Επιστήμη των Υλικών Ενότητα Ε: Χρώμα Κεφάλαιο Ε-4: Χρώμα από συμβολή Όνομα Καθηγητή: Αικατερίνη Πομόνη Τμήμα Φυσικής

Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς.

Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Πατρών» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.

Σκοποί ενότητας Κατανόηση του χρώματος που οφείλεται σε φράγματα συμβολής

Περιεχόμενα ενότητας Φράγμα συμβολής Οπάλιο- φυσικό φράγμα συμβολής Υγροί κρύσταλλοι

ΕΠΙΣΤΗΜΗ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΧΡΩΜΑ ΕΠΙΣΤΗΜΗ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΧΡΩΜΑ ATOMIKH KAI MOΡΙΑΚΗ ΠΡΟΕΛΕΥΣΗ ΤΟΥ

ΧΡΩΜΑ ΟΦΕΙΛΟΜΕΝΟ ΣΕ ΣΥΜΒΟΛΗ Η συμβολή και η σκέδαση φωτεινών κυμάτων μπορούν μαζί να δημιουργήσουν χρώματα στην περίπτωση φραγμάτων συμβολής, τα οποία έχουν πολλές μικρές σχισμές μεγέθους της τάξης του μήκους κύματος του φωτός Το φως περνάει από τις σχισμές και σκεδάζεται προς όλες τις κατευθύνσεις Τα οπτικά φαινόμενα δημιουργούνται από ενισχυτική και αποσβεστική συμβολή

Το διάγραμμα του Thomas Young (1803) για τη συμβολή φωτός από δύο λεπτές σχισμές

Για μεγάλο αριθμό σχισμών, το φως που προέρχεται από γειτονικές σχισμές μπορεί να συμβάλλει ενισχυτικά ή αποσβεστικά Για φως με συγκεκριμένο μήκος κύματος λ υπάρχουν γωνίες για τις οποίες η συμβολή είναι είτε πλήρως ενισχυτική είτε πλήρως αποσβεστική. Οι γωνίες αυτές εξαρτώνται από το λ και την απόσταση d μεταξύ των σχισμών dsinθ=kλ με k=±0, 1, 2, 3, …

Όταν προσπίπτει φως σε φράγμα συμβολής, κάθε μήκος κύματος διερχόμενο (ή ανακλώμενο) από τις σχισμές ενισχύεται σε συγκεκριμένες διευθύνσεις Έτσι εάν περιστραφεί το φράγμα προς διαφορετικές διευθύνσεις εμφανίζονται, στις ίδιες θέσεις, διαφορετικά μήκη κύματος. Με τον τρόπο αυτό λειτουργεί ο μονοχρωμάτορας δηλ. μια συσκευή που παράγει μονοχρωματικό φως

Ένας απλός τρόπος κατασκευής ενός φράγματος συμβολής είναι η χάραξη, σε ίσες αποστάσεις, λεπτών και ισοπαχών χαραγών στην επιφάνεια μίας γυάλινης πλάκας

Φυσικό φράγμα συμβολής είναι ο ημιπολύτιμος λίθος οπάλιο Πηγή: wikipedia, by Greg L

Το κοινό οπάλιο είναι άμορφο (SiO2 Το κοινό οπάλιο είναι άμορφο (SiO2.nH2O), αλλά σε κάποιες μορφές του υπάρχει «μικροδομή», η οποία αποτελείται από σφαίρες SiO2, ανάμεσα στις οποίες παρεμβάλλεται μικρή ποσότητα νερού (3-21% νερό) σχηματίζοντας πλέγμα τριών διαστάσεων με σταθερά πλέγματος περίπου 250 Å Κατά τη διέλευση φωτός από αυτό το «φράγμα», εμφανίζονται «καθαρά» χρώματα διαφορετικών μηκών κύματος (ανάλογα με τη γωνία όρασης, ή την κίνηση του λίθου) λόγω της περίθλασης στις διαφορετικές μικροσκοπικές «οργανωμένες» περιοχές

Το χρώμα τους εξαρτάται από το μέγεθος των σφαιρών και των κενών που δημιουργούνται μεταξύ τους. Μικρές σφαίρες (<150 nm) δίνουν χρώμα μπλε και ιώδες ενώ μεγαλύτερες σφαίρες (<350 nm) δίνουν πορτοκαλί και κόκκινο. Αν μετακινήσουμε το λίθο, το φως πέφτει στις σφαίρες με διαφορετική γωνία και το χρώμα που αντιλαμβανόμαστε αλλάζει. Έτσι τα οπάλια εμφανίζονται να είναι άχρωμα, λευκά, μπλε, γκρι, κόκκινα, κίτρινα, καφέ και μαύρα. Πηγή: flickr Πηγή: viralnova, by Sara Heddleston

