όρο “υγροί κρύσταλλοι”
‘’Liquid crystals’’ είναι σχεδόν σίγουρο ότι μας εκπλήσσει.
Πως δηλαδή μπορεί κάποια ουσία να είναι και υγρή και
κρυσταλλική συγχρόνως;
ονομάζονται υγροί κρύσταλλοι (liquid crystals) ή
μεσόμορφες (mesomorphic) ή μεσογενείς (mesogens)
εκείνες οι χημικές ενώσεις (στην πλειοψηφία τους
οργανικές) που παρουσιάζουν περισσότερες από μία απλή
μετάπτωση κατά το πέρασμά τους από τη στερεή
κατάσταση στην υγρή
Στις ενδιάμεσες αυτές μεταπτώσεις, τα μόρια της
παρουσιάζουν μια συγκεκριμένη διάταξη, που της
προσδίδει
συγχρόνως
ιδιότητες
πραγματικού
κρυστάλλου και πραγματικού υγρού
Η ιστορία των υγρών κρυστάλλων
Η ιστορία των υγρών κρυστάλλων αρχίζει περίπου
το 1850 με τις παρατηρήσεις μερικών
Ευρωπαίων ερευνητών
Η πρώτη προσέγγιση έγινε παρατηρώντας σε
μικροσκόπιο βιολογικές ενώσεις
η δεύτερη σε πειράματα σχετικά με την
κρυστάλλωση ουσιών και
η τρίτη όταν πειραματιζόμενοι με τη χοληστερίνη
παρατήρησαν ασυνήθιστα φαινόμενα (αλλαγές
χρωμάτων, δύο σημεία τήξης κ.λπ.)
Η ιστορία των υγρών κρυστάλλων
Ο Friedrich Reinitzer Αυστριακός βοτανολόγος, το 1888, κατά τη
διάρκεια των ερευνών του για τις ιδιότητες της χοληστερίνης και τα
παράγωγα της (εστέρες της χοληστερίνης), παρατήρησε το
φαινόμενο των δύο σημείων τήξης.
Μία από αυτές τις ουσίες, ο βενζοϊκός εστέρας της χοληστερίνης,
περνούσε από τη στερεή στην υγρή κατάσταση σχηματίζοντας
στους 145,5 C ένα θολό υγρό (υγρός κρύσταλλος), που
αυξάνοντάς του τη θερμοκρασία μετά τους 178.8 C, μετατρεπόταν
σε κανονικό ισότροπο υγρό.
Εάν η αλλαγή φάσης, από στερεό σε υγρό γινόταν στους 145.5 C
τότε τι γινόταν στους 178.8C;
Μήπως ήταν ένας νέος τύπος ενώσεων, μήπως μία νέα κατάσταση της
ύλης;
H σαφέστατη αυτή διατύπωση των ερωτημάτων, που “άνοιξε” το
δρόμο για έρευνα σε νέους επιστήμονες, καθιέρωσαν τον Reinitzer
ως τον άνθρωπο που ανακάλυψε τους υγρούς κρυστάλλους
Η ιστορία των υγρών κρυστάλλων
Αν και οι Υγροί Κρύσταλλοι παρατηρήθηκαν για πρώτη
φορά το 1888 από τον Reinitzer, ο Maugin ανακάλυψε
και περιέγραψε την ελικοειδή νηµατική δοµή, η οποία
αργότερα έγινε η βάση της τεχνολογίας των
υγροκρυσταλλικών συστημάτων απεικόνισης (LCD)
Στα µέσα της δεκαετίας 1950, ερευνητές της
Westinghouse Research Laboratories ανακάλυψαν ότι
οι Χοληστερινικοί Υγροί Κρύσταλλοι µπορούν να
χρησιμοποιηθούν ως αισθητήρες θερµότητας
Το 1962 εκδίδεται το πρώτο βιβλίο πάνω στους Υγρούς
Κρυστάλλους "molecular structure and the properties
of liquid crystals" του G.W.Gray.
Η ιστορία των υγρών κρυστάλλων
• Το 1962 οι R. Williams και G. Ηeilmeier
εισήγαγαν την ιδέα της χρήσης των
υγροκρυσταλλικών υλικών για τα συστήματα
απεικόνισης.
• Το 1969 ο James Fergason ανακαλύπτει το
φαινόμενο του σπειροειδούς νηματικού πεδίου,
το οποίο αποδείχτηκε να είναι το πλέον επιτυχές
για τις οθόνες σε ρολόγια , ηλεκτρονικούς
υπολογιστές, τηλεοράσεις, κινητά τηλέφωνα κλπ.
