Τομέας Επιστήμης και Τεχνικής των Υλικών ΥΓΡΟΙ ΚΡΥΣΤΑΛΛΟΙ- ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΤΙΣ ΝΕΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ Μάθημα επιλογής 6ου εξαμήνου Χ. Μ Μ. Κουή, Καθηγήτρια ΕΜΠ Συνεργάτης: Δρ. Β. Δρίτσα, Ε.ΔΙ.Π

Σκοπός του μαθήματος Σκοπός του μαθήματος είναι η κατανόηση της δομής, των ιδιοτήτων και της επίδρασης των παραγόντων που στοιχειοθετούν τις εφαρμογές των Υγρών Κρυστάλλων στις νέες τεχνολογίες. Οι υγροί κρύσταλλοι αποτελούν σήμερα υλικά αιχμής με εφαρμογές σε πολλούς τομείς της επιστήμης και της τεχνολογίας (συστήματα ενδείξεων, απεικονίσεων, οθόνες τηλεοράσεων, υπολογιστών, τηλεφώνων, ιατρική τεχνολογία, βιολογία, φαρμακευτική, καλλυντικά, μοντελισμός, εικαστικές τέχνες, χρώματα, υαλοπίνακες, διαστημική τεχνολογία, κλπ).

Σκοπός του μαθήματος Στον φοιτητή της Σχολής Χημικών Μηχανικών φιλοδοξεί να προσφέρει, με την απόκτηση της γνώσης, το ερέθισμα για περαιτέρω διερεύνηση της σχέσης δομής - ιδιοτήτων αυτών των υλικών με σκοπό το σχεδιασμό νέων υγροκρυσταλλικών υλικών με τις κατάλληλες φυσικοχημικές ιδιότητες για την βελτίωση αλλά και την επινόηση νέων τεχνολογικών εφαρμογών.

Τι είναι οι υγροί κρύσταλλοι; Ακούγοντας για πρώτη φορά τον όρο “υγροί κρύσταλλοι” ‘’Liquid crystals’’ είναι σχεδόν σίγουρο ότι μας εκπλήσσει. Πως δηλαδή μπορεί κάποια ουσία να είναι και υγρή και κρυσταλλική συγχρόνως; ονομάζονται υγροί κρύσταλλοι (liquid crystals) ή μεσόμορφες (mesomorphic) ή μεσογενείς (mesogens) εκείνες οι χημικές ενώσεις (στην πλειοψηφία τους οργανικές) που παρουσιάζουν περισσότερες από μία απλή μετάπτωση κατά το πέρασμά τους από τη στερεή στην υγρή κατάσταση. Στις ενδιάμεσες αυτές μεταπτώσεις, τα μόρια της παρουσιάζουν μια συγκεκριμένη διάταξη, που της προσδίδει συγχρόνως ιδιότητες πραγματικού κρυστάλλου και πραγματικού υγρού

Η ιστορία των υγρών κρυστάλλων Η ιστορία των υγρών κρυστάλλων αρχίζει περίπου το 1850 με τις παρατηρήσεις μερικών Ευρωπαίων ερευνητών. Η πρώτη προσέγγιση έγινε παρατηρώντας σε μικροσκόπιο βιολογικές ενώσεις. Η δεύτερη σε πειράματα σχετικά με την κρυστάλλωση ουσιών. Η τρίτη όταν πειραματιζόμενοι με τη χοληστερίνη παρατήρησαν ασυνήθιστα φαινόμενα (αλλαγές χρωμάτων, δύο σημεία τήξης κ.λπ.)

Η ιστορία των υγρών κρυστάλλων Ο Friedrich Reinitzer Αυστριακός βοτανολόγος, το 1888, κατά τη διάρκεια των ερευνών του για τις ιδιότητες της χοληστερόλης και τα παράγωγα της (εστέρες της χοληστερόλης), παρατήρησε το φαινόμενο των δύο σημείων τήξης. Μία από αυτές τις ουσίες, ο βενζοϊκός εστέρας της χοληστερόλης, περνούσε από τη στερεή στην υγρή κατάσταση σχηματίζοντας στους 145,5 C ένα θολό υγρό (υγρός κρύσταλλος), που αυξάνοντάς του τη θερμοκρασία μετά τους 178.8 C, μετατρεπόταν σε κανονικό ισότροπο υγρό. Εάν η αλλαγή φάσης, από στερεό σε υγρό γινόταν στους 145.5 C τότε τι γινόταν στους 178.8C; Μήπως ήταν ένας νέος τύπος ενώσεων, μήπως μία νέα κατάσταση της ύλης; H σαφέστατη αυτή διατύπωση των ερωτημάτων, που “άνοιξε” το δρόμο για έρευνα σε νέους επιστήμονες, καθιέρωσαν τον Reinitzer ως τον άνθρωπο που ανακάλυψε τους υγρούς κρυστάλλους.

