Μελέτη της επίδρασης επιφάνειο-δραστικοποιημένων νανοσφαιρών, νανοδισκίων και νανοράβδων στη θερμοδυναμική σταθερότητα, την τάξη και τις ηλεκτρο-οπτικές ιδιότητες νανοδομημένων νηματικών υγροκρυσταλλικών υλικών

Abstract

The recent discovery of the twist-bend nematic phase (N_tb) is regarded as a significant milestone in the field of liquid crystal research. Achiral molecules spontaneously self-organize into a twist-bend structure, forming chiral helical domains. With a nanoscale pitch and ultrafast response to electric fields, the N_tb-phase shows great potential for applications in photonics, sensors, electro-optical devices, and metamaterials. Over the past decade, a large number of mesogenic compounds and mixtures displaying the N_tb-phase have been synthesized and investigated. In contract, the impact of nanoparticles on the microstructure and the properties of this phase has not been explored. This thesis investigates, for the first time, the effect of nanoparticle’s geometry and chemical composition on the thermodynamic and electro-optical properties of the liquid crystal CB9CB, which exhibits the achiral nematic phase (N_u) and the N_tb-phase over a wide temperature range. Nanocomposites of CB9CB with hydroxyapatite (HAp) nanorods, CuFeS_2 nanoplatelets and CdSe/ZnS quantum dots were prepared and studied as a function of temperature, nanoparticle mass fraction and electric field. The phase diagrams of all hybrid systems show a significant decrease in the phase transition temperatures. In the N_u-phase of the nanocomposites with quantum dots and nanoplatelets, the voltage threshold (V_th) of the Fréedericksz second-order transition and the switching times increase compared to the pure liquid crystal, whereas in the CB9CB-HAp system, V_th decreases. In the N_tb-phase, the transition exhibits a hysteresis loop; it becomes a first-order transition, while V_th increases by an order of magnitude for all systems. The analysis of Vth, using a phenomenological model we developed, estimated the elastic constant of the heliconical structure, which is not destroyed during the structural transition. From the birefringence measurements, the orientational order parameter of all hybrid systems, in both nematic phases, was calculated, and the dependance of the critical exponent β and the conical angle θ of the nanohelix on the nanoparticle’s presence was investigated. Furthermore, the role of the quantum dots’ size in the properties of the N_u-phase of the liquid crystal 8CB was investigated and the anchoring energy at the quantum dots, as well as, the cell surfaces was measured. Finally, the effect of cell thickness on the electro-optical properties of the two nematic phases was investigated.

Η πρόσφατη ανακάλυψη της ελικο-κωνικής (twist-bend) νηματικής φάσης (N_tb), αποτελεί ορόσημο στην επιστήμη των υγρών κρυστάλλων. Αχειρόμορφα μόρια οργανώνονται σε μια ελικοκωνική δομή σχηματίζοντας χειρόμορφες περιοχές. Με βήμα έλικας της τάξης των μερικών νανομέτρων και τάχιστη απόκριση στο ηλεκτρικό πεδίο, η N_tb-φάση προσφέρεται για εφαρμογές στη φωτονική, αισθητήρες, ηλεκτρο-οπτικές διατάξεις, μεταϋλικά. Τα τελευταία δέκα χρόνια, έχει μελετηθεί μεγάλος αριθμός μεσογόνων μορίων, καθώς και μείγματα αυτών, που εμφανίζουν την Ntb-φάση, όμως, δεν έχει διερευνηθεί η επίδραση νανοσωματιδίων στην δομή και τις ιδιότητές της. Στην παρούσα διπλωματική διατριβή μελετάται για πρώτη φορά η επίδραση νανοσωματιδίων (ΝΣ) διαφορετικής γεωμετρίας και χημικής σύνθεσης στη θερμοδυναμική και στις ηλεκτρο-οπτικές ιδιότητες του υγρού κρυστάλλου CB9CB, ο οποίος εμφανίζει την αχειρόμορφη νηματική φάση (N_u) και την N_tb-φάση σε μεγάλο θερμοκρασιακό εύρος. Παρασκευάστηκαν και μελετήθηκαν - συναρτήσει της θερμοκρασίας, του κλάσματος μάζας των ΝΣ και του ηλεκτρικού πεδίου - νανοσύνθετα συστήματα του CB9CB με νανοκυλίνδρους υδροξυαπατίτη (HAp), νανοπλακίδια CuFeS_2 και κβαντικές τελείες CdSe/ZnS. Στα πειραματικά διαγράμματα φάσης όλων των υβριδικών συστημάτων εμφανίζεται αξιοσημείωτη μείωση των θερμοκρασιών αλλαγής φάσης. Στην N_u-φάση των υβριδικών συστημάτων με κβαντικές τελείες και νανοπλακίδια, η τάση κατωφλίου (V_th) της μετάβασης 2ης τάξης του Fréedericksz και οι χαρακτηριστικοί χρόνοι απόκρισης αυξάνονται σε σύγκριση με τον καθαρό υγρό κρύσταλλο. Στο σύστημα CB9CB-HAp, η V_th μειώνεται. Στην N_tb-φάση η μετάβαση εμφανίζει βρόγχο υστέρησης, δηλαδή γίνεται 1ης τάξης, ενώ η V_th αυξάνεται κατά μια τάξη μεγέθους για όλα τα συστήματα. Η ανάλυση της V_th, με ένα φαινομενολογικό μοντέλο που αναπτύξαμε, έδωσε μια εκτίμηση της ελαστικής σταθεράς της ελικο-κωνικής δομής η οποία δεν καταστρέφεται κατά την δομική μετάβαση. Από τις μετρήσεις διπλοθλαστικότητας, υπολογίστηκε η παράμετρος τάξης προσανατολισμού όλων των υβριδικών συστημάτων και στις δύο νηματικές φάσεις, και διερευνήθηκε η εξάρτηση από την παρουσία ΝΣ του κρίσιμου εκθέτη β καθώς και της κωνικής γωνίας θ της νανο-έλικας. Επιπλέον, διερευνήθηκε ο ρόλος του μεγέθους των κβαντικών τελειών στις ιδιότητες της N_u-φάσης του υγρού κρυστάλλου 8CB, μετρήθηκε η ενέργεια αγκυροβόλησης στις κβαντικές τελείες καθώς και στις επιφάνειες της κυψελίδας. Τέλος, διερευνήθηκε η επίδραση του πάχους της κυψελίδας στις ηλεκτρο-οπτικές ιδιότητες των δύο νηματικών φάσεων.