Back to Index

 

Do swoich ważniejszych rezultatów zaliczam: /  I consider the following to be my significant results:

 

1. Znalezienie efektów termowoltaicznych w sandwichowych warstwach ciekłokrystalicznych i zaklasyfikowanie ich jako kompleksów znanych efektów pyroelektrycznego, termodielektrycznego (zwanego efektem Costa Ribeiro, czyli dosyć wysokiego napięcia, rzędu nawet 100 V, pojawiającego się w wyniku zmiany położeń elektrycznych warstw podwójnych po obu stronach granicy faz w trakcie przemiany fazowej  1.go rodzaju gdy front przemiany przesuwa się od jednej elektrody ku drugiej), napięcia Nernsta (wynikającego z asymetrii zdolności sorbcyjnych  i/lub elektrosorbcyjnych obu elektrod albo ich różnych temperatur), a w przypadku warstw spolaryzowanych wstępnie - dodatkowo efektu elektretowego. Ten zespół efektów został po raz pierwszy znaleziony w warstwach związku cholesteryl nonanoate przyjmującego fazy chiralną nematyczną i smektyczną A (Praca doktorska, Bull. Acad. Pol. Sci., 20, 955-60, (1972));

 

2. Znalezienie szerokokątowego ugięcia światła obu typów: Bragga i Ramana-Natha (dla fali płaskiej nie przecinającej frontów falowych zaburzenia ośrodka) na warstwach nematyków chiralnych o teksturze papilarnej (eutektyczna mieszanina nematyków EBBA/MBBA z dodatkiem chiralnego kwasu abietynowego) oraz wytworzenie i opatentowanie ciekłokrystalicznej fazowej siatki dyfrakcyjnej.* Fazowa ciekłokrystaliczna siatka dyfrakcyjna powstaje w warstwie nematyka chiralnego zawartej między dwiema powierzchniami szklanymi poddanymi takiej obróbce, aby osie helisy N* zostały w całej warstwie jednorodnie ukierunkowane. Okresowe zaburzenia własności optycznych warstwy mają charakter sinusoidalny i z tego powodu w wiązce ugiętej pojawia się tylko jeden rząd ugięcia (+1 lub -1). Natężenie wiązki ugiętej jest dlatego bardzo duże. Poza tym, stała siatki może być z łatwością rzędu długości fali światła i z powodu dużej powierzchni ma taka siatka znakomitą rozdzielczość. Niestety, wadą jest fakt, że jest to siatka ciekła i niestabilna mechanicznie. Inni autorzy próbowali wykorzystać ciekłokrystaliczność ośrodka i zmieniać własności takich siatek pod działaniem pola elektrycznego. (Praca habilitacyjna, Mol. Cryst. Liq. Cryst., 42, (1-3), 81-96, (1977), Patent nr 96 258);

 