Οπάλιο της φωτιάς (Αυστραλία και Κεντρική Αμερική) Πηγή: wikimedia, by Ra'ike Πηγή: wikimedia, by Ra'ike Από την Αυστραλία Όταν βραχεί και το δεις από συγκεκριμένη γωνία Πηγή: viralnova, by Sara Heddleston

Ένα άλλο πολύ σημαντικό παράδειγμα παραγωγής χρωμάτων από φράγματα συμβολής είναι οι Υγροί Κρύσταλλοι (ΥΚ): μία περίεργη μορφή της ύλης, η οποία προσήλκυσε το ενδιαφέρον των επιστημόνων ήδη από τα τέλη του 19ου αιώνα. Μόλις όμως προς το τέλος του 20ου αιώνα η βιομηχανία των ΥΚ γιγαντώθηκε με αποτέλεσμα να έχουμε πληθώρα εφαρμογών Αποτελούν ένα πολύ σημαντικό πεδίο έρευνας για επιστήμονες, όπως μηχανικούς, φυσικούς, χημικούς, βιολόγους, γιατρούς και φαρμακοποιούς

Η ύλη τους έχει ιδιότητες μεταξύ ενός συμβατικού υγρού και ενός στερεού κρυστάλλου Μπορεί να ρέει όπως ένα υγρό, αλλά τα μόρια τους έχουν διάταξη και/ή προσανατολισμό όπως και τα κρυσταλλικά υλικά Πηγή: wikimedia,

Για πολλά υγροκρυσταλλικά υλικά, οι υγροκρυσταλλικές φάσεις, γνωστές και σαν μεσοφάσεις, εμφανίζονται μεταξύ κάποιων θερμοκρασιών, θερμοκρασίες στις οποίες τα υλικά είναι κανονικά υγρά και στερεοί κρύσταλλοι. Για κάποια άλλα είναι οι συγκεντρώσεις των συστατικών τους που καθορίζουν τις φάσεις. Πολλά βιολογικά υλικά, όπως μεμβράνες κυττάρων, εμφανίζουν υγροκρυσταλλική συμπεριφορά. Οι υγροί κρύσταλλοι είναι ρευστά που εμφανίζουν αταξία τουλάχιστον σε μια από τις τρεις διαστάσεις του χώρου και κάποια τάξη στο μοριακό τους προσανατολισμό τουλάχιστον σε μια διεύθυνση.

ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ ΥΓΡΩΝ ΚΡΥΣΤΑΛΛΩΝ Ανάλογα με τη θερμοδυναμική παράμετρο (θερμοκρασία ή συγκέντρωση διαλύματος) που μεταβάλλεται για να επιτευχθεί η μετατροπή σε υγροκρυσταλλική κατάσταση ταξινομούνται σε: Θερμοτροπικοί (ευαίσθητοι στη θερμοκρασία) Λυοτροπικοί (είναι μίγματα δυο ή περισσοτέρων συστατικών που αλλάζουν φάση με την αλλαγή της συγκέντρωσης) Αμφιτροπικοί (η υγροκρυσταλλική κατάσταση μπορεί να επιτευχθεί και με τη μεταβολή στη θερμοκρασία και με τη μεταβολή στη συγκέντρωση)

Ανάλογα με το είδος της μοριακής τάξης: Νηματικοί (τάξη ως προς τον προσανατολισμό των αξόνων των μορίων τους κατά μια προεξάρχουσα διεύθυνση αλλά αταξία ως προς τις θέσεις τους) Σμηκτικοί (επιπλέον τάξη ως προς τις θέσεις σε μια διάσταση) Κιονικοί (επιπλέον τάξη ως προς τις θέσεις σε δυο διαστάσεις)

Νηματικοί Σμηκτικοί Πηγή: wikipedia, Πηγή: wikimedia, Κοινή διεύθυνση αξόνων μορίων Τάξη και ως προς τις θέσεις σε μία διάσταση. Οι θέσεις των μορίων δηλαδή σχηματίζουν επίπεδες στοιβάδες Κιονικοί Τάξη ως προς τις θέσεις σε δύο διαστάσεις. Οι θέσεις των μορίων σχηματίζουν ευθύγραμμες στήλες (κίονες) και οι στήλες αυτές διατάσσονται παράλληλα μεταξύ τους

Tα μόρια ορισμένων YK είναι λεπτά και επιμήκη (calamitic LC), ενώ άλλων σχηματίζουν δίσκους (discotic LC) Μερικοί νηματικοί ΥΚ εμφανίζουν το φαινόμενο της στροφής του επιπέδου πολώσεως του φωτός που διέρχεται από αυτούς (χοληστερικοί ΥΚ) Στο μικροσκόπιο, με τη χρήση πολωμένου φωτός παρουσιάζουν συγκεκριμένη υφή. Σε κάθε μικροσκοπική περιοχή αυτής της υφής τα μόρια είναι σχεδόν προσανατολισμένα σε κάποια διεύθυνση, μακροσκοπικά όμως ο προσανατολισμός είναι τυχαίος.

