Katholieke Universiteit Nijmegen

Publicatie over gedrag vloeibare kristallen

Nijmeegse natuurkundigen in Nature

Het gedrag van vloeibare kristalmoleculen in de buurt van een wand of oppervlak is interessant van-wege fundamentele problemen op het gebied van oppervlaktefaseovergangen. Vloeibare kristallen zijn ook van groot praktisch belang voor toepassingen zoals in de bekende LCD's (Liquid Crystal Dis-plays). Vanwege de enorme markt voor LCD-toepassingen (denk aan laptops, horloges, reclame bor-den, tv-schermen etc.) wordt er wereldwijd - vooral in Japan en bij Philips in Nederland - erg veel on-derzoek naar gedaan. Daarbij speelt de interactie van de vloeibare kristalmoleculen met het oppervlak een essentiële rol. Nijmeegse natuurkundigen zijn erin geslaagd om met een mengsel van vloeibare kristallen een opper-vlaktefaseovergang waar te nemen. Ze hebben vastgesteld dat die overgang zowel kwalitatief als kwantitatief sterk afhangt van het oppervlak en de interactie tussen de vloeibare kristallen en het op-pervlak. De metingen laten verder zien dat dit kritische gedrag zich afspeelt op het niveau van één moleculaire laag, wat zichtbaar gemaakt kan worden met behulp van een zeer gevoelige experimente-le opstelling. De natuurkundigen publiceren hun metingen in het wetenschappelijk tijdschrift Nature van 9 januari 2003.

Bijzondere combinatie van eigenschappen
Vloeibare kristallen vormen een fascinerende klasse van materialen. Ze danken hun bijzondere eigenschappen - de combinatie van isotropie (vloeistof) en anisotropie (normaliter verbonden met kristallaire structuur) - aan de sterk anisotrope vorm van de individuele moleculen. Deze zijn meestal sigaar-vormig en hebben de neiging om zich parallel aan elkaar te oriënteren in de vloeistoffase. Daardoor krijgen ze anisotrope eigenschappen, denk daarbij aan een school dicht op elkaar zwemmende haringen. Deze ordening geeft ze ook een sterke optische anisotropie. Deze eigenschap, en het feit dat de ordening met behulp van vrij kleine spanningen (een paar volt) veranderd kan worden, maakt de vloeibare kristallen interessant voor displaytoepassingen.

Experimenten in magneetvelden
In een display zitten de vloeibare kristalmoleculen opgesloten. De interactie van de moleculen met de wanden leidt tot een ordening in de buurt van de wand. Dat is als volgt te verklaren. Omdat de vloeibare kristalmoleculen zich niet alleen graag parallel aan elkaar, maar zich ook parallel aan de wanden oriënteren, is het voorstelbaar dat bij hogere temperaturen (het vloeibaar kristalmateriaal bevindt zich nog in de isotrope vloeistoffase) er dichtbij de wand al een ordening optreedt: vergelijkbaar met het condenseren van waterdamp op een ruit. Nu gebeurt dit pas enkele milligraden boven de bulkfaseovergang. Dat is het punt waarop de rest, het allergrootste deel van de moleculen condenseert in de vloeibaar kristalleine fase. Juist dit laatste heeft experimentele studies van dit gedrag tot nu toe erg bemoeilijkt.
De Nijmeegse natuurkundigen slaagden er in om de oppervlaktefaseovergang waar te nemen. Ze stelden vast dat die overgang zowel kwalitatief (1e of 2e orde faseovergang) als kwantitatief (het aantal graden boven de bulkovergang) sterk afhangt van het oppervlak en de interactie tussen vloeibare kristallen en het oppervlak. Door gebruik te maken van een mengsel van verschillende vloeibare kristallen werd dit effect duidelijk (vele graden) gescheiden van de bulk overgang.
Door het experiment in een sterk magneetveld te herhalen voor verschillende soorten oppervlakken, konden ze zowel de bulkinteractie van de moleculen (m.b.v. het magneetveld) alsook de molecuuloppervlakinteractie (met behulp van oppervlakte behandelingen) onafhankelijk variëren.

De onderzoekers
Marius Boamfa en Mee Whi Kim, zijn verbonden aan de onderzoeksgroep Experimentele Vaste-stoffysica II, ondergebracht in het NSRIM onderzoeksinstituut van de KU Nijmegen onder leiding van Theo Rasing, hoogleraar experimentele vaste-stoffysica. Jan-Kees Maan is hoogleraar experimentele vaste-stoffysica en directeur van het Nijmeegs Laboratorium voor Hoge Magneetvelden.
Het centrale thema van het NSRIM-onderzoek is de relatie tussen de eigenschappen en de structuur van materie, met name op moleculair niveau. De uiteindelijke doelstelling is het scheppen van nieuwe moleculaire structuren en materialen met vooraf gedefinieerde, gewenste eigenschappen. Het onderzoeksprogramma reikt van het ontwerpen en synthetiseren van specifieke moleculen en moleculaire structuren tot hoog-efficiënte zonnecellen en staal met diamantcoating voor een langere levensduur van industrieel gereedschap. Het nieuwe Laboratorium voor Hoge Magneetvelden in Nijmegen (magnetenlaboratorium) wordt medio juni worden geopend. 9-1-2003


* site Nature

* Illustratie onderzoek (pdf)