302-Vloeibare-kristallen

Chemische editie 73 | nr 302 | april 2014
Feitelijkheden
De Context De vierde fase
De Basis Het belang van ordening
De Diepte Materialen voor de toekomst

auteur: Bastienne Wentzel

Vloeibare
kristallen

Bijzonder beeld

We gebruiken ze dagelijks: laptops, smartphones, dan van links naar rechts. Dit verschil in brekingsindex zorgt
digitale horloges en rekenmachines met een liquid onder meer voor de karakteristieke plaatjes vergelijkbaar met
christal display (lcd). Die beeldschermen kunnen die van zeepbellen. De werking van een lcd draait volledig
niet zonder vloeibaar kristal, een bijzondere stoffase die een om de unieke eigenschap om licht af te buigen of te draaien.
Oostenrijkse botanicus per toeval ontdekte. Onderzoekers ontwikkelen nog steeds nieuwe materialen
Het materiaal gedraagt zich als een vloeistof, maar verstrooit om beeldschermen scherper en sneller te maken of voor
ook licht. En net als kristallen is het beïnvloedbaar door elektri- toepassing als sensor om temperatuur of vocht te meten of
sche velden. Dat betekent dat de moleculen, in tegenstelling tot chemicaliën te detecteren.
in een normale vloeistof, enigszins geordend zijn zoals in een
kristal. De moleculen in het vloeibare kristal hebben een stijf In deze Chemische Feitelijkheid
middenstuk, een staaf bijvoorbeeld, voorzien van flexibele zij- • De Context: Hoe kan een materiaal tegelijk vloeibaar en
armen. De staven ordenen zich op allerlei manieren, in laagjes,
kolommen of zelfs wenteltrappen. kristal zijn? En wat hebben we daaraan?
De ordening geeft bijzondere eigenschappen die ook nog • De Basis: Hoe ontstaat de ordening die zorgt voor het
eens afhangen van de richting waarin je door het materiaal
kijkt. Zo is de breking van licht anders van voor naar achter bijzondere gedrag? Welke moleculen doen dat?
• De Diepte: Lcd-schermen zijn inmiddels wel uitontwikkeld.

Of niet? Wat kun je nog meer met vloeibare kristallen? |

2 De Context

Vloeibare kristallen Chemische Feitelijkheden | april 2014

Het is geen gewone vloeistof, maar ook geen kristal.

Vloeibare kristallen bezitten eigenschappen van beide.

Dat maakt ze geschikt voor veel toepassingen.