Πηγή: wikimedia by Panja-San Έχουν ελικοειδή δομή. Οργανώνονται σε στρώματα μέσα στα οποία έχουν κοινό προσανατολισμό που όμως μεταβάλλεται από στρώμα σε στρώμα.

Η εμφάνιση χρώματος οφείλεται στην αρχή του «φράγματος περιθλάσεως» λόγω της σχετικής μεταξύ τους θέσης Η αλλαγή της θερμοκρασίας μεταβάλλει τις απο- στάσεις μέσα στους ΥΚ, η αλλαγή δε αυτή προκαλεί και μεταβολή του χρώματος «Θερμοχρωμισμός» ►► η αλλαγή του χρώματος με τη θερμοκρασία Μείωση της θερμοκρασίας, μετατοπίζει σταδιακά το ανακλώμενο φως από το ιώδες προς το κόκκινο και τελικά στο άχρωμο

Μία από τις πρώτες εφαρμογές των ΥΚ βασίστηκε στην εξάρτηση του χρώματος λεπτών υμενίων χοληστερικών ΥΚ από τη θερμοκρασία. Χρησιμοποιήθηκαν για να ανιχνεύουν μικρές αλλαγές στη θερμοκρασία, όπως: ανίχνευση ανωμαλιών στη κυκλοφορία του αίματος, αλλαγές του μεταβολισμού εξ αιτίας καρκίνου του μαστού, ανίχνευση διαρροών σε φούρνους μικροκυμάτων

H τάξη στον προσανατολισμό των ΥΚ μπορεί εύκολα να ελεγχθεί με την εφαρμογή: ασθενών μαγνητικών, ηλεκτρικών ή οπτικών πεδίων. Έτσι οδηγούμαστε σε εντυπωσιακά μαγνητο-οπτικά, ηλεκτρο-οπτικά και οπτικο-οπτικά φαινόμενα Ευρύτατη εφαρμογή στις «οθόνες υγρών κρυστάλλων»: ρολόγια χεριού, στους υπολογιστές τσέπης και, κυρίως, στις επίπεδες οθόνες των φορητών υπολογιστών και τις σύγχρονες τηλεοράσεις (ηλεκτρο-οπτικά φαινόμενα)

Στην εφαρμογή αυτή εκμεταλλευόμαστε την επίδραση οπτικών πεδίων και οι προκύπτουσες «μη γραμμικές οπτικές ιδιότητες» έχουν μεγάλη σημασία στους οπτικούς διακόπτες και άλλες φωτονικές διατάξεις που αναμένεται να φέρουν επανάσταση στο χώρο της τεχνολογίας της πληροφορικής.

Σημείωμα χρήσης έργων τρίτων Το υλικό της παρουσίασης προέρχεται από τις προσωπικές σημειώσεις και το υλικό παρουσιάσεων του μαθήματος όπως δημιουργήθηκαν από την Αν. Καθηγήτρια κ. Αικατερίνη Πομόνη. Οι εικόνες, τα σχήματα και οι φωτογραφίες είναι δημιουργήματα της συγγραφέως, εκτός αν αναγράφεται διαφορετικά στις αντίστοιχες παραπομπές. Οι ιστότοποι προέλευσης όσων αναφέρονται ήταν ενεργοί κατά την 21η Ιουλίου 2015 οπότε και καταχωρήθηκαν οι παραπομπές.

Σημείωμα αναφοράς Copyright Πανεπιστήμιο Πατρών, Αικατερίνη Πομόνη. «Επιστήμη των Υλικών. Ενότητα Ε-4». Έκδοση: 1.0. Πάτρα 2015. Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: https://eclass.upatras.gr/courses /PHY1947/

Σημείωμα αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά, Μη Εμπορική Χρήση, Παρόμοια Διανομή 4.0 [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». [1] http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/ Ως Μη Εμπορική ορίζεται η χρήση: •που δεν περιλαμβάνει άμεσο ή έμμεσο οικονομικό όφελος από την χρήση του έργου, για το διανομέα του έργου και αδειοδόχο •που δεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση στο έργο •που δεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου και αδειοδόχο έμμεσο οικονομικό όφελος (π.χ. διαφημίσεις) από την προβολή του έργου σε διαδικτυακό τόπο Ο δικαιούχος μπορεί να παρέχει στον αδειοδόχο ξεχωριστή άδεια να χρησιμοποιεί το έργο για εμπορική χρήση, εφόσον αυτό του ζητηθεί.

Διατήρηση σημειωμάτων Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει να συμπεριλαμβάνει: το Σημείωμα Αναφοράς το Σημείωμα Αδειοδότησης τη δήλωση Διατήρησης Σημειωμάτων το Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (εφ’ όσον υπάρχει). Τέλος Ενότητας