BAGGRUNDSLÆSNING TIL EKSPERIMENT B: FLYDENDE KRYSTALLER Flydende krystaller (LC) er et eksempel på selv-samlede molekyler der er følsomme overfor eksterne faktorer, så som temperatur. Det ændrer deres selv-samling, som en konsekvens af variationer i disse faktorer. I dette eksperiment vil du se hvorledes nogle LC ere skifter farve som temperaturen ændres. Du vil lære om to fundamentale koncepter i nanovidenskaben: (1) at måden et materiale opfører sig på, på makroskala, afhænger af dets struktur på nanoskalaen; og (2) at LC ere er selv-samlede molekyler, der organiserer dem selv i nanostrukturer, der har specifikke optiske egenskaber. Disse kan bruges til at fremstille adskillige makro objekter så som displays og termometre. I dette eksperiment vil du: - fremstille forskellige miksturer af flydende krystaller som er følsomme overfor forskellige temperaturvinduer. - Fremstille et antal af flydende krystal-plader og teste dem i et vandbad ved forskellige temperaturer. - fremstille et flydende krystal-termometer. Dette dokument er baggrundslæsningen til laboratorieøvelsen. Hvad er en flydende krystal? Du ved sikkert allerede fra undervisningen, at der findes de tre typer af tilstande: gas form, flydende form og fast form. En flydende krystal er en fjerde tilstand: Den har egenskaber som ligger sig mellem dem af en væske og et fast stof. Molekylerne i en flydende krystal kan bevæge sig uafhængigt, som i en væske, men er organiseret i en krystal (fast materiale). Flydende krystaller er delvist ordnede materialer, der befinder sig et sted mellem deres faste- og flydende faser. Dette betyder af LC erne kombinerer fluiditeten af almindelige væsker med de interessante elektriske- og optiske egenskaber af krystallinske faste stoffer. Ordenen af de flydende krystaller kan manipuleres med mekaniske, magnetiske eller elektriske krafter. Det er interessant, at Figur 1. Skematisk repræsentation af molekyler på fast form (venstre: molekyler som er velorganiseret); i en flydende krystal (midten: molekyler er ordnet over lange afstande) og i en væske (højre: molekylerne er ikke ordnet). (Figurophav: Ophavsret IPSE Educational Resources, University of Wisconsin Madison) Side 1 af 5
ændringerne i ordenen kan opnås med Ganske små variationer af disse krafter. Molekylerne i en LCD kan f.eks. orienteres ved at udsætte dem for relativt små elektriske felter. Flydende krystaller er temperaturfølsomme da de går på fast form hvis det er for koldt og bliver flydende igen hvis det er for varmt. Dette fænomen kan f.eks. observeres i en computerskærm når den er meget varm eller meget kold. En flydende krystal er et eksempel på en selv-samlet nanostruktur. Flydende krystaller er fremstillet af molekyler, der har figur som stænger eller plader, eller en form som ansporer til at de kollektivt stiller sig op på række langs en bestemt retning. De antager en selv-samlet (eller selv-organiseret) struktur. Denne proces guides af informationen som er kodet ind i karakteristikken af molekylerne og den endelige struktur opnås ved at afbalancere mod formen med den mindste frie energi. Selv-samlings konceptet danner basisen for alle naturlige biologiske processer, hvor molekylerne selv-samler til komplekse strukturer med nanoskala præcision. Dette kendes f.eks. fra formationen af DNA dobbelt helixen eller formationen af cellemembranen, der består af fosfolipider. En flydende krystal dannes ved selv-samling af molekyler i ordnede strukturer, eller faser. En ekstern perturbation, så som en ændring i temperaturen eller det magnetiske felt, selv ganske små ændringer, kan få den flydende krystal til at selv-samle på en anderledes måde og derved opnå en anden fase. Forskellige faser kan genkendes ved deres forskellige optiske egenskaber. Figur 2. Eksempler på selv-organiseringen af anisometriske (dvs. med assymetriske dele) molekyler I en flydende-krystallinske faser. Til venstre: stanglignende molekyler danner en nematisk væske hvor længdegradsaksen af molekylerne står parallelt på en fælles retning ( director ). Til højre: disk-lignende (discotic) molekyler arrangeres I molekylestakke (søjler), hvor længde-retningen også er parallel på directoren. Som et resultat af deres orientielle orden udviser flydende krystaller anisotropiske fysiske egenskaber ligesom krystaller. (Figurophav: http://www.ipc.unistuttgart.de/~giesselm/ag_giesselmann/forschung/flue ssigkristalle/fluessigkristalle.html). Side 2 af 5
