Chế tạo thành công một họ tinh thể lỏng mới

Các nhà hóa học tại trường Đại học Vanderbilt vừa chế tạo ra một họ tinh thể lỏng mới có những tính chất điện độc đáo có thể cải thiện hiệu năng của các màn hiển thị kĩ thuật số dùng trong mọi thiết bị từ đồng hồ đeo tay kĩ thuật số cho đến ti vi màn ảnh phẳng.

Các màng mỏng tinh thể lỏng tạo ra những vân ảnh thật đẹp. Vân ảnh này được tạo ra bởi một trong những tinh thể lỏng thuộc họ hàng mới. Chúng tạo thành một trong những dạng tinh thể lỏng phổ biến nhất, gọi là pha nematic. Từ nematic có nguồn gốc Hi Lạp nghĩa là sợi, vì chúng chứa những khiếm khuyết dạng sợi mảnh. Ảnh: phòng thí nghiệm Kaszynski.

Thành tựu trên, là kết quả của hơn 5 năm nỗ lực, được giáo sư hóa học Piotr Kaszynski và nghiên cứu sinh Bryan Ringstrand mô tả trong hai bài báo đăng trực tuyến ngày 24/9 và 28/9 trên tạp chí Journal of Materials Chemistry.

“Chúng tôi đã tạo ra được những tinh thể lỏng có một lưỡng cực điện chưa từng thấy, hơn hai lần lưỡng cực của các tinh thể lỏng hiện có”, Kaszynski nói.

Các lưỡng cực được tạo ra trong các phân tử bằng cách tách li các điện tích dương và âm. Điện tích càng lớn thì khoảng cách giữa chúng càng lớn, và lưỡng cực điện do chúng tạo ra càng lớn.

Trong tinh thể lỏng, lưỡng cực điện xuất hiện cùng với điện áp ngưỡng: điện áp tối thiểu tại đó tinh thể lỏng hoạt động. Các lưỡng cực cao hơn cho phép các điện áp ngưỡng thấp hơn. Ngoài ra, lưỡng cực là một yếu tố quan trọng trong việc bật chuyển tinh thể lỏng giữa các trạng thái sáng và tối nhanh như thế nào. Ở một điện áp cho trước, các tinh thể lỏng có lưỡng cực cao hơn bật chuyển nhanh hơn các tinh thể lỏng có lưỡng cực thấp hơn.

Có tiềm năng thương mại

Vanderbilt đã đăng kí bằng sáng chế cho họ chất liệu mới trên. Một số công ti sản xuất tinh thể lỏng cho các ứng dụng thương mại đã thể hiện sự quan tâm và hiện đang thẩm định nghiên cứu.

“Các tinh thể lỏng của chúng tôi có các tính chất cơ bản khiến chúng thích hợp cho những ứng dụng thực tế, nhưng chúng phải được thử nghiệm độ bền, thời gian sống, và các đặc điểm tương tự trước khi chúng có thể được dùng trong các sản phẩm thương mại”, Kaszynski nói.

Nếu việc thử nghiệm thương mại thành công, thì họ tinh thể lỏng mới trên sẽ góp mặt thêm vào họ hàng các hợp chất phân tử phức tạp dùng trong công nghệ hiển thị tinh thể lỏng. Những hỗn hợp này kết hợp những loại tinh thể lỏng khác nhau và các chất phụ gia khác dùng để tinh chỉnh các đặc điểm của chúng, bao gồm độ nhớt, ngưỡng nhiệt độ, các tính chất quang học, các tính chất điện và độ bền hóa học. Có hàng tá mẫu khác nhau cho các màn hiển thị tinh thể lỏng và mỗi mẫu đòi hỏi một hỗn hợp hơi khác nhau một chút.

Tầm quan trọng khoa học

Tinh thể lỏng mới phát hiện trên không những quan trọng về mặt thương mại mà chúng còn có tầm quan trọng khoa học.

Kể từ năm 1888, khi chúng được phát hiện ra, các nhà khoa học đã khám phá hơn 100.000 hợp chất tự nhiên và tổng hợp có một trạng thái tinh thể lỏng. Họ đã xác định một trong những điều kiện tiên quyết cho một trạng thái như vậy là phân tử đó phải có hình dạng kiểu que hoặc kiểu đĩa. Một yêu cầu thứ hai là nó phải gồm cả những phần rắn và dẻo. Cần có một sự cân bằng mong manh của hai yếu tố hoặc hai lực đối nhau để tạo ra một vật liệu lưng chừng giữa một tinh thể và một chất lỏng. Tuy nhiên, có rất nhiều điều về trạng thái lạ thường này cho đến nay các nhà khoa học vẫn chưa hiểu rõ.

Thí dụ, các nhà khoa học vẫn đang cố gắng xác định tác dụng mà lưỡng cực điện của một tinh thể lỏng có trên nhiệt độ tại đso nó trở thành một chất lỏng bình thường. Sự nhất trí hiện nay là việc tăng độ lớn của lưỡng cực thường làm tăng nhiệt độ chuyển tiếp của nó. Cách thức loại tinh thể lỏng mới được tổng hợp đã cho phép Kaszynski và Ringstrand kiểm tra lí thuyết này bằng cách tạo ra các cặp tinh thể lỏng có hình dạng giống nhau nhưng có các lưỡng cực khác nhau và tiến hành đo nhiệt độ chuyển tiếp của chúng. Họ nhận thấy những khác biệt cấu trúc tinh vi đó có tác động lên nhiệt độ chuyển tiếp lớn hơn nhiều so với các biến thiên độ lớn của lưỡng cực điện.

Cấu trúc “zwitterionic” độc đáo

Cái đặc trưng cho họ tinh thể lỏng mới là cấu trúc "zwitterionic" của nó. Zwitterion là những hợp chất hóa học có điện tích toàn phần bằng không nhưng chứa các nhóm tích điện dương và âm. Tinh thể lỏng mới phát triển có chứa một zwitterion cấu tạo gồm một phần vô cơ tích điện âm và một phần hữu cơ tích điện dương. Kaszynski lần đầu tiên có ý tưởng chế tạo tinh thể lỏng zwitterionic là cách đây 17 năm trước, khi ông lần đầu tiên đặt chân đến Vanderbilt. Tuy nhiên, một cơ sở hóa học thiết yếu để làm như vậy là còn thiếu. Mãi cho đến năm 2002 khi các nhà hóa học người Đức phát hiện ra quy trình hóa học đó thì các nhà nghiên cứu Vanderbilt mới thành công trong nỗ lực này.

Nguồn: Đại học Vanderbilt, PhysOrg.com