Nestekide
Nestekide on aineen olomuoto, jonka ominaisuudet sijoittuvat tavanomaisten nesteiden ja kiteisten kiinteiden aineiden välille. Esimerkiksi nestekide voi liikkua kuten neste, mutta sen molekyylit ovat säännöllisesti järjestäytyneitä. Nestekidefaaseja on useita, ja ne voidaan erottaa toisistaan optisten ominaisuuksiensa, kuten tekstuurien, perusteella. Tekstuurit ovat optisia kuvioita tai kontrasteja, jotka syntyvät nestekidemolekyylien erilaisista suuntautumisista ja järjestäytymisistä eri alueilla, ja ne näkyvät esimerkiksi polarisaatiomikroskoopilla. Jos järjestäytyminen on täysin satunnaista, voidaan sanoa että tekstuuria ei ole. Tekstuurin kontrastit liittyvät alueisiin (domeeneihin), joissa nestekidemolekyylit ovat suuntautuneet eri tavoin. Vaikka suuntautuminen vaihtelee eri alueilla, kunkin alueen sisällä molekyylit ovat järjestäytyneet tarkasti. Nestekidemateriaalit eivät kuitenkaan aina ole nestekidemäisessä tilassa – kuten vesi voi olla myös jäätä tai vesihöyryä Nestekiteissä yhdistyvät kiinteiden aineiden optiset ja nesteiden mekaaniset ominaisuudet: ne voivat virrata nesteen tavoin, mutta kääntävät valon polarisaatiota kiteiden tavoin.
Historia
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]Nestekiteet löysivät F. Reinitzer (1888) ja O. Lehmann (1889) suunnilleen samaan aikaan. Reinitzer tutki kolesterolimolekyylin ominaisuuksia ja kolesterolia pidetäänkin ensimmäisenä löydettynä nestekiteenä. Reinitzer ja Lehmann tekivät myös yhteistyötä tutkimuksissaan. Heidän lisäkseen Pierre-Gilles de Gennes tunnetaan yhtenä nestekidetutkimuksen keskeisistä vaikuttajista. Hänelle myönnettiin Nobelin palkinto vuonna 1991 nestekiteisiin liittyvistä tutkimuksista.[1] De Gennes osoitti nestekiteillä olevan erilaisen mesofaasin, eli aineen olomuodon, joka on kiinteän aineen ja nesteen välimuoto. Hän toi esiin, miten molekyylien järjestyksen muutokset ilmenevät etenkin liuoksessa nestekiteiden osalta.Aiemmin olomuodonmuutoksia oli tutkittu vain yksinkertaisissa systeemeissä, joissa faasimuutokset ovat tyypillisesti neste-kaasu- tai kiinteä-neste-siirtymiä, mutta de Gennes laajensi teoriat myös monimutkaisempiin aineisiin.[2]
Rakenne ja ominaisuudet
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]
Nestekiteet voidaan jakaa kolmeen päätyyppiin: termo-, lyo- ja metallotrooppisiin. Termotrooppiset nestekiteet koostuvat pääosin orgaanisista molekyyleistä, joilla on suhteellisen ohuita, litteitä tai kartiomaisia muotoja, erityisesti jäykkien molekyylirakenteiden sisällä. Tästä esimerkkinä on p,p’-dinonyyliatsobentseeni (kuva 1). Termotrooppisia nestekiteitä voidaan valmistaa nimenomaan sulattamalla kiinteitä aineita, eli nestekidefaasi näyttäytyy tietyssä lämpötilassa [3]. Lyotrooppiset nestekiteet koostuvat kahdesta tai useammasta komponentista, ja liuotinmolekyylit täyttävät yhdisteiden välisen tilan mahdollistaen juoksevuuden. Niiden rakenne riippuu liuotettavan aineen pitoisuudesta ja lämpötila on toissijainen tekijä [3]. Toisin sanoen erilaisilla pitoisuuksilla saadaan aikaan erilaisesti järjestäytyneitä rakenteita. Lyotrooppisia nestekiteitä esiintyy muun muassa erilaisissa saippualiuoksissa. Metallotrooppiset nestekiteet koostuvat sekä orgaanisista että epäorgaanisista molekyyleistä. Näiden nestekiteiden käyttäytyminen riippuu sekä lämpötilasta että orgaanisen ja epäorgaanisen aineen suhteesta. [4]
Nestekidemolekyylit vuorovaikuttavat keskenään ja niiden välille syntyy vahvoja dipoli-dipoli vuorovaikutuksia tai vetysidoksia poolisuuden tai vetypitoisuuden vuoksi. Nämä vuorovaikutukset saavat sauvamaiset molekyylit järjestäytymään ja muodostamaan nestekidefaasin.
