Zaskakująca złożoność procesów w ciekłych kryształach

Wyniki badań przedstawiono w przesłanym PAP komunikacie prasowym Instytutu Fizyki Jądrowej PAN.

Z jednej strony „miękko” zorganizowane i uporządkowane, z drugiej zaś zdolne do płynięcia i zachowujące się jak miód czy woda – na tym właśnie polega dwoista natura ciekłych kryształów. Dzięki tym unikalnym własnościom materiały te znalazły już wiele zastosowań. Najpowszechniej są używane w wyświetlaczach ciekłokrystalicznych (LCD). Przy projektowaniu nowych wyświetlaczy przydatne są jednak materiały, które w różnych warunkach zyskują specyficzne właściwości.

I tak poszukiwane są wśród nich tzw. materiały szkłotwórcze czy substancje tworzące tzw. chiralne fazy smektyczne (dzięki tym ostatnim można konstruować urządzenia o krótkim czasie przełączania, dużym kontraście i szerokiej skali barw). Stąd tak ważne jest poznanie różnych ciekłych kryształów i dokładne zbadanie procesów krystalizacji na bardzo różnych przykładach.

„Aby określić, czy dany ciekły kryształ nadaje się do konkretnych zastosowań, należy wykonać badania podstawowe z zastosowaniem komplementarnych metod eksperymentalnych, dzięki czemu można poznać właściwości fizykochemiczne, strukturę i dynamikę związku” - wyjaśnia dr inż. Anna Drzewicz (IFJ PAN), zaś dr Małgorzata Jasiurkowska-Delaporte (również z IFJ PAN) dodaje: „...a także sprawdzić, czy ulega on krystalizacji, czy może jest zdolny do tworzenia stanu szklistego”.

Krystalizacja jest złożonym procesem, na który składa się nukleacja (formowanie zarodków krystalizacyjnych) oraz wzrost kryształów. Zjawisko krystalizacji na ogół kojarzy się z procesem zachodzącym podczas chłodzenia danego materiału. Jednakże jeśli wystarczająco szybko schłodzi się badaną substancję, ma ona szansę ulec zeszkleniu. Jak szybkie ma być tempo chłodzenia, to już zależy od szybkości nukleacji, która jest indywidualną cechą substancji.

Stan szklisty związany jest ze spowolnieniem (a nawet zamrożeniem) ruchów stochastycznych. „Można go sobie skojarzyć z zabawą w ‘Posągi’ (w zależności od regionu gra nazywa się inaczej). Osoby poruszają się swobodnie w różnych kierunkach. Na hasło ‘Posągi’ muszą znieruchomieć w ostatniej przyjętej pozie” - mówi dr Drzewicz.

Ciekły kryształ 3F5HPhH7, będący przedmiotem badań, został otrzymany w Instytucie Chemii Wojskowej Akademii Technicznej w Warszawie. Naukowcy z IFJ PAN ustalili, że tworzy on kilka tzw. chiralnych faz smektycznych (SmC*, SmCA* oraz SmXA*). Powolne chłodzenie próbki skutkowało jej skrystalizowaniem, zaś podczas szybkiego chłodzenia wykazywała ona większą tendencję do zeszklenia fazy SmXA* niż do przejścia w formę krystaliczną. Dodatkowo w wyniku ogrzewania próbki (po jej wcześniejszym szybkim chłodzeniu) obserwowano zjawisko tzw. zimnej krystalizacji, czyli krystalizacji zachodzącej podczas ogrzewania uprzednio zeszklonego nieuporządkowanego stanu termodynamicznego.

Ze szczegółową charakterystyką ciekłego kryształu 3F5HPhH7 można zapoznać się w pracy opublikowanej w prestiżowym czasopiśmie fizykochemicznym „Physical Chemistry Chemical Physics”.

W dalszym kroku naukowcy z IFJ PAN postanowili szerzej przyjrzeć się obu procesom krystalizacji związku 3F5HPhH7. „Chcieliśmy sprawdzić, jaka jest kinetyka krystalizacji zachodzącej zarówno podczas chłodzenia, jak i ogrzewania związku, a także ustalić, czy jesteśmy w stanie kontrolować bądź modyfikować te procesy poprzez tempo zmiany temperatury” - mówi dr Jasiurkowska-Delaporte.

Wyniki, opublikowane niedawno w czasopiśmie „CrystEngComm”, rzucają nowe światło na mechanizmy procesów krystalizacji związku 3F5HPhH7. Uzyskane wyniki pokazały, że proces krystalizacji zachodzącej podczas chłodzenia próbki jest kontrolowany przez nukleację i zachodzi poprzez trójwymiarowy wzrost krystalitów.

Zaskakujące rezultaty przyniosła natomiast analiza kinetyki zimnej krystalizacji. W warunkach nieizotermicznych mechanizm tego procesu zależy od tempa ogrzewania próbki. Gdy temperatura wzrasta powoli, proces zimnej krystalizacji jest zależny głównie od dyfuzji związanej z ruchliwością cząsteczek, zaś w warunkach szybkiego ogrzewania – od nukleacji.

Zaś w przypadku zimnej krystalizacji badanej w warunkach izotermicznych, gdy próbka jest szybko ogrzewana (do temperatury zachodzenia zimnej krystalizacji), to proces ten staje się dwuetapowy, a każdy z etapów różni się wymiarowością powstałych krystalitów. Wolne ogrzewanie związku skutkuje zmianą natury zimnej krystalizacji, która z procesu dwuetapowego przechodzi w proces jednoetapowy.

„Przykład związku 3F5HPhH7 pokazuje, jak różnorodny jest proces krystalizacji i jak bardzo zależy od tempa zmian temperatury. Zaproponowana przez nas tematyka doskonale wpisuje się w nurt współczesnych wyzwań, przed którymi stoi fizyka fazy skondensowanej, a w szczególności materia miękka” - podkreśla dr Jasiurkowska-Delaporte.

PAP - Nauka w Polsce

lt/ ekr/