Projekti / Programi
Kolektivna in molekularna dinamika fotoobčutljivih tekočekristalnih elastomerov
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.02.01 |
Naravoslovje |
Fizika |
Fizika kondenzirane materije |
| Koda |
Veda |
Področje |
| P002 |
Naravoslovno-matematične vede |
Fizika |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.03 |
Naravoslovne vede |
Fizika |
Elastomeri, tekoči kristali, fotoizomerizacija
Raziskovalci (11)
Organizacije (2)
Povzetek
Tekočekristalni elastomeri (LCE) so pametni materiali z izrednimi mehanskimi in optičnimi lastnostmi, ki jih je mogoče v širokem obsegu krmiliti z zunanjimi vplivi in prirediti specifičnim potrebam z načinom priprave in dodajanjme ustreznih primesi. LCE se zaradi sklopitve med elastičnostjo polimera in nematičnim redom pri spremembi nematičnega reda močno deformirajo. To se lahko zgodi zaradi spremembe tamperature ali drugega zunanjega vpliva. Med drugim ga je mogoče spremeniti s tem, da v LCE dodamo primesi, ki spremenijo konformacijo pod vplivom (navadno UV) svetlobe. Poleg izrednih mehanskih lastnosti imajo LCE tudi enake optične lastnosti kot običajni tekoči kristali.
Za razumevanje obnašanja fotoobčutljivih LCE in za njihovo uporabo kot svetlobno krmiljeni mehanski aktuatorji je bistveno poznavanje kinetike absorpcije in prehodov med vzbujenimi elektronskimi stanji in posledično med trans in cis konformacijo na molekularnem nivoju. Meritve v raztopinah azobenzena in njegovih derivatov v nizkomolekularnih topilih kažejo, da se ti procesi dogajajo na časovni skali pikosekund. Doslej objav o tovrstnih meritvah procesov v derivatih azobenzena, vgrajenih v polimerne verige LCE, ni bilo. V našem laboratoriju razpolagamo z opremo za generiranje laserskih svetlobnih sunkov trajanja pod 100 fs v vidnem, bližnjem UV in IR področju, kar nam omogoča meritve optičnih procesov in molekularne dinamike na časovni skali pikosekund.
V predlaganem projektu nameravamo izvesti naslednje raziskave:
1. Z opazovanjem dinamičnega sipanja svetlobe s fotonsko korelacijsko spektroskopijo bomo merili fluktuacije nematičnega reda v fotoobčutljivih LCE s primesmi derivatov azobenzena. Meritve bomo izvajali v odvisnosti od raztega, obsevanja z UV svetlobo in temperature. Tako bomo lahko določili odvisnost stopnje nematične urejenosti, sklopitve med nematičnim redom in elastomerno mrežo in elastične in viskozne parametre v odvisnosti od obsevanja, to je, od koncentracije cis izomerov.
2. Določili bomo spektralne lastnosti v UV, vidnem in infrardečem področju za posamezne sestavine fotoobčutljivih LCE, to je za tekoče-kristalno komponento, za derivate azobenzena in podobne molekule, ki spremenijo konformacijo pri obsevanju s svetlobo in jih je mogoče vgraditi v LCE, ter za polimerno mrežo, ki določa mehanske lastnosti LCE
3. Z uporabo svetlobnih sunkov z dolžino okoli 100 ps bomo vzbujali trans izomere derivatov azobenzena v fotoobčutljvih LCE. Z merjenjem časovne odvisnosti fluorescence po vzbujanju bomo določili kinetiko elektronskih prehodov, preko katerih prehaja molekula v cis konformacijo. Merili bomo tudi časovno odvisnost IR spektrov in s tem lahko določili trenutno orientacijo nekaterih molekularnih vezi. Tudi te meritve bomo izvedli v odvnisnosti od temperature in s tem nematične urejenosti. Tako bomo skušali ugotoviti, kako delno urejena polimerna okolica vpliva na molekularno kinetiko derivatov azobenzena in kakšna je sklopitev med trans in cis izomeri ter mrežo LCE.
