7.6.2011

1

Anizotropne snovi

in tekoči kristali

Mojca Čepič

O čem

• Kaj je to anizotropija?

• Kje jo srečamo?

• Mikrovalovi

• Vidna svetloba

– polarizatorji

– dvolomne snovi

– kako se lahko igramo z obojimi

Anizotropija

Lastnosti snovi so odvisne od smeri

– vpojnost

– elastičnost

– toplotna prevodnost

– optične lastnosti

7.6.2011

2

Nekaj snovi

Lastnosti so odvisne od smeri

– les

– pletenine

– vzmetnice

– različni plastični materiali

– tako rekoč vsi kristali

– tekoči kristali

– ....

Polarizacija

Polarizacija pri transverzalnem valovanju

EM valovanje

Polarizacija pri EM valovanju

Mikrovalovi

Polarizacija

Anizotropija lesa

7.6.2011

3

Optično področje

Polarizatorji

Kaj se dogaja v snoveh

animacija: emanim

Tekoči kristali

O čem

• tekoči kristali za novince

– kaj tekoči kristali sploh so

– kako jih prepoznamo

– zakaj so zanimivi

• tekoči kristali za vajence

– njih optične lastnosti

– kako jih urejamo

• tekoči kristali za strokovnjake

7.6.2011

4

Kaj imenujemo “tekoči kristali”?

kristal → tekočina

običajne snovi

tekoči kristalikristal → tekoči kristal → tekočina

Vsaj ena od faz mora biti tekoče kristalna.

Kaj imenujemo “tekoči kristali”?

Zakaj se tako imenujejo?

lastnosti tekočinetečejo

lastnosti kristalovanizotropne lastnosti

mikroskopska urejenost

7.6.2011

5

Različne tekoče kristalne faze

NematikiKiralni nematiki

SmektikiNagnjeni smektiki

Kolumnarne faze

Molekularne lastnosti...

5CB

OOCBP

DOBAMC

holesterik

banane

Podolgovate molekule

Nematiki

Med tekočino in kristalom:Motna, koloidom podobna tekočinaDvolomna

7.6.2011

6

Kako opisati urejenost?

izotropna faza nematik

ureditveni parameter – mera za red0 za neurejeno fazočim večji je parameter tem večji mora biti red1 za idealno urejen (ni vedno res)upoštevati mora simetrijo

Nematski ureditveni parmeter

Uredtiveni parameter opisuje, kako dobro so urejene molekule.

•

•• čim večja je vrednost, tem večji je red • je 1/3 za enurejen sistem• renormalizacija: 23cos 1

2

2

cos ?

cos ?

Določanje ureditvenega parametra

na modelu zobotrebcev

22cos 1

7.6.2011

7

Dvolomnost

- debeline vzorca- dvolomnosti vzorca- orientacije polarizatorjev

- reda, ureditvenega parametra - smeri molekul

Barva tekočega kristala je odvisna od:

Dvolomnost tekočegakristala je odvisna od:

Dvolomnost

Svetloba s polarizacijo pravokotno na dolge osimolekul ima manjšo hitrostkot svetloba s polarizacijovzporedno z dolgimi osmimolekul.

Tekoči kristali imajo običajno zelo veliko razliko med lomnima količnikoma za obe polarizaciji (0.1- 0.3).

Vzroki za dvolomnost

V. Babič GIREP 2009

7.6.2011

8

Kaj se dogaja pri prehodu ?

/4 plošča

/2 plošča

0

2r in n d

Kako je pri prehodu bele svetlobe?

Kako delujejo prikazalniki?

polarizator

analizator

7.6.2011

9

Prikazalnik

polarizator

analizator električno polje zasuče dolge osi molekul v smeri polja

Termometri

mrzlo

Termometer

vroče

7.6.2011

10

Tekoči kristali v naravi

Membrane v živih bitjih

Tekoči kristali v naravi

V različnih žlezah setvorijo snovi, ki na zraku polimerizirajo vvlakna pajkove mreže.

Med tokom skozi šobe, se podolgovatemolekule uredijo.

Svila

Smektiki

7.6.2011

11

Kako opisati smektični red?

• smektični red

– koliko so molekule urejene v plasteh

qzcos

Kaj se dogaja pri hlajenju?

izotropnafaza

nematska smektična kristal

hlajenje→

Nagnjeni smektiki

7.6.2011

12

Bolj kompleksne strukture

kiralni nematik ali holesterik

kiralni polarni smektik

SmC SmC SmC SmC SmC*

* *

2FI

*

1FI

*

A

Bolj kompleksne strukture

Labirinti v tankih

filmih smektičnega

tekočega kristala*

Nataša Vaupotič1,2, Mojca Čepic1,3, Damian Pociecha4,

Ewa Gorecka4, Jozef Mieczkowski4

1 Inštitut Jožef Stefan, Ljubljana2 Oddelek za fiziko, Fakulteta za naravoslovje in matematiko (FNM),

Univerza v Mariboru3Oddelek za fiziko in tehniko, PeF, Univerza v Ljubljani

4Oddelek za kemijo, Univerza v Varšavi, Poljska

*Phys. Rev. Lett. 95, 207901 (2005)

7.6.2011

13

obe spojini tvorita interkalirano

SmC strukturo

10 m

EKSPERIMENT

odbojmed prekrižanima

polarizatorjema

440 nm

520 nm

homogena ureditev molekul

spreminjanje debeline filma

-

stena

PLOŠČICA LAMBDA

EO

Ee

PA

tukaj povečamo razliko optičnih poti

nmin

nmax

tukaj zmanjšamo razliko optičnih poti

7.6.2011

14

PLOŠČICA LAMBDA

smer naklona molekul se izmenjuje med - stenami

NAGNJEN

FILM

wall

c c

Light propagation direction

Ee

Eo

Ee

Eo

wall

c c

Light propagation direction

Ee

Eo

Ee

Eo

wall

c c

Light propagation direction

Ee

Eo

Ee

Eo

-stena wall

c

c

Light propagation direction

EeEo

Ee

Eo

dark stripe

bright stripe

wall

c

c

Light propagation direction

EeEo

Ee

Eo

dark stripe

bright stripe

temno

svetlo

10 m10 m10 m

odbojodbojmed prekrižanima

polarizatorjema

med prekrižanima

polarizatorjema

440 nm

520 nm

440 nm440 nm

520 nm520 nm

homogena ureditev molekul

spreminjanje debeline filma

homogena ureditev molekul

spreminjanje debeline filma

-

stena

-

stena

smer naklona molekul se izmenjuje med - stenami

NAGNJEN

FILM

smer naklona molekul se izmenjuje med - stenami

NAGNJEN

FILM

7.6.2011

15

TEORETIČNA RAZMIŠLJANJA

labirintna nagubanost

debeline filma

površina se poveča

visoka Tnizka T

Kako lahko sistem zmanjša

debelino vrnje plasti?

Ali so lahko defekti blizu površine ?

KB

1

KB

1KB

površina defekte odbija

površina defekte privlači

Vzrok za takšno prostorsko odvisnost c-direktorja?

c

x

y

z

7.6.2011

16

Vzrok za takšno prostorsko odvisnost c-direktorja?

22

2

0

1( ) 1

2S S SF W T d

c

x

y

z

ccedge ErdKBF )2/(20

2

22S

S

KF d d

d

Sedge FNFFF

0.5

Sd d

0( ) 2SW T KB

potreben pogoj ta tvorbo

labirintne strukture

H

AV

A

L

A

Z

V

AOŠ

PO

ZO

R

N

O

S

T