3. Opracowanie metodyki badań stanów polaryzacji w warstwach ciekłokrystalicznych, opartej na analizie histerezy prądów powierzchniowych.  Zaproponowana metoda pozwala otrzymać informacje o rodzaju nośników prądu jonowego w ciekłych kryształach (nośniki te są albo zwykłymi anionorodnikami, powstającymi w wyniku dołączenia elektronu z katody do obojętnej molekuły lub stanowią zanieczyszczenia substancjami dysocjującymi w środowisku badanego ciekłego kryształu) oraz o ich populacji. Daje także informację o kinetyce procesu kompensacji przez jonowy ładunek przestrzenny polaryzacji spontanicznej w ferroelektryku ciekłokrystalicznym po przerzuceniu tekstury "bookshelf" w przeciwne  położenie. Metoda polega na użyciu płaskiej próbki typu sandwich, w której jedna z elektrod jest zbudowana z dwóch zespołów przeplatających się pasków ("interdigital") (o szerokości 6 mikronów i długości 3 mm wytrawianych w warstwie chromu w roztworze K_3Fe(CN)_6 i KOH; szerokość szczeliny między paskami jest 4 mikrony; ilość pasków na elektrodzie wynosi 2 x 500). Ta elektroda służy do pomiaru prądu powierzchniowego. Aby wyeliminować procesy elektrochemiczne na elektrodzie interdigital, prąd powierzchniowy jest wzbudzany przez przyłożenie do obu części elektrody napięcia zmiennego o częstości 1000 Hz lub wyższej i amplitudzie ok. 0.1 V. Miarą prądu powierzchniowego jest napięcie na szeregowo włączonym oporniku wzorcowym mierzone za pomocą nanowoltomierza homodynowego, taktowanego tym samym napięciem "ciągnącym". Pomiar odbywa się w funkcji napięcia polaryzującego próbkę, przyłożonego między elektrodę interdigital i elektrodę odniesienia (pole polaryzujące jest prostopadłe do pola mierzącego). Napięcie polaryzujące podawane z generatora funkcyjnego ma amplitudę od 10 do 50 V (zależnie od grubości warstwy ciekłego kryształu oraz jego rodzaju) i częstość od 0.03 do 0.001 Hz. W pomiarze otrzymuje się krzywe typu histerezy, których kształt w realnych ciekłych kryształach jest silnie asymetryczny ze względu na kierunek polaryzacji poprzecznej, co świadczy o istniejącej zazwyczaj dominacji jednego typu nośników w procesie przewodzenia prądu jonowego. (Praca habilitacyjna, Advances in Liquid Crystal Research and Applications, (L. Bata, edit.), Pergamon Press, Acad. Kiado, 1981, vol. 1., pp. 611 - 24.);

 

4. Znalezienie kolektywnego efektu Cottona-Moutona w ciekłokrystalicznych układach wielofazowych, charakteryzującego się stałą C-M większą o 6 do 8 rzędów od stałej molekularnej, opracowanie i zbudowanie układu pomiarowego, zmierzenie nasycenia w tym efekcie oraz opracowanie modelu matematycznego zjawiska. Efekt polega na narzuceniu przez pole magnetyczne dwójłomności koloidowi lub zawiesinie utworzonym przez zawieszenie mikrokropelek ciekłego kryształu w cieczy izotropowej. Ciecz taka powinna być dobrana immersyjnie tak, aby skompensować depolaryzujące działanie  rozpraszania światła lasera na granicach faz. W wyniku istnienia dalekozasięgowego uporządkowania orientacyjnego w ciekłym krysztale, pole  magnetyczne oddziałuje nie z pojedynczą molekułą, ale z ich zbiorem  tworzącym kropelkę. Działanie orientujące pola powoduje pojawienie się dwójłomności w koloidzie. Efektem drugiego rzędu jest wpływ pola orientującego na geometrię pola direktora wewnątrz kropelki i jej przebudowa ze względu na rozkład i typ zawsze obecnych w kropli defektów strukturalnych (defekty typu linii dysklinacji mogą wtedy np. zostać ściągnięte do defektu punktowego na powierzchni, czyli do "boojuma"). Oddziaływanie kolektywne powoduje, że trudny zazwyczaj do zarejestrowania efekt Cottona-Moutona osiąga w koloidach ciekłokrystalicznych nasycenie. Także za swój sukces uważam zastosowanie w tym eksperymencie  kompensatora Senarmonte'a do ilościowej rejestracji wartości dwójłomności  narzucanej przez pole magnetyczne. Zaproponowany przez mnie opis teoretyczny tego efektu stosuje się także do przypadku orientacji koloidu przez pole elektryczne. (Mol. Cryst. Liq. Cryst., 167, 7-26, (1989));

 