4. Raziskali bomo možnosti holografskega zapisa vzorcev v fotoobčutljive LCE z namenom doseganja specifičnih sprememb oblike in optičnih lastnosti. Z analizo uklona testnega laserskega snopa na takem vzorcu bomo določili porazdelitev cis izomerov, njeno odvisnost od moči in časa obsevanja. Merili bomo tudi odvisnost od polarizacije zapisovalne in testne svetlobe, s čemer bomo lahko določili tudi spreminjanje kotne porazdelitve trans in cis izomerov v odvisnosti od časa obsevanja. Raziskali bomo možnosti za elemente, ki jim lahko spreminjamo obliko pod vplivom holografskih svetlobnih vzorcev za uporabo v mikro-mehanskih in mikro-reoloških napravah.
Pomen za razvoj znanosti
Tekočekristalni elastomeri so na področju fizike mehke snovi v zadnjih dveh destletjih pomembna novost in se jim danes v raziskavah posveča izjemna pozornost. Posebej velik pomen imajo LCE s primesmi foto-občutljivih dodatkov,kot so derivati azobenzena, s čemer se v LCE kombinirajo izjemne termo-mehanske, opto-mehanske in potencialno tudi elektromehanske lastnosti, ki jih nimajo nobeni drugi materiali. Predlagane raziskave mehanizmov fotoizomerizacije v LCE, skupaj z iskanjem optimalnih materialov, študijem njihovih materialnih parametrov in postopkov priprave ter možnosti prostorske modulacije lastnosti fotoočutljivih LCE preko holografskega zapisa optičnih vzorcev, se vključujejo v svetovni vrh tovrstnih raziskav. Rezultati, ki bso objavljeni v najkvalitetnejših mednarodnih znanstevnih revijah, prispevajo k razumevanju mehanizmov interakcije svetlobe s fotoobčutljivimi LCE in rezultirajočimi mehanskimi in optičnimi spremembami, in s tem pomagajo pri razvoju novih materialov, ki bodo uporabni v napravah za mehanske aktuatorje – umetne mišice, na primer v mikroreoloških sistemih.
Pomen za razvoj Slovenije
LCE sodijo v kategorijo pametnih materialov, katerih optične, električne in mehanske lasntosti je mogoče upravljati z zunanjimi vplivi in medsebojnim delovanjem in bodo v bodočnosti gotovo našli pomebne praktične uporabe v napravah in tehnologijah, ki bodo del novega razvojnega cikla. V Sloveniji že imamo razvito industrijo fotonskih naprav (Fotona, Balder, LPKF, Optoteh,...), ki delujejo na področjih izdelave laserskih medicinskih sistemov in obdelave materialov. Rezultati predlaganih raziskav lahko vodijo k novim izdelkom, ki bodo prispevali k nadaljnemu razvoju te industrije in k nastajanju novih podjetij, med drugim tudi kot direktni spin-off teh raziskav. Posebej so zanimive so optično krmiljene mikroreološke naprave n. pr. mikročrpalke in ventili , s katerimi so mogoči kemijski in biokemijski postopki z zelo majhnimi količinami materiala, kar prispeva k trajnostnemu razvoju tehnologij. Fotoobčutljivi LCE nudijo tudi možnosti izdelave cenenih in robustnih elementov za optične informacijske sisteme. Aplikacije LCE so v vsem svetu še na začetku, tako da lahko uspešne raziskave LCE Sloveniji pomagajo, da pride na tem segmentu uporabe pametnih materialov v svetovni vrh. Opravljene raziskave so preko povezave z univerzitenim poukom in programa usposabljanja mladih raziskovalcev pomembno prispevale k vzgoji strokovnjakov na področju znanosti o materialih. Te raziskave niso zahtevale zelo velikih vlaganj v raziskovalni infrastrukturo, pa so kljub temu v svetovnem vrhu, s čimer so bile za majhno državo, kot je Slovenija, posebej primerne. Z njimi smo tudi sodelovali z najuglednješimi raziskovalci v sveti in s tem pomembno prispevali k prepoznavnosti Slovenije v svetu in k povečevanju domačega znanja.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2011,
2012,
2013,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2011,
2012,
2013,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
