کریستال مایع و سطوح پلیمری

هم ترازی کریستال مایع توسط سطوح پلیمری مالشی: مدل جهت گیری پیوند میکروسکوپی

در این مقاله، از منشأ میکروسکوپی یک پدیدۀ ناشناخته به نام هم ترازی کریستال مایع نماتیک (LC) صحبت می کنیم که با قرار گرفتن روی سطح پلیمری مالشی، از واحدهای مولکولی میله مانند تشکیل شده است. پس از بررسی مختصر این پدیده و استفاده تکنولوژیکی از آن در نمایشگرهای صفحه تخت، در مورد استفاده از اسپکتروسکوپی جذب اشعه ایکس در نزدیکی لبه وابسته به قطبش حساس به سطح با هدف بررسی سطوح پلیمری مالشی بحث می کنیم. هدف از این ارزیابی ها، ارائه یک تصویر میکروسکوپی از منشأ فرایند هم ترازی است. در این مطالعه مشخص شد که مسیر جهت گیری LC با عدم تقارن در پیوندهای مولکولی همچون بار در سطح پلیمر مالشی تنظیم می شود. نتایج تجربی بدست آمده با یک تئوری کلی براساس پارامترهای ترتیب تانسور نیز توضیح داده می شوند که بیان می کند حداقل حالت انرژی برهمکنش بین LC و سطح پلیمر جهت یافته با حداکثر همپوشانی جهت توزیع بار ناهمسانگرد مربوط به آن مطابقت دارد.

با قرار گرفتن یک کریستال مایع نماتیک (LC) متشکل از مولکول های میله مانند هم تراز روی سطح پلیمری مالشی، نشان دهندۀ جهت گیری های درون صفحه ای و خارج از صفحه مولکول ها است. تراز درون صفحه ای آنها معمولآ با جهت مالش مطابقت دارد. میانگین زاویه شیب رو به بالای مولکول های میله مانند از سطح پلیمر که معمولآ چند درجه است، "زاویه pretilt" نامیده می شود. این یک واقعیت مهم است که pretilt در LC یک جهته است. برای مثال، در سطوح پلی آمید مالشی میله ها از جهت مالش به سمت بالا متمایل می شوند و بنابراین، انتهای میله ها به سمت بالا قرار می گیرد؛ نه مخالف جهت مالش. منشأ مکانیزم هم ترازی LC از زمان کشف آن در 90 سال پیش مورد بحث بوده است اما هیچ درک قطعی از آن به دست نیامده است. چنین برداشتی نه تنها یک شاخۀ علمی جالب است، بلکه یک مشکل تکنولوژیکی مهم نیز محسوب می شود زیرا همانطور که در ادامه بیشتر بحث می شود، نمایشگرهای صفحه تخت متکی بر LC هایی هستند که با ایجاد تغییرات در تراز LC، انتقال نور را از پشت به جلوی نمایشگر تعدیل می کنند. به طور کلی، هم ترازی LC بایستی از شکست تقارن در بستر پلیمری منشأ بگیرد. در طی سال های گذشته، عدم تقارن در ساختار مولکولی میکروسکوپی یا توپوگرافی ماکروسکوپی سطح پلیمر برای جهت گیری ترجیحی میله های LC پیشنهاد شده است. جدا از هرگونه عدم تقارن سطح پلیمری، مبدأ و اندازه زوایای شیب LC خارج از صفحه بر حسب واکنش واندروالسی بین مولکول های LC نامتقارن و سطح پلیمر توضیح داده شده که بعنوان یک محیط دی الکتریک نیمه نهایی مدل سازی شده است. از آنجا که چنین مدلی هرگونه ناهمسانگردی سطح پلیمر را در سطح مولکولی نادیده می گیرد، نمی تواند جهت LC یک طرفه را مشخص کند. از روش های مختلفی همچون اپتیک خطی و غیرخطی برای تعیین جهت دقیق تراز مولکول های LC استفاده می شود و از طرفی، در فیلم های تک لایه کسب اطلاعات دقیق از ساختار مولکولی پلیمر دشوارتر است.