faseDe vierde
Op school leren we dat er drie fasen crystal display, inmiddels volledig ingebur-
zijn waarin stoffen zich kunnen Foto: ©Tomo.Yun (www.yunphoto.net/hl/ gerd als lcd-scherm.
bevinden: vast, vloeibaar of gas.
Maar al in 1888 noteert de Oostenrijkse Zeepbellen zijn eigenlijk ook vloeibare kristallen. Para-azoxy-anisool vertoont die eigen-
botanicus Friedrich Reinitzer dat een cho- schap enkel boven 118 °C, wat niet zo
lesterolachtige stof zich vreemd gedraagt Duitse fysisch chemicus. Die bevestigde praktisch is voor een beeldscherm. Maar
rondom het smeltpunt, de overgang van de observaties van Reinitzer en noemde eind jaren zestig is de stof MBBA (N-
vast naar vloeibaar. Eerst vormt zich een de verbindingen fliessende Krystalle. (4-methoxybenzylideen)-4-butylaniline)
melkachtige vloeistof die pas na verder gevonden die deze eigenschap bij kamer-
verwarmen helder wordt. In de jaren die volgden, bogen veel temperatuur vertoont. Tegenwoordig zijn
wetenschappers zich over het fenomeen. er tientallen van dergelijke verbindingen
Die melkachtige tussenfase, een fase In het begin van de twintigste eeuw ont- bekend die toepassing vinden in lcd's.
tussen vloeistof en vaste stof in met wikkelden ze een groot deel van de theo-
eigenschappen van beide, is later vloei- retische kennis over vloeibare kristallen, Monochroom
baar kristallijn gaan heten. Een belang- zoals de synthese van allerlei verschillen-
rijk kenmerk van die fase is dat ze zich de materialen, de ontdekking van de ver- In mei 1973 verscheen de eerste reken-
gedraagt als een vloeistof, maar lichtstra- schillende fasen en statistische theorieën machine met lcd-scherm, gemaakt
len kan verstrooien en elektrische velden over het gedrag van de moleculen. Na door Sharp. In oktober dat jaar volgde het
kan beïnvloeden als een kristal. Dat komt de Tweede Wereldoorlog dachten weten- eerste Seiko-horloge met cijfers van vloei-
doordat de moleculen toch enigszins schappers dat ze alles wel zo'n beetje baar kristal. In 1983 verscheen de eerste
geordend zijn. wisten en daalde de interesse voor het lcd-televisie ter wereld, de Casio pocket
vakgebied, omdat er ogenschijnlijk geen television. Het was een klein kastje ter
Speelgoed commerciële toepassing voor te bedenken grootte van een hand, met een blauwig,
viel. monochroom scherm met ruim 20.000
Lange tijd waren vloeibare kristallen pixels. De kleurenversie volgde twee jaar
vooral leuk speelgoed voor academi- Totdat fysisch chemicus Richard later.
ci. Reinitzer wist geen verklaring voor Williams van het Amerikaanse bedrijf
zijn ontdekking en consulteerde zijn col- RCA Laboratories begin jaren zestig ont- Dit lcd-kleurenbeeldscherm is in dertig
lega’s, onder wie Otto Lehmann, een dekte dat er in een bepaald type vloeibaar jaar tijd enorm verbeterd, onder meer
kristal, para-azoxy-anisool, patronen ont- door het gebruik van andere vloeibaar
Schlieren-textuur staan onder invloed van een elektrisch kristallijne verbindingen. De hedendaag-
veld. Verder onderzoek wees uit dat je de se platte televisies, smartphones, naviga-
©University of Glascow, www.gla.ac.uk) lichtdoorlatende eigenschappen van die tiesystemen, tablets en laptops hebben
materialen ook kunt schakelen met een een helder kleurenbeeld met miljoenen
Onder een polarisatiemicroscoop kun je een elektrisch veld. Door een stipje vloeibaar pixels van vloeibaar kristal. Het is een
zogenoemde Schlieren-textuur zien (Duits voor kristal te schakelen van licht naar donker enorme industrie waarin miljarden euro's
‘slierten’). Die textuur is een gevolg van het verschil kun je een beeldpunt van een beeld- omgaan. Maar vloeibare kristallen hebben
in brekingsindex van een vloeibaar kristal loodrecht scherm maken dat aan of uit kan. Een meer toepassingen in thermometers, sen-
op de richting van ordening en parallel daaraan. heel vlak vol van die pixels is een liquid soren, filters, coatings en slim glas (zie
kader Toepassingen en De Diepte).

Zeepbellen

De vloeibaar kristallijn verbindingen
die in beeldschermen zitten, verto-
nen hun speciale eigenschappen in een
bepaald temperatuurgebied, net als een
stof enkel vast is onder het smeltpunt.
Dit type heet thermotroop. Een tweede
klasse vloeibare kristallen zijn de lyotrope

Chemische Feitelijkheden | editie 73 | nummer 302 De Context 3

Toepassingen Vloeibare kristallen

De kleur licht die een cholesterisch vloeibaar kristal reflecteert, hangt af van de Touchscreen
temperatuur. Het ene materiaal is bijvoorbeeld rood onder de 35 °C en blauw
boven de 37 °C. Door een hele serie verschillende materialen op een rij te zetten, Veel lcd-schermen kun je tegenwoordig bedie-
kun je een thermometer maken die een heel temperatuurgebied meet, zoals nen door met je vinger erop te toetsen, het
deze koortsstrip die de lichaamstemperatuur op het voorhoofd aangeeft.

Dit soort vellen van vloeibare kristallen past de industrie toe om warmtestro-
ming in processen, scheuren in materialen (gekleurde plekken op het plaatje) of
onzichtbare fouten in halfgeleiders (chips) in kaart te brengen.

