Pracovní skupina kapalných krystalů studuje nové typy kapalných krystalů s dipolárním uspořádáním. Cílem studia je lépe porozumět příčinám vzniku fází, topologickým defektům a nízkofrekvenčním relaxacím, které zjišťujeme pomocí dielektrické spektroskopie.
Molekuly těchto látek mají různý tvar, např. protáhlý ve tvaru tyčinky (anglicky „rod-like“) nebo zalomený ve tvaru banánu („banana-like“), případně nesymetricky zalomený ve tvaru hokejky („hockey-stick“). Naší snahou je zjistit jak souvisí tvar molekuly, případně její chemické složení (typ substitucí či charakter postranních řetězců) se schopností molekul vytvářet kapalně krystalické fáze. V případě chirálních molekul protáhlého tvaru se mohou vyskytovat feroelektrická (FE) a antiferoelektrická fáze (AF), které umožňují přepínání v elektrickém poli a vytvářejí potenciál pro různé druhy aplikací.
Stále se objevují nové typy uspořádání takovýchto molekul a našim úkolem je pozorované fáze popsat a prostudovat jejich vlastnosti. Studujeme např. tzv. de Vries látky, které vykazují malou změnu tloušťky vrstvy při fázovém přechodu ze smektické do FE fáze. Cílenou syntézou a modifikací studovaných molekul je možné ovlivňovat některé fyzikální vlastnosti, které se mohou uplatnit při aplikacích těchto látek. Dodáním nových skupin nebo vazeb do kapalně krystalických molekul (fotosenzitivní azo skupina, luminiscenční jádra apod.) získáváme možnost studovat nové funkční materiály, které mají další zajímavé vlastnosti, jako je polarizovaná luminiscence, fotoferoelektrický jev atd. V poslední době se začínáme zabývat hybridními systémy různých typů nanočástic (většinou anorganického charakteru) a kapalných krystalů, kde je snahou využít jejich samouspořádávací schopnosti.
Vyhledávání a studium nových kapalně krystalických látek s molekulami protáhlého tvaru. Soustřeďujeme se na materiály vykazující FE a AF fáze , dále na sloučeniny, u kterých se vyskytuje tzv. TGB fáze s pravidelnou strukturou defektů.
Studium „de Vries“ sloučenin, u kterých se nevyskytují defekty spojené s poklesem tloušťky vrstvy při přechodu do FE fáze a jsou tedy nadějné z hlediska budoucích aplikací.
Charakterizace nových typů fází u materiálů se zalomeným (banana-like) tvarem molekul.
Příprava a studium kapalně krystalických monomerů, dimerů a polymerních látek ve spolupráci s některými zahraničními pracovišti.
Výzkum dielektrických, elektro-optických a optických vlastností, analýza relaxačního chování, zejména v okolí fázových přechodů.
Studium chirality, povrchových interakcí, defektů ve vzorcích různých geometrií. Teoretický popis pozorovaných struktur, fází a fázových přechodů.
Fotoferoelektrický jev nebo luminiscence látek s molekulami, které obsahují některou fotosenzitivní vazbu nebo luminiscenční část.
Příprava a studium směsí s cílem optimalizovat studované vlastnosti tak, aby byly vhodné pro aplikace.
Polarizační mikroskop NIKON Eclipse E600Pol s komůrkou pro ohřev a chlazení vzorku firmy Linkam (typ THMS600) pro pozorování textur a digitální kamera NIKON COOLPIX 990 pro fotografický záznam
(kontakt: V. Novotná, A. Bubnov, ext. 2134, místnost 147)
Multifunkční pec BINDER VD23 s vakuovou pumpou, sloužící k vysušování a napouštění viskozních materiálů ve vakuu
(kontakt: A. Bubnov, ext. 2134, místnost 147)
Impedanční analyzátory Hewlet/Packard 4192A a Schlumberger SI 1260 pro měření dielektrických vlastností kapalných krystalů ve frekvenčním oboru 0.1 Hz-30 MHz
(kontakt: V. Novotná, A. Bubnov, ext. 2134, místnost 147)
Paměťový digitální osciloskop Le Croy 3904 a TEKTRONIX TDC70 pro měření spontánní polarizace a studium přepolarizačního proudu
(kontakt: V. Novotná, A. Bubnov, ext. 2134, místnost 147)
Fotoelastický modulátor PEM 100 firmy HINDS Instruments, lock-in detektor SR 844 (25 kHz-200 MHz), PIN dioda a generátor Philips PM 5191 v uspořádání pro měření dvojlomu
(kontakt: V. Novotná, ext. 2134, místnost 147)
Multifunkční materiály spontánně se uspořádávající na vzdálenosti nanometrů
V. Novotná
Projekt GA ČR 204/11/0723 (2011-2014)
Syntéza a charakterizace reaktivních mesogenních monomerů a jejich využití v síťovaných polymerních systémech
V. Hamplová, A. Bubnov
Bilaterální projekt AVČR-MAV (Maďarsko) No. 4 (2010-2012)
Byly studovány směsi dvou kapalně krystalických materiálů, které se liší tvarem molekul a jejich chiralitou. Do chirální látky, jejíž molekuly mají protáhlý tvar a vykazují sekvenci kapalně-krystalických fází paraelektrická (SmA) - feroelektrická -antiferoelektrická (AF) fáze byl přidán nechirální materiál s molekulami ve tvaru hokejky (hockey-stick). Ve studovaných binárních směsích byla zjištěna přítomnost několika typů frustrovaných fází, jako např. modré fáze (BP) a TGBA a TGBC fází, které se v původních materiálech nevyskytovaly. Překvapivě se podařilo najít systém, ve kterém se současně vyskytuje chirální nematická a AF fáze, což je pro kapalně krystalické látky naprosto neobvyklé. Důvodem je fakt, že nematická fáze vykazuje velkou směrovost a malou tendenci uspořádávat se do vrstev, kdežto AF fáze naopak vyžaduje velmi výrazné uspořádání do smektických vrstev. Podařilo se ukázat, že právě příměs molekul ve tvaru hokejky pomůže tento konflikt překonat a přítomnost takovýchto molekul, přestože jsou nechirální, může chiralitu celého systému umocnit, což se projeví například i ve značném vzrůstu spontánní polarizace. V předkládané práci bylo zjištěno, že přimísení nechirálních molekul ve tvaru hokejky do standardního chirálního systému protáhlých molekul může podstatným způsobem ovlivnit molekulární interakce, což má zásadní vliv na mezomorfní chování i na makroskopické vlastnosti výsledných směsí. [V. Novotná a kol., Soft Matter (2012)].