Η ιστορία των υγρών κρυστάλλων Αν και οι Υγροί Κρύσταλλοι παρατηρήθηκαν για πρώτη φορά το 1888 από τον Reinitzer, ο Maugin ανακάλυψε και περιέγραψε την ελικοειδή νηµατική δοµή, η οποία αργότερα έγινε η βάση της τεχνολογίας των υγροκρυσταλλικών συστημάτων απεικόνισης (LCD). Στα µέσα της δεκαετίας 1950, ερευνητές της Westinghouse Research Laboratories ανακάλυψαν ότι οι Χοληστερικοί Υγροί Κρύσταλλοι µπορούν να χρησιμοποιηθούν ως αισθητήρες θερµότητας. Το 1962 εκδίδεται το πρώτο βιβλίο πάνω στους Υγρούς Κρυστάλλους "molecular structure and the properties of liquid crystals" του G.W.Gray.

Η ιστορία των υγρών κρυστάλλων Το 1962 οι R. Williams και G. Ηeilmeier εισήγαγαν την ιδέα της χρήσης των υγροκρυσταλλικών υλικών για τα συστήματα απεικόνισης. Το 1969 ο James Fergason ανακαλύπτει το φαινόμενο του σπειροειδούς νηματικού πεδίου, το οποίο αποδείχτηκε να είναι το πλέον επιτυχές για τις οθόνες σε ρολόγια , ηλεκτρονικούς υπολογιστές, τηλεοράσεις, κινητά τηλέφωνα κλπ.

Η ιστορία των υγρών κρυστάλλων Στη δεκαετία του '70 υπήρξε µία γρήγορη ανάπτυξη στον τοµέα των Σιδηροηλεκτρικών Υγρών Κρυστάλλων. Ο πρώτος που ασχολήθηκε ήταν ο Μeyer το 1974 και τον ανέδειξε ως ένα από τους βασικότερους τομείς έρευνας της επιστήμης των Υγρών Κρυστάλλων. Τρεις δεκαετίες αργότερα παρατηρείται η έντονη εμπορευματοποίηση µιας καινούργιας τάξης θερµότροπων πολυµερών, που σε υψηλές θερμοκρασίες μετατρέπονται σε διπλοθλαστικά υγρά, τα θερµότροπα υγροκρυσταλλικά πολυµερή. Προηγήθηκε στη δεκαετία του ‘60 η ανακάλυψη των Λυότροπων Αρωµατικών Πολυαµιδίων (Kevlar) από την χημικό S. Kouolek στη DuPont, μια ίνα πενταπλάσιας αντοχής σε σύγκριση με το ατσάλι και ταυτόχρονα πολύ ελαφριά.

Η ιστορία των υγρών κρυστάλλων Σήμερα η έρευνα έχει ιδιαίτερα επικεντρωθεί στη σύνθεση νέων υγροκρυσταλλικών ενώσεων με χαρακτηριστικές επιδόσεις για εφαρμογές στα συστήματα απεικόνισης αλλά και στη σύνθεση υγροκρυσταλλικών πολυμερών με πολύ καλύτερες ιδιότητες ακόμα και αυτών των μετάλλων. Υπολογίζεται ότι πάνω από το 7% της παγκόσμιας έρευνας καλύπτει τον τοµέα αυτό, ιδιαίτερα δε από την στιγμή που άρχισαν να βρίσκουν πολύ σημαντικές τεχνολογικές εφαρμογές. Για πολλούς ερευνητές η κατάσταση αυτή της ύλης θεωρείται ως η "τέταρτη’’