5. Znalezienie nowego typu nukleacji w przemianach fazowych, polegającego na tworzeniu się włókien ciekłokrystalicznych o wysokiej symetrii (nematoidów), zawieszonych w fazie izotropowej. Publikacja o nowym typie nukleacji w wielofazowych układach  ciekłokrystalicznych była pierwszym doniesieniem o strukturach włóknistych nowego typu w ciekłych kryształach, czyli o nematoidach. Pierwsze nematoidy zostały zaobserwowane w trójskładnikowej mieszaninie nematogenu typu azoksy (4,4'-dipentylazoxybenzene), smektogenu typu estru (butyl(4'-pentylbiphenyl)ketone) i domieszki chiralnej typu amidu ((S)-N-(1-phenylethyl)-4-pentylbenzamide), nie będącej mezogenem. W takiej mieszaninie proces tworzenia nematoidów polega na powstawaniu ze stopu izotropowego kropelki nematyka chiralnego, w której wnętrzu w okolicy rdzenia defektu następuje spontaniczna separacja faz i wzrost rdzenia (typu "intrinsic growth"), który rozdziela krople na dwie połączone wciąż rosnącą szyjką. W przypadku silnie rozwiniętej szyjki (nematoidu) stosunek jej długości do średnicy może wynosić nawet 3000. Nematoid podlega następnie bardzo zróżnicowanej ewolucji: gwałtownemu ściągnięciu do kropli wtórnej, tworzeniu podwójnej helisy itd. (Mol. Cryst. Liq. Cryst., 170, 53 - 69 + 4 Plates, (1989));

 

6. Przeprowadzenie badań mikrointerferometrycznych profili refrakcyjnych nematoidów i opracowanie na ich podstawie bifilarnego modelu struktury wewnętrznej tych włókien. Zastosowano mikrointerferometr polaryzacyjny z dwoma pryzmatami Wollastona w reżimie pola prążkowego. Wybór tej metody był wymuszony przez małą średnicę badanych włókien (od 5 do 10 mikrometrów) i ich szybkimi ewolucyjnymi zmianami. Obie te okoliczności wykluczają zastosowanie metod rentgenografii strukturalnej. W zastosowanej metodzie możliwe jest zapisywanie obrazów interferometrycznych na taśmie magnetycznej i w przypadku szybkich zmian przeprowadzenie analizy poklatkowej  z jednoczesnym rejestrowaniem poszczególnych klatek za pomocą frame-grabbera.  W badaniach wykorzystano mikrointerferometr Pluty (Polski Nobel 1996) zbudowany na mikroskopie Biolar.  (Optics of Liquid Crystals'91, Cocoa Beach (Florida), October 7-11, 1991, Book of Abstracts, p.28 - 29.  ( Proc. SPIE,  1846, 148-58, (1994)). 

 

7. Znalezienie procesu generacji nematoidów nazwanego "in-container production" ("core-type condensation", "core-type phase separation"). W tym procesie włókna ciekłokrystaliczne są “wypluwane” z wnętrza kropli ciekłego kryształu. Przeprowadzono badania wielu typów mieszanin pod względem możliwości tworzenia się nematoidów. Stosowano mieszaniny dwu- i trójskładnikowe utworzone z kombinacji 6 nemato- i nematosmektogenów typu azoksy, 10 smektogenów, w tym kilku związków estrowych oraz 4 substancji chiralnych nie będących mezogenami, w tym związków typu amidów. Pokazano, że do utworzenia nematoidów konieczne są mieszaniny nematogenu i smektogenu albo mieszaniny nematosmektogenu i cieczy inertnej (nie wystarcza związek tworzący tylko jeden typ fazy ciekłokrystalicznej).  ( Mol. Cryst. and Liq. Cryst. 261, 271-82 (1995)). 

 

8. Znalezienie procesu enkapsulacji wielofazowej struktury nazwanej "framed membrane".  Podjęto badania procesu enkapsulacji przebiegającego spontanicznie w sytuacji, kiedy nematoid ulega rozszczepieniu poosiowemu tworząc błonę smektyczną obramowaną nicią nematyka. Membrana smektyczna ulega następnie zamknięciu do postaci powłoki sferoidalnej. Efekt ten był obserwowany w szczątkowej postaci w mieszaninach ciekłokrystalicznych. Wszystkie etapy tworzenia powłoki sferoidalnej od początkowego zarodka, poprzez wzrost w postaci włókna, jego rozszczepienie, utworzenie membrany i jej zamknięcie udało się bardzo wyraźnie zarejestrować w układzie złożonym z  nematosmektogenu  NPOOB (4-nitrophenyl-4'-octyloxybenzoate) i oleju silikonowego jako cieczy inertnej.  (Mol. Cryst. and Liq. Cryst. 261, 271-82 (1995)). 