De moleculen in zeep zijn lyotrope vloeibaar kristallijne verbindingen. zogeheten touch screen. Over de lagen van vloei-
Afhankelijk van de concentratie en het oplosmiddel vertonen de zeepmoleculen
vloeibaar kristallijn gedrag baar kristal heen, die de pixels van het beeld vor-

men, ligt dan nog een andere laag, gescheiden van

de vloeibare kristallen met een glasplaatje, die de

Zonder vloeibare kristallen zouden lcd-televisies niet bestaan. De optische plaats detecteert waar je vinger het scherm raakt.
eigenschappen zijn schakelbaar met een elektrische spanning, tussen lichtdoor-
latend of niet. Je kunt een pixel van een beeldscherm dus aan- of uitzetten. Dat kunnen bijvoorbeeld twee geleidende lagen

zijn met wat ruimte ertussen. Zodra je de bovenste

zo ver indrukt dat hij de tweede raakt, gaat er een

stroom lopen en weet de elektronica waar je vinger

Slim glas is bedekt met een laagje doorzichtig vloeibaar kristal. Schakel je de zit. Een andere mogelijkheid is een geleidende
stroom in, dan wordt dit materiaal donker of ondoorzichtig en heb je minder
last van de zon. Toepassingen variëren van auto’s en gebouwen tot boten. laag die registreert wanneer iets geleidends zoals

je vinger het scherm raakt. Andere opties zijn een

rooster van infraroodstralen of ultrageluidstralen.

Deze biosensoren veranderen van kleur wanneer er een biologisch materiaal, Wanneer je je vinger op het scherm zet, onder-
zoals een cel, aan de vloeibaar kristallijne laag bindt. Alternatieven zoals gela-
belde sensoren vernietigen meestal de cellen, deze sensor laat ze in tact voor breek je de stralen en weet het scherm waar je
verder onderzoek.
vinger staat. |
Vloeibare kristallen kunnen endotoxine detecteren. In contact met die stof, die
op het celmembraan van bacteriën zit, verandert de ordening en daardoor de Niet alleen grote organische moleculen
reflectie van licht door de microdruppels vloeibaar kristal. Daarmee ontwikkelen vormen een vloeibaar kristallijne fase.
de onderzoekers nu een endotoxinesensor. Veel minder bekend zijn colloïdale sus-
pensies: microscopisch kleine deeltjes
Kevlar is een zogenoemd lyotroop vloeibaar kristallijn polymeer, het vertoont van bijvoorbeeld de mineralen bentoniet,
alleen in oplossing vloeibaar kristallijn gedrag. Net als zeep dus eigenlijk. sepioliet of imogoliet, in een oplosmid-
Dupont ontdekte deze ijzersterke supervezel (vijf keer zo sterk als staal) tijdens del. Sommige van die suspensies verto-
onderzoek naar vloeibare kristallen, totdat duidelijk werd dat de staafjes een nen lyotroop vloeibaar kristallijn gedrag.
zeer regelmatig en ijzersterk netwerk vormen met waterstofbruggen. De kleideeltjes ordenen zich in staafjes,
plaatjes of buisjes en geven op die manier
verbindingen. Die laten afhankelijk van kleur van sommige kevers komt van een vloeibaar kristallijne eigenschappen aan
het oplosmiddel en de concentratie van vloeibaar kristallijn materiaal. de suspensie.
de oplossing waarin ze zich bevinden
vloeibaar kristallijn gedrag zien. Dit type De gevouwen structuur die ervoor zorgt Verder bestuderen wetenschappers
vind je op grote schaal in de natuur. Het dat de dubbele DNA-helix in een celkern vloeibaar kristallijne fasen van nanobuis-
bekendste voorbeeld is zeep. Dat vormt past, vertoont vloeibaar kristallijne eigen- jes van metalen zoals goud. Die zouden
micellen (bolletjes van zeepmoleculen) schappen. Ook celmembranen zoals die weleens handig kunnen zijn voor toepas-
bij een bepaalde concentratie in water. van rode bloedcellen zijn vloeibaar kristal- sing in nieuwe elektronische gadgets.
Die oplossing heeft vloeibaar kristallijne lijn. Bloed kan onder sommige omstan- Maar zover is het voorlopig nog niet. |
eigenschappen. digheden, bijvoorbeeld door ziekte, vloei-
baar kristallijn gedrag vertonen. Dat is Bron: imec
Ook in levende organismen stikt het gevaarlijk omdat de stroperigheid van
van de vloeibare kristallen. Dat is niet het bloed toeneemt, zodat het niet meer Het Belgische onderzoeksinstituut imec maakte een
verwonderlijk, want de vloeibaar kristal- goed stroomt. Dat gebeurt bij de ziekte contactlens met lcd-display.
lijne fase vertoont genoeg ordening om sikkelcelanemie, waarbij het aminozuur
biologische functies uit te voeren, terwijl glutamine in hemoglobine (het zuurstof-
het niet zo hard en stijf is als een vaste bindende eiwit in bloed) is vervangen
stof. Het slijm van slakken is een vloei- door valine, waardoor hemoglobine vloei-
baar kristal. En de prachtige iriserende bare kristallen vormt.

