Wpływ sieci polimerowej na stabilność struktury helikonikalnej w ciekłokrystalicznej fazie ferro- i antyferroelektrycznej

• Autorzy: Szarek Michał , Topyła Ewa , Dmochowska Ewelina , Czerwiński Michał

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0054.7911

Warianty tytułu

EN

Influence of the polymer network on the stability of the heliconical structure in the ferro- and antiferroelectric liquid crystalline phases

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Wykorzystywanie sieci polimerowej do stabilizacji chiralnych materiałów ciekłokrystalicznych (ChCK), które mogą znaleźć zastosowanie w urządzeniach elektrooptycznych i fotonicznych, staje się coraz powszechniejsze. Ustabilizowanie struktury helikonikalnej ChCK za pomocą sieci polimerowej polega na uformowaniu przestrzennej matrycy polimerowej w medium ciekłokrystalicznym. Sieć polimerowa działa jak swoiste rusztowanie dla cząsteczek ciekłego kryształu, co powoduje usztywnienie helisy w konkretnym, pożądanym stanie. Ten sposób stabilizacji helisy był do tej pory stosowany głównie w chiralnych nematycznych ciekłych kryształach. Skuteczne ustabilizowanie polimerem helisy w chiralnych smektycznych ciekłych kryształach mogłoby pozwolić na wyeliminowanie głównej wady tych materiałów, czyli zmianę ich parametrów użytkowych w efektach elektrooptycznych bazujących na deformacji helisy, wraz ze zmianą temperatury. Głównym parametrem charakteryzującym strukturę helikonikalną jest jej skok, którego wartość zmienia się gwałtownie wraz ze zmianą temperatury w większości smektycznych ciekłych kryształów, co z kolei przekłada się na wyżej wymienione wady. Ustabilizowanie polimerem powinno przełożyć się na stabilność temperaturową soku helisy i reszty parametrów materiałowych. W tej pracy przedstawione są wyniki zależności skoku helisy od temperatury przed procesem i po procesie polimeryzacji materiału ciekłokrystalicznego z fazą antyferroelektryczną. Do badań użyto czterofunkcyjnego monomeru strukturalnie kompatybilnego ze składnikami mieszaniny antyferroelektrycznej oraz, dla porównania, monomeru komercyjnie dostępnego o odmiennej budowie strukturalnej. Wyniki badań wskazują, że ustabilizowanie struktury helikonikalnej jest łatwiejsze po użyciu monomeru bardziej kompatybilnego strukturalnie z bazowym materiałem ciekłokrystalicznym, przy jednoczesnym zachowaniu jednorodności uporządkowania struktury helikonikalnej i szerokiego zakresu temperaturowego występowania fazy antyferroelektrycznej.

EN

The use of polymer networks to stabilise chiral liquid crystalline materials (ChLC), which can find applications in electro-optical and photonic devices, is becoming increasingly common. Stabilising the heliconical structure of a ChLC using a polymer network involves forming a spatial polymer matrix in a liquid crystal medium. The polymer network acts as a kind of scaffold for the liquid crystal molecules, resulting in the helix being stiffened in a particular desired state. This method of helix stabilisation has been mainly used in chiral nematic liquid crystals so far. Effective stabilising the helix with a polymer in chiral smectic liquid crystals could eliminate the main drawback of these materials, i.e., the change in their performance, in electro-optical effects based on the deformation of the helix, with a change in temperature. The main parameter characterising the heliconical structure is its pitch, whose value changes rapidly with temperature change, in most smectic liquid crystals, which in turn translates into the above-mentioned drawbacks. Stabilisation with the polymer should translate into temperature stability of the helical pitch and the rest of the material parameters. This paper presents the results of the temperature dependence of the helical pitch before and after polymerisation of a liquid crystal material with an antiferroelectric phase. A tetrafunctional monomer structurally compatible to the components of the antiferroelectric mixture and, for comparison, a commercially available monomer with a different structure were used in the study. The results relevant that stabilisation of the heliconical structure is easier after the use of a monomer more structurally compatible to the components of parent liquid crystal material, while maintaining homogeneity of the heliconical structure ordering and a wide temperature range of the antiferroelectric phase occurrence.