 

9. Znalezienie procesu przemiany fazowej I. rodzaju typu miękki smektyk- twardy smektyk (lub nematyk - twardy smektyk) wewnątrz rdzenia nematoidu. Jest to prawdopodobnie pierwsza obserwacja tego rodzaju przemiany. Przebieg procesu jest fascynujący. Nowa faza jest wyraźnie zarodnikowana, a zatem jest to przemiana 1.go rodzaju. Przejście fazowe jest inicjowane na jednym końcu włókna, które wtedy zaczyna się prostować, jak gdyby do wnętrza węża gumowego wciskany był sztywny pręt metalowy. Następuje przy tym fragmentacja włókna i pod koniec procesu nematoid ma kształt połamanej sztywnej słomki („patyczaki”). Przedstawione na 7th International Conference Organized Molecular Films, 10 - 15. September 1995, Ancona, Italy i opublikowane w Thin Solid Films 284-285, 238-41 (1996).

 

10. Znalezienie ciągu spontanicznych przemian typu kropla-włókno-membrana-pęcherzyk-podwójny pęcherzyk i zjawiska pączkowania pęcherzyków ciekłokrystalicznych w układzie nematosmektogen ciecz inertna. Nowością jest tutaj znalezienie zjawiska wtórnej enkapsulacji. Proces przebiega w ten sposób, że z szyjki powłoki sferoidalnej wyrasta następny nematoid ("intrinsic growth"), który ulega ciągowi zmian ewolucyjnych aż do utworzenia wtórnej powłoki sferoidalnej, ulegającej zbliźniaczeniu z pierwotną. Przedstawione na European Conf. on Organised Films (ECOF6), Sheffield (UK), 11-14 Sept. 1996 i opublikowane w Journal of Supramolecular Science 4 (3-4), 179-183 (1997).

 

11. Po ok. 20-letnich poszukiwaniach udało mi się stworzyć zasadniczy model formowania się i ewolucji nematoidów. Model jest oparty na separacji faz w obszarze rdzeni defektów ciekłokrystalicznych kropel i włókien i w płytce łączącej włókna tworzące układ bifilarny. Nematoidy pierwotne powstają w odpowiednio dobranych układach nemato- i smektogenów w czasie chłodzenia z fazy izotropowej. Wtedy ze stopu rosną spontanicznie bardzo cienkie polarne płytki, które bardzo szybko zwijają się we włókna cylindryczne będące właśnie nematoidami pierwotnymi. Nematoidy wtórne i wyższych rzędów są rezultatem wzrostu fazy smektycznej w obszarze rdzenia defektu w kropli toroidalnej powstałej po zwinięciu się nematoidu pierwotnego. Nematoidy wyższych rzędów wyrastają z wnętrza wielobiegunowych kropel lub jezior (płytek smektycznych obramowanych nematycznym brzegiem), jakie powstają po kolejnym wsysaniu nematoidów niższych rzędów. Stosunkowo odporna na rozerwanie struktura włóknista, tworzona w obszarze rdzeni defektów ma niezwykle interesujące własności.

 

a. Jest w pewnych przypadkach widoczna jako bardzo cienka struna łącząca dwie krople lub jeziora i pozostająca po ściągnięciu w kierunku kropli miękkiego płaszcza nematoidu;

 

 

 

 

 

b. Widoczna struna jest w rzeczywistości złożona z kilku (przynajmniej trzech) przylegających do siebie jeszcze cieńszych strun, przy czym jedna z tych strun tworzy zamkniętą pętlę, która niekiedy może zostać wyrwana z jednego jeziora i w całości wessana do drugiego jeziora (kropli);

 

  

 

 

 

c. Ściąganie się tej pętli będące wynikiem wsysania jej materiału do obszaru jeziora powoduje, że smektyczna płytka jeziora wygina się i zostaje w końcu zamknięta jako pęcherzyk zakończony szyjką, która jest pozostałością po ściągniętej pętli. Tworzenie się pęcherzyka lub serii pęcherzyków znalazłem już przed kilku laty, ale teraz przedstawiłem model tego procesu.