Textura kapalně krystalických fází v polarizovaném světle optického mikroskopu: modrá fáze a fázová rozhraní cholesterické-TGBC fáze.
Byly připraveny nové typy kapalně krystalických látek s molekulami lomeného tvaru, které mají v bočním rameni thiofenové jádro. Thiofen v bočním řetězci byl vůbec poprvé úspěšně použit při syntéze takovýchto sloučenin. Byly pozorovány textury v polarizovaném světle optického mikroskopu, bylo provedeno měření DSC a studovány elektro-optické vlastnosti. Pro sloučeniny substituované skupinou CH3 nebo atomem chloru byl zjištěn výskyt B2 fáze, která je přepínatelná v elektrickém poli. Modulovaná sloupcová fáze označovaná B7 byla nalezena v materiálech substituovaných kyano skupinou. Byly stanoveny strukturní parametry pomocí rentgenovských měření. Podařilo se ukázat, že thiofen v bočním řetězci ve srovnání s látkami s benzenovým jádrem způsobuje celkové snížení teplot fázového přechodu. [V. Kozmík a kol., J. Mater. Chem. 21, 3153 (2010)].
Chemický vzorec a model studované molekuly lomeného tvaru (banana-like) substituované kyano skupinou. Vpravo je fotografie textury sloupcové B7 fáze, pozorované v tomto materiálu.
U nově připravených látek s boční substitucí atomem fluoru v centrální části jádra molekuly protáhlého tvaru byly studovány různé typy domén v planárních vzorcích. Kromě uniformních domén se zde vyskytují i tzv. twistované domény, které se v nechirální smektické C fázi nevyskytují. Přítomnost twistovaných domén tedy svědčí o stabilizaci spontánně vznikajících axiálních konformerů a dokazuje to konformační chiralitu těchto typů látek. Byl navržen model na základě polárního kotvení molekul na povrchu vzorku, který vysvětluje toto chování studovaných struktur [M. Glogarová. a kol., J. Chem. Phys. 133, 221102 (2010)].
Byla připravena a prozkoumána serie nových multifunkčních kapalně krystalických materiálů obsahujících azo skupinu v molekulárním jádře, které vykazují feroelektrické vlastnosti a zároveň jsou fotocitlivé. U takových látek (nazývaných fotoferoelektrické) lze osvětlením viditelným světlem měnit elektrické a optické vlastnosti. Po vypnutí světla se vlastnosti látky vracejí do původního stavu. Takové látky nabízejí řadu aplikací v optoelektronice či fotonice. Studované látky vykazují zároveň i malou změnu tloušťky smektické vrstvy při fázovém přechodu do feroelektrického stavu, což je činí zcela unikátními. V důsledku tohoto jevu lze eliminovat specifické defekty, které vznikají při přípravě vzorků a které významně degradují jejich vlastnosti. Bylo prokázáno, že změnou délky nechirálního řetězce připojeného k jádru molekuly lze optimalizovat požadované parametry materiálu co se týče jeho fotoferoelektrických vlastností i změny tloušťky smektické vrstvy. [viz V. Novotná a kol., J. Mater. Chem. 19, 3992-3997 (2009)].
Bylo syntetizováno a prozkoumáno 15 nových kapalně krystalických látek se zahnutými nesymetrickými molekulami odvozenými od 7-hydroxynaftalen-2-karboxylické kyseliny, při čemž centrální naftalenové jádro bylo substituováno chlorem nebo metylovou skupinou. Na základě studia textur v planárních vzorcích, kalorimetrického studia, difrakce rtg. záření a dielektrických měření byly zjištěny mesomorfní vlastnosti (tj.fázové přechody a sekvence fází) jednotlivých látek. Vyskytla se antiferoelektrická B2 fáze a poměrně vzácné polární sloupcové fáze. U látek substituovaných chlorem byla zjištěna i nematická fáze, jejíž výskyt společně se sloupcovou fází je zcela unikátní. Práce přispěla k pochopení vztahů mezi molekulární strukturou látek a jejich mesomorfními vlastnostmi [viz M. Kohout a kol., J. Mater. Chem. 19, 3153 (2009)].
Copyright © 2008-2010, Fyzikální ústav AV ČR, v. v. i.