تکنیک های رایج اپتیک خطی فاقد حساسیت سطحی هستند و نمی توان از تولید هارمونیک ثانویه استفاده کرد زیرا مولکول های پلیمر معمولآ دارای تقارن وارونگی هستند. با این وجود، پیشنهادات اولیه از جهت گیری مولکولی در سطح پلیمر براساس اندازه گیری های اپتیک و مادون قرمز حساس به حجم بود که روی سطوح نازک انجام می شد. اخیرآ، مطالعات پراکندگی اشعه ایکس حساس به سطح (GIXS) روی پلی آمید نیمه کریستالی BPDA-PDA تراز ترجیحی نزدیک به سطح زنجیره های پلی آمید را در امتداد جهت مالش نشان داده و آن را به جهت تراز دورن صفحۀ ترجیحی LC نسبت می دهد. این مطالعات با این دیدگاه سازگار است که هم ترازی LC روی سطح پلیمر از یک برهمکنش همپایی (اپیتاکسیال)-شبه همپایی منشأ می گیرد. به دلیل طولانی بودن انسجام ساختاری در LC، تصور می شود که هم ترازی LC از نقاط منظم سطحی با زنجیره های موازی منشأ می گیرد که احتمالآ به شکل نقاط هسته زایی میکروکریستالی هستند. در این مدل، میله های LC به موازات بخش های زنجیره پلیمری در نقاط کریستالی قرار می گیرند. مطالعات حساس سطحی نیز با استفاده از تکنیک ساختار ظریف جذب اشعه ایکس نزدیک لبه (NEXAFS) انجام شده است. همچنین این مطالعات تراز ترجیحی نزدیک به سطح بخش های زنجیره پلی آمید را در امتداد جهت مالش و فروپاشی تراز از سطح به سمت تودۀ فیلم نشان داد. علاوه براین، بررسی های NEXAFS شواهد روشنی از شیب ترجیحی خارج از صفحۀ حلقه های فنیل در سطح پلی آمید ارائه دادند. این شیب با زاویه pretilt در LC روی سطح مرتبط بود. برخی از مطالعات NEXAFS از پلی آمیدهای نیمه کریستالی مانند BPDA-PDA و PMDA-ODA استفاده کردند و مدل های هم ترازی LC پیشنهادی به طور ضمنی وجود نقاط سطحی مرتب شده را فرض کردند که منجر به اثرات همپایی می شود. این مطالعات این واقعیت مهم را در نظر نگرفتند که هم ترازی LC در سطوح پلیمری نامنظم نیز رخ می دهد. در واقع، چنین پلیمرهایی معمولآ در ساخت نمایشگرهای صفحه تخت استفاده می شوند. اخیرآ، مطالعات NEXAFS روی یک پلی آمید نامنظم نشان داد که هم ترازی LC فقط به یک جهت گیری ترجیحی آماری مهم در سطح پلیمر نیاز دارد؛ بدون اینکه نظم بلوری یا شبه کریستالی ضرورتی داشته باشد. یک مدل کلی از برهمکنش جهتی پیشنهاد شد که در آن جهت LC توسط یک "برهمکنش p مانند" بین مولکول های LC و سطح پلیمر ناهمسانگرد هدایت می شود. در اینجا، ارزیابی های NEXAFS حساس به سطح و وابسته به قطبش را بر روی انواع پلیمرها گزارش می کنیم. ناهمسانگردی تجربی مشاهده شده شدت NEXAFS در سطح پلیمر از نظر جهت گیری ترجیحی گروه های عاملی فنیل و CyO در سطح مورد تجزیه و تحلیل قرار می گیرند.

نتیجه گیری

در این بررسی، به بیان بررسی های NEXAFS می پردازیم که به وضوح جهت گیری مولکولی ترجیحی را در سطح لایه های پلیمری مالشی نشان می دهد. استدلال می شود که این جهت منشأ میکروسکوپی برای تراز LC روی سطح است. هر دو جهت تراز ترجیحی LC موازی با جهت مالش و همچنین حهت پرتابل LC خارج از صفحه را می توان در یک مدل ساده براساس جهت گیری ترجیحی حلقه های فنیل به تصویر کشید. به طور کلی، هم ترازی LC توسط مدلی براساس حداکثر همپوشانی در جهت پراکندگی بار ناهمسانگرد در سطح پلیمر مالشی LC توضیح داده می شود. این مدل به تنهایی بر تقارن زاویه ای متکی است و نیازی به حضور تقارن انتقالی، یعنی نظم بلوری در سطح پلیمر ندارد. منشأ جهت گیری مولکولی ترجیحی در سطح پلیمر بر حسب هم ترازی بخش زنجیره ترجیحی موازی با مالش نیز در این مقاله بررسی می شود که از عمل کششی الیاف مالشی منشأ می گیرد.