4 De Basis

Vloeibare kristallen Chemische Feitelijkheden | april 2014

De eigenschappen van vloeibare kristallen hangen af van de

richting waarin je kijkt. Bovendien laat het materiaal zich

makkelijk richten en ordenen.

ordeningHet belang van
Een stof is vloeibaar kristallijn als
de moleculen zich ordenen in een alle richtingen gelijk zijn. Vergelijk het ofwel de optische anisotropie. Het maakt
bepaalde richting. Ze hebben min- met een stuk hout: het is makkelijker om uit hoe je licht door een vloeibaar kristal
der bewegingsvrijheid dan in een vloei- dat met de vezels mee door te hakken dan laat vallen: van links naar rechts of van
stof, maar zijn niet zo plaatsgebonden als loodrecht erop. Die zogenoemde aniso- boven naar beneden, parallel aan de kijk-
in een kristal. Het belangrijkste gevolg tropie is wat vloeibare kristallen bijzonder richting of loodrecht erop. De brekings­
van de ordening is dat de fysische eigen- maakt. index, die aangeeft hoe sterk een licht-
schappen van vloeibare kristallen niet in straal afbuigt op het grensvlak van twee
Het gebruik van deze materialen draait materialen, verschilt voor beide richtin-
voornamelijk om de breking van licht, gen. Het materiaal is dubbelbrekend. De
verschillen in brekingsindex zorgen voor
Ordening in vloeibare kristallen mooie plaatjes die zo karakteristiek zijn
voor vloeibare kristallen, de zogenoemde
OC8H17 Schlieren-textuur.

N OCH3 Vloeibare kristallen vertonen ook elek-
N trische anisotropie. Een van de effecten
H3CO C8H17 O OC8H17 daarvan is dat je vloeibare kristallen mak-
O OC8H17 kelijk kunt richten door er een elektrische
OO spanning op te zetten. Onder een licht­
OO microscoop zie je dan de Schlieren-tex-
tuur veranderen. Dit effect is essentieel
O O voor de werking van een lcd (zie De
O Diepte).

O Eigenschappen ontwerpen

C8H17 O O De moleculen waaruit vloeibare kris-
tallen bestaan, hebben een unieke
OO structuur. Ze bevatten allemaal een stijf
O (rigide) deel, vaak in de vorm van een
staaf of een schijf. Daaraan verbonden zit-
nematisch OC8H17 ten beweeglijke zijketens. Die moleculen,
basisbouwstenen van het polymeer, heten
C10H21O S C5H11 discotisch nematisch discotisch columnair ook wel mesogenen.

O Omdat de zijketens van het vloeibaar
kristallijne molecuul vergeleken met een
O vaste stof wel veel bewegingsvrijheid heb-
C13 H27 ben, gedragen die zich als een vloeistof.
Zo kan het gebeuren dat de stof zowel
O eigenschappen van een vloeistof als van
een vaste stof heeft. Door aan de mole-
smectisch A smectisch B cholesterisch cuulstructuur van het vloeibare kristal te
knutselen, kun je het materiaal speciale
en gewenste eigenschappen meegeven.

