Doktorska disertacija
Raziskava fotoizomerizacije tekočih kristalov v neomejeni in omejeni geometriji z jedrsko magnetno resonanco
Ogledi: 5 | Prenosi: 8
Povzetek
Z metodo jedrske magnetne resonance smo preučili značilnosti fazne separacije fotoizomerizabilnega
tekočega kristala diheptilazobenzena (7AB). Pri obsevanju z UV svetlobo se del
podolgovatih trans molekul pretvori v upognjene cis molekule, zato nastane binarna trans-
7AB/cis-7AB mešanica. Pokazali smo, da lahko koncentracijo obeh komponent dinamično
spreminjamo z UV stimulirano trans-cis fotoizomerizacijo in s termično cis-trans relaksacijo. Do
sedaj težko določljivi fazni diagram v odvisnosti od temperature in koncentracije smo določili s
primerjalno analizo obnašanja materiala v neomejeni geometriji, v ploščati celici ter v omejeni
geometriji Anopore membran.
Podrobne informacije o mešanju ter segregaciji izotropne in nematske faze smo pridobili
z uporabo posebej prirejene sonde za JMR devterija, ki je omogočala osvetljevanje vzorca
med meritvami. V nematski fazi so bili spektri z devterijem selektivno označenega fotoizomeriziranega
7AB sestavljeni iz dveh parov vrhov, ki sta ustrezala orientacijsko urejenim trans
ter orientacijsko urejenim cis molekulam. Temperaturne profile ureditvenih parametrov obeh
komponent smo določili iz temperaturno odvisnih frekvenčnih razcepov obeh parov vrhov. Pri
tem smo upoštevali povprečno kvadrupolno frekvenco nQ = 53 kHz, ki je bila izmerjena iz
praškastega spektra kristalnega 7AB. V izotropni fazi smo v JMR spektru 7AB v neomejeni
geometriji zaznali ozko centralno črto.
Da bi se izognili težavam zaradi nehomogenosti, ki je posledica neenakomerne osvetlitve
vzorcev neomejene geometrije, smo 7AB konfinirali v cilindrične kanale Anopore membran.
Zaradi ploščate geometrije membran se da material na enostaven način enakomerno osvetliti,
zato je koncentracija znotraj vzorca homogena. V konfiniranih vzorcih smo opazili majhen
razcep izotropne centralne črte, ki je posledica urejanja zaradi vpliva površine. Podobno kot v
nematski fazi smo razcep lahko regulirali s spreminjanjem temperature ali koncentracije.
Fazni diagram v odvisnosti od temperature in koncentracije smo določili z meritvami med
termično cis-trans relaksacijo, saj takrat izločimo vpliv segrevanja vzorca zaradi neresonančne
absorpcije svetlobe. Glede na to, da je karakterističen čas termične relaksacije nekaj ur, smo lahko
meritve JMR devterija izvajali v kvaziravnovesnem stanju. Ugotovili smo, da se koncentracija
cis molekul zmanjšuje eksponentno s časom. Pri tem so karakteristični razpadni časi termično
aktivirani z aktivacijsko energijo Ea = 0:68 eV. Mejne črte, ki ločijo nematsko in izotropno fazo
od koeksistenčnega območja faz, so v faznem diagramu jasno razvidne.
Meritve smo fenomenološko modelirali z razširjeno Landau-de Gennes-ovo teorijo. Pri tem
smo upoštevali, da so členi v prosti energiji odvisni od koncentracije ter da se lahko ureditveni
parameter prostorsko spreminja. Tako smo pojasnili eksperimentalno opažene značilnosti
nematskega in površinsko induciranega ureditvenega parametra, vključno z mejnimi črtami v
faznem diagramu. Teorija napoveduje ravne izonematske črte v faznem diagramu, kar je bilo
tudi eksperimentalno potrjeno. Fotoizomeriziran konfiniran 7AB se termodinamsko obnaša kot
običajen binarni nematik. Ne glede na to ima pomembno prednost, saj lahko koncentracijo
komponent dinamično spreminjamo z UV osvetlitvijo. Na ta način lahko enostavno dostopamo
do poljubne točke v faznem diagramu.