Η ιστορία των υγρών κρυστάλλων
Στη δεκαετία του '70 υπήρξε µία γρήγορη ανάπτυξη στον
τοµέα των Σιδηροηλεκτρικών Υγρών Κρυστάλλων. Ο
πρώτος που ασχολήθηκε ήταν ο Μeyer το 1974 και τον
ανέδειξε ως ένα από τους βασικότερους τομείς έρευνας
της επιστήμης των Υγρών Κρυστάλλων
Τρεις δεκαετίες αργότερα παρατηρείται η έντονη
εμπορευματοποίηση µίας καινούργιας τάξης
θερµότροπων πολυµερών, που σε υψηλές θερμοκρασίες
μετατρέπονται σε διπλοδιαθλαστικά υγρά.
Αυτά είναι τα θερµότροπα πολυµερή, που συνήθως
σχηµατίζουν "νηµατικά" υγρά
Προηγήθηκε στη δεκαετία του ‘60 η ανακάλυψη των
Λυότροπων Αρωµατικών Πολυαµιδίων (Kevlar) από την
Dupont.
Η ιστορία των υγρών κρυστάλλων
Σήμερα υπολογίζεται ότι πάνω από το 5% της
παγκόσμιας έρευνας καλύπτει τον τοµέα
αυτό, ιδιαίτερα δε από την στιγμή που
άρχισαν να βρίσκουν πολύ σημαντικές
τεχνολογικές εφαρμογές
Για πολλούς ερευνητές η κατάσταση αυτή της
ύλης θεωρείται ως η "τέταρτη’’
Ταξινόμηση των υγρών κρυστάλλων
Οι υγροί κρύσταλλοι διακρίνονται σε δύο
μεγάλες κατηγορίες:
• τους θερμότροπους υγρούς κρυστάλλους,
που η εμφάνιση των μεσοφάσεων
επιτυγχάνεται με την επίδραση της
θερμοκρασίας
• τους λυότροπους υγρούς κρυστάλλους, που
η εμφάνιση των μεσοφάσεων επιτυγχάνεται
με την μεταβολή της συγκέντρωσης
ορισμένων ουσιών σε διαλύματα
ισότροπη φάση
νηματική φάση
σμηγματική φάση
ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ
Ιατρική Θερμογραφία με Υγρούς
Κρυστάλλους
Υαλοπίνακες με υγρούς κρυστάλλους
Εφαρμογή των πολυμερών υγρών
κρυστάλλων σε αλεξίσφαιρα γιλέκα
Η μοριακή δομή του LCP που δημιουργεί την Vectran®
είναι ένας πλήρως αρωματικός πολυεστέρας
• Το Vectran® είναι στην ουσία ένα υψηλής απόδοσης νήμα αποτελούμενο
από πολλά υγροκρυσταλλικά πολυμερικά σώματα (LCP) τα οποία
συνδέονται μεταξύ δημιουργώντας μια ελικοειδή δομή.
• Το Vectran® είναι η μόνη διαθέσιμη στο εμπόριο LCP ίνα σε τηγμένη
μορφή στον κόσμο.
• Η ίνα Vectran® παρουσιάζει εξαιρετική δύναμη και ακαμψία.
• Συγκρίνοντας αυτά τα χαρακτηριστικά της, θα μπορούσαμε να πούμε
ότι είναι πέντε φορές ισχυρότερη από το χάλυβα και δέκα φορές
ισχυρότερη από το αλουμίνιο.
Εφαρμογές τις ίνας Vectran®
Περιεχόμενα Μαθήματος
• Οι καταστάσεις της ύλης , Γενικά για τους υγρούς κρυστάλλους, Η
ιστορία των υγρών κρυστάλλων, Μεσόμορφη Κατάσταση της ύλης.
• Ταξινόμηση των υγρών κρυστάλλων, Θερμοτροπικοί υγροί
κρύσταλλοι, Ραβδόμορφοι υγροί κρύσταλλοι, Υγροί κρύσταλλοι
μπλε φάσεων, Νηματικοί υγροί κρύσταλλοι, Χοληστερικοί υγροί
κρύσταλλοι, Δισκόμορφοι υγροί κρύσταλλοι, Υπερμοριακοί υγροί
κρύσταλλοι, Σμηγματικοί υγροί κρύσταλλοι, Λυότροποι υγροί
κρύσταλλοι.
• Αμφιφιλικά μόρια, Δομές σχηματιζόμενες από αμφιφιλικά μόρια,
Πολυμερής Υγροί Κρύσταλλοι, Θερμοτροπικοί Πολυμερής Υγροί
Κρύσταλλοι, Λυότροποι Πολυμερής Υγροί Κρύσταλλοι, Σύνθεση
Πολυμερών Υγρών Κρυστάλλων.
• Πολυμορφισμός στους θερμοτροπικούς υγρούς κρυστάλλους,
Χημεία των υγρών κρυστάλλων, Χημεία των θερμοτροπικών υγρών
κρυστάλλων.