Onderzoekers kunnen tot op zekere
hoogte voorspellen of een molecuul dat

Chemische Feitelijkheden | editie 73 | nummer 302 De Basis 5

Moleculen richten Vloeibare kristallen

Het is ook mogelijk om de richting waarin de moleculen in vloeibare kristallen zich ordenen van culen met hun lengte-as allemaal in één
buitenaf te beïnvloeden door 1. ze op een geribbeld oppervlak te brengen of 2. door een elektrisch richting staan, maar de moleculen nog
veld aan te brengen. Daarmee krijgen onderzoekers controle over de ordening van de moleculen in wel van onder naar boven of van links
bijzondere fasen. 3. Deze ordening beïnvloedt het al dan niet doorlaten van licht, de kleur van het naar rechts kunnen bewegen, ontstaat de
materiaal of de elektrische eigenschappen. (Bron: zie literatuur pagina 8) zogenoemde nematische fase. Dit type
vloeibaar kristal is het minst geordend.
Als de staven zich ook in lagen ordenen,
dan ontstaat de smectische fase.

Schijfvormige moleculen kunnen een
vloeibaar kristallijne fase vertonen wan-
neer de schijven allemaal plat op elkaar
liggen. De beweeglijke zijketens vormen
een soort mantel om de rigide stapel
heen die net als in de nematische fase
(staafvormige mesogenen) de vloeibare
eigenschappen aan het vloeibare kristal
geven.

Bovendien kunnen de gestapelde schij-
ven of staafjes ten opzichte van elkaar
draaien, zodat een helix ontstaat. Die fase
heet chiraal nematisch omdat het gaat om
staafjes of schijfjes die een helix vormen.
Die helix, ofwel een wenteltrap, kan links-
of rechtsom draaien. Dit is de zogenoem-
de cholesterische fase, naar de fase die
– naar later is ontdekt – het cholesterol­
derivaat vertoont waarvan Reinitzer in
1888 vaststelde dat het een bijzondere
fase vertoonde. Zo’n helix van vloeibaar
kristallijne mesogenen heeft een niet
identiek spiegelbeeld, vergelijkbaar met
je linker- en je rechterhand.

bereik beïnvloeden. Door meerdere ver- Bananen
bindingen te mengen die bij een verschil-
lende temperatuur vloeibaar kristallijn Het rigide deel van het molecuul
zijn, ontstaat het zogenoemde E7-meng- hoeft overigens niet recht of plat
ze op de tekentafel hebben ontworpen sel. Dat bestaat uit cyanobifenylverbin- te zijn. Een relatief nieuwe, bijzondere
daadwerkelijk vloeibaar kristallijn gedrag dingen met zijketens van vijf, zeven en
vertoont. Het onbuigzame deel kan een negen koolstofatomen. Door te variëren vorm is het zogenoemde banaanvor-
staaf zijn, zoals een aantal fenylringen met de moleculaire samenstelling van
aan elkaar, of een schijf zoals een porfy- het rigide deel ontstaan de verschillende mige vloeibaar kristal met een gebo-
rine, ftalocyanine of een pyreenachtige fasen of hebben de verbindingen verschil-
verbinding. Een van de meest bekende lende kleuren. gen onbuigzaam deel. Soms vormen ze
vloeibare kristallen die bestaat uit een
staafvormig molecuul is de modelverbin- Wenteltrap een zogenoemde biaxiale fase, die niet
ding 5CB, ofwel 4-cyano-4’-pentylbifenyl.
De staarten zijn meestal alkylketens. De rigide delen van de moleculen één draai-as bezit, maar twee. De biaxi-
ordenen zich doorgaans spontaan
NC C5H11 in één richting (uniaxiaal), rond de zoge- ale moleculen zijn interessant omdat ze
noemde draai-as, en zitten daardoor dicht
5CB: 4-cyano-4'-pentylbifenyl opeengepakt net als de moleculen in een zowel een lange als een korte as bezitten.
vaste stof. Net als lucifers in een doosje
Voor veel toepassingen is het nodig altijd redelijk netjes in dezelfde richting Schakelen door om de korte as te draaien
om materialen te vinden die vloeibaar liggen.
kristallijn zijn binnen een groter tempe- duurt vrij lang omdat het hele staafje
ratuurbereik dan met een enkele verbin- De talloze soorten kristallijne fasen ver-
ding mogelijk is. Een voorbeeld is een schillen in de manier waarop de molecu- moet ronddraaien als een molenwiek.
beeldscherm, dat moet functioneren bij len zich ordenen (zie ook kader Ordening).
-10 °C tot +50 °C. Als je de lengte van de Wanneer bijvoorbeeld staafvormige mole- Dat is normaal gesproken de manier
zijketens wijzigt, kun je het temperatuur-
waarop een uniaxiaal vloeibaar kristal