Ταξινόμηση των υγρών κρυστάλλων Ταξινόμηση των υγρών κρυστάλλων Οι υγροί κρύσταλλοι διακρίνονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες: τους θερμότροπους υγρούς κρυστάλλους, που η εμφάνιση των μεσοφάσεων επιτυγχάνεται με την επίδραση της θερμοκρασίας τους λυότροπους υγρούς κρυστάλλους, που η εμφάνιση των μεσοφάσεων επιτυγχάνεται με την μεταβολή της συγκέντρωσης ορισμένων ουσιών σε διαλύματα

ισότροπη φάση νηματική φάση σμηκτική φάση

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ

Ιατρική Θερμογραφία με Υγρούς Κρυστάλλους

Υαλοπίνακες με υγρούς κρυστάλλους

Εφαρμογή των πολυμερών υγρών κρυστάλλων σε αλεξίσφαιρα γιλέκα Εφαρμογή των πολυμερών υγρών κρυστάλλων σε αλεξίσφαιρα γιλέκα

Η μοριακή δομή του LCP που δημιουργεί την Vectran® είναι ένας αρωματικός πολυεστέρας Το Vectran® είναι στην ουσία ένα υψηλής απόδοσης νήμα αποτελούμενο από πολλά υγροκρυσταλλικά πολυμερή (LCP) τα οποία συνδέονται μεταξύ δημιουργώντας μια ελικοειδή δομή. Το Vectran® είναι η μόνη διαθέσιμη στο εμπόριο LCP ίνα σε τηγμένη μορφή στον κόσμο. Η ίνα Vectran® παρουσιάζει εξαιρετική δύναμη και ακαμψία. Συγκρίνοντας αυτά τα χαρακτηριστικά της, θα μπορούσαμε να πούμε ότι είναι πέντε φορές ισχυρότερη από το χάλυβα και δέκα φορές ισχυρότερη από το αλουμίνιο.

Εφαρμογές τις ίνας Vectran®

Περιεχόμενα Μαθήματος Οι καταστάσεις της ύλης , Γενικά για τους υγρούς κρυστάλλους Ταξινόμηση των υγρών κρυστάλλων Πολυμερείς Υγροί Κρύσταλλοι Χημική δομή και υγροκρυσταλλικότητα Θεωρίες για τη δομή των υγρών κρυστάλλων Η Επίδραση των ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων στους υγρούς κρυστάλλους Οπτικές ιδιότητες των υγρών κρυστάλλων Παράγοντες που επιδρούν στην εκλεκτική ανάκλαση από τους χοληστερικούς ΥΚ Εφαρμογές των υγρών κρυστάλλων

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Σημειώσεις για το μάθημα :  ’’ΥΓΡΟΙ ΚΡΥΣΤΑΛΛΟΙ’’ Μ. Κουή , ΕΜΠ, Αθήνα 2015. 1. ‘’Liquid Crystal Materials and Devices’’ T. J. Bunning    S. H. Chen    L. C. Chien . publ. Materials Research Society. 1999. 2. ‘’Liquid Crystal Materials, Devices, and Applications VI’’ Ranganathan Shashidhar, Publisher: Society of Photo Optical, 1998. 3.‘’Optics and non linear optics of liquid crystals’’ Iam – Choon Khoo, and Shin – Tson Wu, Vol. 1 , p. 425, World Scientific Pub. 1993. 4.“Thermotropic Liquid Crystals, Fundamentals” G., Verdogen, and W.,H., de Jeu, Springer series in Chemical Physics 45 , p.324, Springer – Verlag, 1988. 5.“Optical Effects in Liquid Crystals” ,Istvan Janossy, Kluwer Academic Pub., p. 232, 1990. 6. Liquid Crystals –Applications and Uses, V 3, Birendra Bahadur, publ. World Scientific Publ., 1992. 7. ‘’Fundamentals of Liquid Crystal Devices’’ Shin-Tson Wu and Deng-Ke Yang, J. Wiley and Sons Ltd ed., 2006. 8.   ‘’Liquid Crystals’’, I.-C. Khoo, Wiley-Interscience; 2nd Edition, (2007).  

βαθμός 100% Τελική Γραπτή Εξέταση 100% Επεξεργασία Θέματος ( παρουσίαση και εξέταση)

Ευχαριστώ!