 

   

 

Opisane wyżej zjawiska wyjaśnia jakościowo zaproponowany przeze mnie model, którego podstawą jest kropla toroidalna rozrywana przez fazę smektyczną rosnącą w obszarze rdzenia defektu kropli. Obie części kropli są połączone bardzo długim nematoidem. Jedna z części rozrywanej kropli może być zredukowana tylko do czapeczki zamykającej nematoid.

 

 

Przedstawione mikrofotografie zostały otrzymane dla warstw ciekłokrystalicznych mieszanin z układu A1|B5|SO-H.

 

Przedstawione na SPIE Optics&Photonics, Photonic Devices & Applications, Liquid Crystals XII, San Diego, 10-14 August 2008 (Antoni Adamczyk, Hard-core liquid-crystal fibers)

 

||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||

 

            Szerszym tematem, nad którym pracuję obecnie, jest badanie przemian fazowych w rdzeniach samoorganizujących się włókien ciekłokrystalicznych (nematoidów). Przemiana fazowa zachodząca tylko w obszarze rdzenia włókna, znaleziona przeze mnie już kilkanaście lat temu i opublikowana w Thin Solid Films 284-285, 238-41 (1996), występuje w szczególnie dobranych mieszaninach nematyków i smektyków. Ukierunkowany wzdłuż rdzenia front krystalizacji zamienia labilne początkowo włókno w ciąg połączonych sztywnych odcinków prostoliniowych. Powstające w ten sposób nowe włókno jest dwuwarstwową soczewką cylindryczną i swoimi własnościami optycznymi przypomina światłowód. Zasadniczą cechą odróżniającą takie włókna od światłowodów jest łatwość, z jaką położenie osi optycznej w płaszczu zewnętrznym może być zmieniana przez przyłożenie zewnętrznego pola elektrycznego przy praktycznie zupełnej niewrażliwości na to pole krystalicznego rdzenia, jaki się we włóknie wytworzył. Pierwsze przemiany w rdzeniu włókna znaleziono w mieszaninach dwóch ciekłych kryształów (nemato - i nematosmektogenu): 4-acetyl-4’-dodecylbiphenyl and 4’’-pentylcyclohexyl 4-(4’-pentylcyclohexyl) benzoate. Bieżące badania mają na celu znalezienie nowych takich mieszanin. Badania procesu przemiany we włóknach swobodnych oraz poddanych działaniu pola elektrycznego (stałego i zmiennego), są prowadzone za pomocą mikroskopu polaryzacyjnego oraz mikrointerferometru nieliniowego w polu prążkowym. Czasem dodatkowe informacje dostarcza zastosowanie kontrastu Nomarskiego. Znaczący postęp zapewniłoby zastosowanie mikroskopu na miękkie promieniowanie rentgenowskie. Ten typ mikroskopu jest jednak na świecie ciągle rzadkością.

            Jednocześnie prowadzę intensywne badania procesów separacji faz w otoczeniu rdzeni defektów w nematoidach i kroplach ciekłokrystalicznych (próby rozwiązania równania Cahna – Hilliarda w warunkach działania anizotropowych napięć powierzchniowych na granicach powstających faz). Tego rodzaju separacja faz ma ma bezpośredni wpływ na procesy samoorganizacji w wielofazowych układach ciekłokrystalicznych ze szczególnym uwzględnieniem procesów morfogenezy wywołanych przez wpływ, oddziaływań powierzchniowych na granicach faz, energii deformacji sprężystych oraz energii defektów topologicznych typu dysklinacji. W badaniach eksperymentalnych tych procesów pożądane byłoby stosowanie skanujących  konfokalnych mikroskopów optycznych oraz mikroskopu elektronowego klasy ESEM. Ze względu na złożoność układów, obserwowane eksperymentalnie konfiguracje równowagowe powinny być konfrontowane z wynikami symulacji komputerowych metodami Monte Carlo i dynamiki molekularnej z odpowiednio dobranymi potencjałami oddziaływań molekularnych (np. Lebwohla - Lashera, Luckhursta - Romano i Gaya - Berne’a).

 

Back to Index