Słowa kluczowe

PL

ciekłe kryształy; faza antyferroelektryczna; skok helisy; polimeryzacja

EN

liquid crystals; antiferroelectric phase; helical pitch; polymerization

• Wydawca: Wojskowa Akademia Techniczna im. Jarosława Dąbrowskiego
• Czasopismo: Biuletyn Wojskowej Akademii Technicznej
• Rocznik: 2023
• Tom: Vol. 72, nr 4
• Strony: 55--72
• Opis fizyczny: Bibliogr. 27 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Szarek Michał

• Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Nowych Technologii i Chemii, ul. gen. S. Kaliskiego 2, 00-908 Warszawa

• https://orcid.org/0000-0003-1963-5367

autor

Topyła Ewa

• Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Nowych Technologii i Chemii, ul. gen. S. Kaliskiego 2, 00-908 Warszawa

autor

Dmochowska Ewelina

• Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Nowych Technologii i Chemii, ul. gen. S. Kaliskiego 2, 00-908 Warszawa

• https://orcid.org/0000-0003-4563-3082

autor

Czerwiński Michał

• Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Nowych Technologii i Chemii, ul. gen. S. Kaliskiego 2, 00-908 Warszawa

• https://orcid.org/0000-0002-9961-535X

Bibliografia

• [1] Ratajczyk F., Dwójłomność i polaryzacja optyczna, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2000.
• [2] Mertellucci S., Chester A. N., Phase Transition in Liquid Crystals, NATO AI Series, Series B: Physics, 1992.
• [3] Chen Xi, Korblova E., Dong D., Wei X., Renfan Shao, Radzihovskyb L., Glaser M. A., Maclennan J. E., Bedrov D., Walba D. M., Clark N. A., First-principles Experimental Demonstration of Ferroelectricity in a Thermotropic Nematic Liquid Crystal: Polar Domains and Striking Electro-Optics, PNAS, 117, 25, 2020, 14021-14031.
• [4] Ye Y., Guo L., Zhong T., A Review of Developments in Polymer Stabilized Liquid Crystals, Polymers, 15, 13, 2023, 2962.
• [5] Dmochowska E., Herman J., Czerwiński M., Stulov S., Bubnov A., Kula P., Self-assembling Behaviour of Chiral Calamitic Monoacrylates Targeted for Polymer Stabilisation of Polar Smectic Phases in Chiral Liquid Crystals, J. Mol. Liq., 331, 2021, 115723.
• [6] Liu Z. D., Luo D., Yang K. L., Monitoring the Two-dimensional Concentration Profile of Toluene Vapors by Using Polymer-stabilized Nematic Liquid Crystal in Microchannels, Lab Chip, 20, 2020, 1687-1693.
• [7] Hicks S. E., Hurley S. P., Yang Y. C., Yang D. K., Electric Polarization Frozen by a Polymer Network in Nematic Liquid Crystals, Soft Matter, 9, 2013, 3834-3839.
• [8] Radka B. P., Pande G. K., White T. J., The Contribution of Network Elasticity to Electro-optic Response in Polymer Stabilized Cholesteric Liquid Crystals, Soft Matter, 19, 2023, 4634-4641.
• [9] Kikuchi H., Yokota M., Hisakado Y., Yang H., Kajiyama T., Polymer-Stabilized Liquid Crystal Blue Phases, Nat. Mater., 1, 2002, 64-68.
• [10] Czerwiński M., Urbańska M., Bennis N., Rudquist P., Influence of the Type of Phase Sequence and Polymer-stabilization on the Physicochemical and Electro-optical Properties of Novel High-tilt Antiferroelectric Liquid Crystalline Materials, J. Mol. Liq., 288, 2019, 111057.