• Χημική δομή και υγροκρυσταλλικότητα, Μέθοδοι χαρακτηρισμού
των θερμοτροπικών υγρών κρυστάλλων, Επίδραση των δομικών
ομάδων στην υγρή κρυσταλλική φάση , Χημεία των χοληστερικών
υγρών κρυστάλλων
Περιεχόμενα Μαθήματος
• Θεωρίες για τη δομή των υγρών κρυστάλλων. Θεωρία των σμηνών
(Swarm theory) Θεωρία της συνέχειας Παράμετρος Τάξης, Εξέλιξη
της θεωρίας της συνέχειας, Θεωρία του μέσου πεδίου, Θεωρία των
μη αρμονικών δυνάμεων.
• Η Επίδραση των ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων στους υγρούς
κρυστάλλους, Ανισοτροπία των υγρών κρυστάλλων,
Υγροκρυσταλλικά μόρια σε ηλεκτρικά πεδία, Υγροκρυσταλλικά
μόρια σε μαγνητικά πεδία, Παραμορφώσεις των υγρών
κρυστάλλων, Τρόποι εξέτασης δειγμάτων υγρών κρυστάλλων,
Υδροδυναμικές επιδράσεις των υγροκρυσταλλικών μορίων από
ηλεκτρικά πεδία.
• Αλληλεπίδραση φωτός και υγρών κρυστάλλων, Φως και νηματικοί
υγροί κρύσταλλοι, Αλληλοεπίδραση φωτός με την ύλη, Διπλή
διάθλαση του φωτός, Διπλή διάθλαση του φωτός σε νηματικού
υγρούς κρυστάλλους, Η διάχυση του φωτός από τους υγρούς
κρυστάλλους, Κυκλική διπλή διάθλαση, Φως και ακτίνες Χ σε
άλλους τύπους υγρών κρυστάλλων
Περιεχόμενα Μαθήματος
• Οπτική ενεργότητα στους χειρόμορφους υγρούς κρυστάλλους, Ενισχυτική
συμβολή, Εκλεκτική ανάκλαση, Χειρόμορφοι υγροί κρύσταλλοι σε
διασταυρωμένους πολωτές, Ενισχυτική συμβολή, Η σφήνα Cano, Ακτίνες
Χ και σμηγματικοί υγροί κρύσταλλοι, Χειρόμορφοι Σμηγματικοί C υγροί
κρύσταλλοι, Άλλοι τύποι σμηγματικών υγρών κρυστάλλων, Ελεύθερες
υγροκρυσταλλικές μεμβράνες.
Εφαρμογές
• Απεικονίσεις Υγρών Κρυστάλλων (LCD),, Απεικονίσεις Πληροφοριών,
Δυναμική Σκέδαση, Χειρόμορφος Νηματικός Τύπος, Στρεφόμενος
Νηματικός Τύπος, Υγροκρυσταλλικές απεικονίσεις που χρησιμοποιούν
χρώματα, Απεικονίσεις Σμηγματικών Υγρών Κρυστάλλων, Ηλεκτροπτικές
συσκευές, Ιατρική Θερμογραφία, Υγροκρυσταλλικά Συστήματα
Απεικονίσεων Διασκορπισμένων Πολυμερών, Ατέλειες στους Υγρούς
Κρυστάλλους. Η Βιολογική σημασία των Υγρών Κρυστάλλων, Βιολογικές
δομές, κυτταρική μεμβράνη.
ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ
Σημειώσεις για το μάθημα : ’’ΥΓΡΟΙ ΚΡΥΣΤΑΛΛΟΙ’’ Μ. Κουή , ΕΜΠ, Αθήνα 2012.
•
•
•
•
•
•
•
•
1. ‘’Liquid Crystal Materials and Devices’’ T. J. Bunning S. H. Chen L. C. Chien . publ. Materials
Research Society. 1999.
2. ‘’Liquid Crystal Materials, Devices, and Applications VI’’ Ranganathan Shashidhar, Publisher:
Society of Photo Optical, 1998.
3.‘’Optics and non linear optics of liquid crystals’’ Iam – Choon Khoo, and Shin – Tson Wu, Vol. 1 ,
p. 425, World Scientific Pub. 1993.
4.“Thermotropic Liquid Crystals, Fundamentals” G., Verdogen, and W.,H., de Jeu, Springer series in
Chemical Physics 45 , p.324, Springer – Verlag, 1988.
5.“Optical Effects in Liquid Crystals” ,Istvan Janossy, Kluwer Academic Pub., p. 232, 1990.
6. Liquid Crystals –Applications and Uses, V 3, Birendra Bahadur, publ. World Scientific Publ., 1992.
7. ‘’Fundamentals of Liquid Crystal Devices’’ Shin-Tson Wu and Deng-Ke Yang, J. Wiley and Sons Ltd
ed., 2006.
8. ‘’Liquid Crystals’’, I.-C. Khoo, Wiley-Interscience; 2nd Edition, (2007).
βαθμός
• 100% Τελική Γραπτή Εξέταση
• 100% Επεξεργασία Θέματος ( παρουσίαση
και εξέταση)