Μοριακή Δυναμική και Μεταβάσεις σε Υγρούς Κρυστάλλους

Abstract

Στην παρούσα μεταπτυχιακή εργασία εξετάζεται η μοριακή δυναμική και οι μεταβάσεις δύο υλικώντης οικογένειας των καλαμιτίκών υγρών κρυστάλλων , το4-pentyl-4΄-cyanobiphenyl (5CB) και το 4-(2΄-methylbutyl)-phenyl-4΄-n-octylbiphenyl-4-carboxylate(CE8).Τα συστήματα αυτά μελετώνται στην καθαρή τους μορφή αλλά και παρουσία σωματιδίων ή φύλλων πολυιμιδίου(PI) με κύριο στόχο την αξιολόγηση των πειραματικών τεχνικών της Διηλεκτρικής Φασματοσκοπίας στην καταγραφή των μηχανισμών αποκατάστασης αλλά και των μεσοφάσεων για αυτή την κατηγορία υλικών. Αναλυτικότερα, με την Διηλεκτρική Φασματοσκοπία Εναλλασσομένου Πεδίου (DRS) για το καθαρό υλικό 5CBτο οποίο μελετήθηκε στο θερμοκρασιακό εύρος -150°Cέως 60°C και στο παράθυρο συχνοτήτων 10-10^6 Hz παρατηρήθηκαν τρεις μηχανισμοί. Οι δύο από αυτούς (α,δ) σχετίζονται με την περιστροφή του μορίου γύρω από τον εγκάρσιο άξονα του μορίου καιτον διαμήκη άξονα σύμφωνα με την υπάρχουσα βιβλιογραφία, ενώ ο τρίτος (δευτερεύον) μηχανισμός (β’) δεν έχει παρατηρηθεί στο παρελθόν.Παρουσία σωματιδίων χρυσού, διατηρείται η κινητικότητα των μηχανισμών, με τους α και δ να επιβραδύνονται ενώ ο β΄ να γίνεται πιο γρήγορος αλλά και με μικρότερη ενέργεια ενεργοποίησης. Αντιθέτως, τοποθετώντας το 5CB μεταξύ φύλλων PIαλλάζει δραματικά η κινητικότητα, όπου λόγω φαινομένου αγκίστρωσης δεν παρατηρούνται οι παραπάνω μηχανισμοί, ενώ εμφανίζονται δυο καινούργιοι σε υψηλότερες θερμοκρασίες με συμπεριφοράArrhenius. Παράλληλα, διεξήχθη μελέτη του CE8 σε καθαρή μορφή στο θερμοκρασιακό εύρος 40 έως 150°C, όπου καταγράφηκαν4 μηχανισμοί, οι οποίοι λόγω της πολυπλοκότητας του μορίου δεν συσχετίστηκαν με κάποια μοριακή κινητικότητα. Περαιτέρω, εφαρμόστηκε η Τεχνική των Θερμορευμάτων Αποπόλωσης (TSDC) στο 5CB(-150 έως 60°C) και στο CE8 (40 έως 150°C) με σκοπό την καταγραφή των μεταβάσεων συγκριτικά με την Διαφορική Θερμιδομετρία Σάρωσης (DSC). Οι μεταβάσεις και στα δύο υλικά που καταγράφηκαν ήταν με την μορφή κορυφών ρεύματος ή “ώμων”και ήταν σε συμφωνία με τις τιμές της βιβλιογραφίας. Πιο συγκεκριμένα, στο 5CB μπορέσαμε να παρατηρήσουμε τον μηχανισμό α αλλά και κάθε μετάβαση του υλικού, ενώ στο CE8 δεν ήταν εφικτή η καταγραφή των μπλε φάσεων.Επίσης, μελετήθηκε και για τα δύο υλικά, παρουσία φύλλων PI, η επίδραση του φαινομένου της αγκίστρωσης στο ρεύμα αποπόλωσης αλλά και πώς μετατοπίζονται θερμοκρασιακά οι μεταβάσεις στο CE8,παρουσία νανοσωματιδίων CdSe. Τέλος, από το σύνολο των πειραμάτων αναδεικνύεται η διακριτική ικανότητα των διηλεκτρικών τεχνικών και ιδιαίτερα του TSDCστην καταγραφή μεταβάσεων υγρο-κρυσταλλικών υλικών, όπου, σε αντιπαραβολή με τα λίγα αποτελέσματα της βιβλιογραφίας, καθιστά αναγκαία την περαιτέρω διερεύνηση τους.

In the present work are examined the molecular dynamics and transitions of two calamitic liquid crystals, the 4-pentyl-4-cyanobiphenyl (5CB) andthe 4 - (2-methylbutyl)-phenyl-4-n-octylbiphenyl-4-carboxylate (CE8) . These systems are studied in their pure form, but also with the presence of particles or sheets of polyimide (PI) with the ultimate purpose to assess the experimental techniques of Dielectric Spectroscopy in recording the relaxation mechanisms and the mesophases for this class of materials. Specifically, with the Dielectric Relaxation Spectroscopy (DRS) for the pure material 5CB, which was studied in the temperature range -150 ° Ceos 60 ° C and in the frequency range 10^1-10^6Hz were observed three mechanisms. Two of them (α, δ) associated with the rotation of the molecule about the transverse axis of the molecule and the longitudinal axis, according to the literature, and a third (secondary) mechanism (b)wich was not observed previously. The 5CB with gold particles, the same mechanismsare maintained, with α and δ showing lower mobility while b being faster and with lower activation energy. Conversely, placing the 5CB between sheets changes dramatically mobility, due to the phenomenon of anchoring the above mechanisms are not observed, while two new ones appear at higher temperatures,portraining Arrhenius behaviour. Meanwhile, a study was conducted of CE8 in pure form in the temperature range 40 έως 150 ° C, where 4 mechanisms were observed, which due to the complexity of the molecule were not associated with specific molecular mobility. Further, we used the technique of Thermally Stimulated Depolarization Currents (TSDC) in 5CB (-150 to 60 ° C) and CE8 (40 to 150 ° C) in order to record the transitions compared to the Differential Scanning Calorimetry (DSC). The transitions in both materials were recorded in the form of current peaks or "shoulders" and was in agreement with literature values. More specifically, 5CB able to observe a mechanism and each transition of the material, while at CE8 was not possible to record the blue phases. Also both materials were studied with the presence of sheet PI, the effect of the phenomenon of anchoring to the depolarizing current but also how temperature-shifted transitions in CE8, with the presence of nanoparticles CdSe. Finally, from the set of experiments highlights the resolution of dielectric techniques and especially TSDC at recording transitions in liquid-crystalline materials, which, in comparison with the few results in the literature, requires further investigation.