• [11] Czerwiński M., Autoreferat do wniosku habilitacyjnego, Wydział Nowych Technologii i Chemii, Wojskowa Akademia Techniczna, Warszawa 2021.
• [12] Guo Q., et al., Fast Electrooptical Mode in Photoaligned Reflective Deformed Helix Ferroelectric Liquid Crystal Cells, Opt. Lett., 37, 12, 2012, 2343-2345.
• [13] Pozhidaev E. P. et al., Ultrashort Helix Pitch Antiferroelectric Liquid Crystals Based on Chiral Esters of Terphenyldicarboxylic Acid, J. Mater. Chem. C, 4, 2016, 10339.
• [14] Brodzeli Z. et al., Sensors at Your Fibre Tips: A Novel Liquid Crystal Based Photonic Transducer for Sensing Systems, J. Light. Technol., 31, 17, 2013, 2940-2946.
• [15] Firth J. et al., Accurate Optical Measurement of High Voltage Waveform Using Novel Optical Liquid Crystal Based Sensor, Sens. Actuator A Phys., 268, 2017, 164-172.
• [16] Firth J., Ladouceur F., Brodzeli Z., Wyres M., Silvestri L., A Novel Optical Telemetry System Applied Toflowmeter Networks, Flow. Meas. Instrum., 48, 2016, 15-19.
• [17] Firth J., Ladouceur F., Brodzeli Z., Bruin C., Wang H., Silvestri L., Liquid Crystal Based Optical Telemetry Applied to 4-20 mA Current Loop Networks, Sens. Actuator A Phys., 260, 2017, 124-130.
• [18] Abed al A., Srinivas H., Firth J., Ladouceur F., Lovell N. H., Silvestri L., A Biopotential Optrode Array: Operation Principles and Simulations, Sci. Rep., 8, 2018, 2690.
• [19] Tykarska M., Czerwiński M. Miszkurka, J., Influence of Temperature and Terminal Chain Lenght on Helical Pitch in Homologue Series nH6Bi, Liq. Cryst., 37, 4, 2010, 487-495.
• [20] Drzewicz A., Tykarska M., Szala M., Żurowska M., Wpływ struktury molekularnej na strukturę helikonikalną i na charakter widm NMR chiralnych estrów ciekłokrystalicznych, Biuletyn WAT, 66, 2, 2017, 25-35.
• [21] Furue H., Hamano D., Hatano J., Polymer Stabilization of Helical Structure in Ferroelectric Liquid Crystals, Jpn. J. Appl. Phys., 45, 9, 2006, 7535-7537.
• [22] Furue H., Umeno E., Hatano J., Temperature Dependence of Helical Structure of Polymer-Stabilized Antiferroelectric Liquid Crystals, Mol. Cryst. Liq. Cryst., 437, 2005, 203-209.
• [23] Kakinuma D., Kuramachi H., Furue H., Control of Helical Structure in Ferroelectric Liquid Crystals Utilizing Polymer Stabilization, J. Photopolym. Sci. Tec., 22, 4, 2009, 537-540.
• [24] Belyakov V. A., Vladimir E. D., Orlov V. P., Optics of Cholesteric Liquid Crystals, Sov. Phys. Usp., 22, 2, 1979, 64-88.
• [25] Tykarska M., Czerwiński M., Żurowska M., The Temperature and Concentration Dependence of Helical Pitch in the Mixtures of Antiferroelectric Compounds with the Opposite Helical Twist Sense, Liq. Cryst., 38, 5, 2011, 561-566.
• [26] Kuczyński W., Lagerwall S., Matuszczyk M., Skarp K., Stebler B., Wahl J., Fast-switching Low-temperature Liquid Crystal Mixture, Mol. Cryst. Liq. Cryst., 146, 1987, 173-187.
• [27] Herman J., Dmochowska E., Czerwiński M., Synthesis of New Chiral Mono- and Diacrylates for Ferro- and Antiferroelectric Liquid Crystals, J. Mol. Liq., 271, 2018, 353-360.