Findes der nogle naturlige flydende krystaller? Ja! Nogle former af flydende krystaller er talrige i levende systemer, så som biologiske membraner, celle membraner, mange proteiner (ligesom protein opløsningen udskældt af edderkoppen når den danner silke), så vel som tobacco mosaik virussen. Sæbe er et andet kendt materiale som faktisk er en lyotropisk LC. Tykkelsen af sæbeboblerne bestemmer farven af lyset de reflekterer. Termotropiske flydende krystaller I dette eksperiment undersøger du egenskaberne af en termotropisk flydende krystal. Denne type flydende krystal reagerer på ændringer i omkringlæggende temperatur ved at ændre dens farve. Som temperaturen stiger skifter farven fra orange over gul til grøn, blå til lilla. Ændringen er en direkte konsekvens af ændringen i den molekylære organisation af den flydende krystal som temperaturen øges. Hvordan virker det? Flydende krystaller er fremstillet af molekyler der er formet som stænger eller plader og har tendens til at stille sig Figur 3. Skematisk repræsentation af på række i en bestemt retning og derved antage en nogenlunde orden i kirale flydende krystal faser: ordnet molekylær struktur, kaldet en fase. Typen af flydende En kiral namatisk fase (også kaldet krystal du vil undersøge her er fremstillet af lange molekyler den kolesteriske fase) i en LC. som har tendens til at organisere sig i roterende lag, ligesom en (Figurophav: Wiki Commons, Creative spiraltrappe (en helix). Denne fase er en kiral fase fordi den Commons Attribution ShareAlike 3.0). totale struktur ikke har inversionssymmetri. Denne fase kaldes ofte for den kolesteriske fase fordi den først blev observeret for kolesterol derivativer. På hvert trin af trappen er molekylerne arrangeret i en specifik orden, men der er stadig en endelig vinkel mellem hvert trin og det næste (Figur 4). Figur 4 (Venstre): Skematisk repræsentation af en stablet roterende lag I en kiral LC der danner en spiraltrappe med en afstand (pitch) på p (Højre): Skematisk repræsentation af en afstanden i en kiral LC. Figurophav: Wiki Commons, Creative Commons Attribution ShareAlike 3.0) Side 3 af 5
Den kirale afstand (pitch), p, refererer til afstanden hvor LC-molekylerne har undergået en fuld 360 drejning. Som temperaturen af den flydende krystal ændres, så vil denne karakteristiske afstand ændres, hvilket fører til strammere og løsere forvredet spiraler. Hvordan er det relateret til farveændringen? Når lyset rammer en flydende krystal vil noget af lyset reflekteres. Det vi ser, er det reflekterede lys. Farven (dvs. bølgelængden) af det reflekterede lys afhænger af hvor meget spiralen er drejet. Figur 5. Repræsentation af en pitchafstand I en kiral LC som temperature ændres. (Figurophav: Figur adapteret fra IPSE Educational Resources (Liquid crystals), University of Wisconsin Madison). Hvis pitch-afstanden i den flydende krystal er af den samme orden som bølgelængden af det synlige lys (400-700nm), så vil interessante optiske interferens-effekter kunne observeres. Farven på det reflekterede lys afhænger af pitchafstanden i den flydende krystal, det er, hvor meget spiralen er drejet. Når spiralen er drejet meget vil pitch-afstanden være mindre, og derved reflekteres lys med lavere bølgelængder (den blå ende af spektrummet); Når den flydende krystal er mindre fordrejet, har den en større pitchafstand, og derved reflekteres lys med større bølgelængder (den røde ende af spektrummet). En temperaturforøgelse fører til en mindskelse af pitchafstanden, derfor vil vi ved en forøgelse af en flydende krystals temperatur forvente en farveændring fra den røde ende af spektrummet mod den blå ende af spektrummet, således fra orange, til gul, grøn, blå og violet. HVORDAN ER DET NANO? Ændringerne af et materiale på makroskala berøres af hvordan strukturen af materialer er på nanoskalaen. Ændringer i et materiales molekylære struktur er ofte for små til at kunne observeres med vores øjne, men nogle gange kan vi se ændringer i materialernes egenskaber. Flydende krystaller er et fantastisk eksempel, særligt den type der bruges i dette eksperiment, siden deres optiske egenskaber (farve) ændres synligt som den flydende krystals temperatur ændres. I nanoteknologien prøver forskere at drage nytte af de særegne egenskaber af materialer på nanoskalaen til at konstruere nye materialer og apparater. Flydende krystaller er et eksempel på selv-samlede molekyler som ændrer deres rumlige organisering afhængigt af eksterne faktorer så som temperatur. Selv-samling er et andet fundamentalt koncept i nanovidenskaben. Side 4 af 5
Anvendelser af flydende krystaller Den kirale drejning som finder sted i kirale flydende krystal faser, får også systemet til at reagere forskelligt på højre- og venstredrejet cirkulært polariseret lys. Disse materialer kan derfor bruges som polarisationsfiltre. Flydende krystaller bruges rutinemæssigt i skærme til mobiltelefoner, kameraer, bærbare computere og andet elektronik. I disse skærme ændrer et elektrisk felt orienteringen af molekylerne i den flydende krystal og påvirker polariseringen af det lys der passerer igennem dem. På grund af deres følsomhed overfor temperatur, og egenskaben at de kan ændre farve, bruges de også i termometre. I miniaturesensorer kan flydende krystaller bruges til at detektere bestemte kemikalier, elektriske felter og temperaturændringer. Forskere undersøger nu om additionen af nanopartikler til flydende krystaller kan inducere nye elektriske- og optiske egenskaber i de flydende krystaller. Således at de kan bruges i fotovoltaiske celler, optiske bølgeledere, LED ere og sensorer. I dette eksperiment fremstiller du et stuetermometer som kan bruge i klasseværelset igennem årets løb til at bestemme temperaturen i klasselokalet eller udendørs! Side 5 af 5