Termotrooppisten nestekiteiden faasit
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]Termotrooppiset nestekiteet voidaan jakaa erilaisiin faaseihin niiden rakenteellisten ominaisuuksien perusteella. Tämän jaon esitteli Georges Friedel vuonna 1922. [3]
Nemaattisessa faasissa molekyylit suuntautuvat keskimäärin samaan suuntaan, mutta niiden paikat ovat satunnaisia (kuva 2). [3] Tämä tekee siitä hyvin virtaavan ja herkän ulkoisille kentille, minkä vuoksi sitä käytetään esimerkiksi nestekidenäytöissä. [5]
Kolesterinen faasi on erityinen nemaattisen faasin muoto, jossa nestekide ilmenee spiraalimaisena kiertymisenä (kuva 2). [3] Tämä rakenne heijastaa valoa tietyillä aallonpituuksilla, mikä tekee kolesterisista nestekiteistä värillisiä ja hyödyllisiä optisissa sovelluksissa.
Smektisessä faasissa molekyylit järjestyvät kerroksiksi, ja osassa faaseista on myös paikoittaista järjestystä kerroksissa (kuva 2). Tämä rakenne tekee smektisestä faasista jäykemmän ja vähemmän virtaavan kuin muut nestekiteet. [3] Smektisiä nestekiteitä käytetään ominaisuuksiensa ansiosta esimerkiksi optisissa kytkimissä, joissa valoa taitetaan smektisen nestekidefaasin läpi.
Nestekidenäytöt
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]
Nestekiteitä käytetään laajasti nestekidenäytöissä (LCD, liquid crystal display). Nestekidemateriaalien valmistusprosessissa on kolme päävaihetta. Ensimmäiseksi nestekidevälituotteet syntetisoidaan peruskemiallisista raaka-aineista. Näitä välituotteita voivat olla esimerkiksi erilaiset fenyyli-, ketoni- ja halogeenityypit. Toisessa vaiheessa välituotteista syntetisoidaan nestekidemonomeeri. Kolmannessa vaiheessa nämä nestekidemonomeerit sekoitetaan eri suhteissa, jotta saadaan aikaan yhtenäinen ja vakaa nestekiderakenne eli seosnestekide. Nestekidemateriaalit kootaan muiden vastaavien materiaalien kanssa nestekidenäytöiksi (LCD-paneeleiksi). [6]
Muita sovelluskohteita
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]Biolääketieteessä nestekiteitä on käytetty kehittämään optisia ja elektro-optisia laitteita kuten spektroskooppeja, mikroskooppeja sekä kuvantamisjärjestelmiä. Nämä laitteet hyödyntävät nestekiteiden itsestään järjestäytyviä ominaisuuksia. [7] Nestekiteiden värimuutoksia käytetään monissa akvaarioiden ja altaiden lämpömittareissa. [8] Lisäksi nestekiteitä voidaan käyttää älyikkunoissa, joissa käytetään nestekidepinnoitetta. Kun nestekiteisiin kohdistetaan pieni sähkövirta, ne järjestyvät ja päästävät valon läpi. Kun virtaa ei ole, kiteet hajaantuvat satunnaisesti ja ikkunat muuttuvat läpinäkymättömiksi. [9]
Lähteet
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]- ↑ Nobel-palkittu fyysikko de Gennes kuollut Yle Uutiset. 22.5.2007. Viitattu 11.5.2025.
- ↑ Pawel Pieranski: Pierre-Gilles de Gennes: Beautiful and mysterious liquid crystals. Comptes Rendus. Physique, 2019, 20. vsk, nro 7-8, s. 756–769. doi:10.1016/j.crhy.2019.01.002 ISSN 1878-1535 Artikkelin verkkoversio. (ranskaksi)
- ↑ a b c d e f Michael J. Stephen, Joseph P. Straley: Physics of liquid crystals. Reviews of Modern Physics, 1.10.1974, 46. vsk, nro 4, s. 617–704. doi:10.1103/RevModPhys.46.617 Artikkelin verkkoversio.
- ↑ James D. Martin, Cristin L. Keary, Todd A. Thornton, Mark P. Novotnak, Jeremey W. Knutson, Jacob C. W. Folmer: Metallotropic liquid crystals formed by surfactant templating of molten metal halides. Nature Materials, 1.4.2006, 5. vsk, nro 4, s. 271–275. doi:10.1038/nmat1610 ISSN 1476-1122 Artikkelin verkkoversio. (englanniksi)
- ↑ Joseph A. Castellano: Liquid gold: the story of liquid crystal displays and the creation of an industry. Singapore ; Hackensack, NJ ; London: World Scientific, 2005. ocm57638695 ISBN 978-981-238-956-5 Teoksen verkkoversio Viitattu 11.5.2025.
- ↑ support@alfa-chemistry.com: Manufacturing Steps of Liquid Crystal Materials Labinsights. 16.1.2024. Viitattu 11.5.2025. (englanniksi)
- ↑ Gianni Ciofani, Arianna Menciassi: Piezoelectric nanomaterials for biomedical applications. Heidelberg: Springer, 2012. ISBN 978-3-642-28044-3
- ↑ R. Gregory Plimpton. Pool thermometer. US Patent 4738549. 1988.
- ↑ Jesse Chase-Lubitz: Once a Luxury Amenity, Smart Glass Emerges as an Energy Saver Bloomberg. 28.11.2022. Viitattu 11.5.2025.