schakelt in bijvoorbeeld beeldschermen.

Schakelen door om de tweede, lange as

(als een heel langwerpige tol) te draaien,

zou veel sneller gaan, waarmee dit een

geschikt materiaal zou zijn voor snelle

beeldschermen.

Biaxiale moleculen krijgen weleens de

naam de Heilige Graal te zijn van vloei-

baar kristalonderzoek. Er verschillende

publicaties over het bestaan van derge-

lijke moleculen die later als onjuist zijn

ontmaskerd (zie ook De Diepte). |

6 De diepte

Vloeibare kristallen Chemische Feitelijkheden | april 2014

Eén uitvinding die helemaal te danken is aan vloeibare

kristallen is het platte beeldscherm. Maar er kan nog

veel meer mee.

Materialen
voor futuristische elektronica

Lcd-beeldschermen zijn veel dunner rijkste en oudste maakt gebruik van een miebedrijf Merck. Die ontwikkelden het
en lichter dan de traditionele buizen- zogenoemde twisted nematic (TN), een sneller schakelende vloeibaar kristallijn
televisie en maken alle vormen van gedraaide nematische fase waarin de materiaal.
mobiele elektronica mogelijk. De werking staafvormige moleculen een helix vor-
van een lcd berust op een belangrijke men. Met een elektrische spanning kun Om de gewenste beeldeigenschappen
eigenschap van met name nematische je de draai uit de helix halen. Ingeklemd te krijgen, worden soms twintig of meer
vloeibare kristallen (zie de Basis). De opti- tussen de juiste polarisatiefilters laat dit stoffen uit een bibliotheek gemengd, zoals
sche eigenschappen zijn schakelbaar met materiaal geen licht door wanneer er geen voor de stof E7 (zie Basis). Die mengsels
een elektrische spanning tussen lichtdoor- draai in de stapel moleculen zit. Zonder worden speciaal ontwikkeld voor beeld-
latend of niet. Je kunt een pixel van een spanning draaien de moleculen zich weer schermproducenten zoals Samsung. Die
beeldscherm dus aan- of uitzetten. op tot een helix en laat het wel licht door. krijgen een kant-en-klaar mengsel in han-
De pixel is dus zwart of wit, zoals in den op basis van hun specificaties. De
Er is een variëteit aan principes waarop een oude rekenmachine, de eenvoudigste samenstelling blijft geheim.
lcd-schermen werken. Een van de belang- vorm van een beeldscherm (zie kader
‘Hoe werkt een lcd-scherm?’). Een van de nieuwste ontwikkelingen is
Zonnebrileffect Deze mogelijkheid tot schakelen werd al de ontdekking van de zogenoemde blue
in 1927 beschreven, maar het duurde nog phase die in opmars is voor het gebruik in
Licht bestaat uit fotonen die trillen. De rich- tot 1970 voordat er een octrooi werd aan- nog snellere, energiezuiniger beeldscher-
ting van die trilling is normaal gesproken gevraagd op dit zogenoemde twisted nema- men. Het eerste vloeibare kristal dat die
willekeurig. Bij gepolariseerd licht trillen de tic field effect door Hoffmann-LaRoche in fase vertoonde, reflecteerde alleen blauw-
Zwitserland. De eerste Zwitserse horloges violet licht, vandaar de naam blauwe fase.
fotonen maar één kant uit. Een polarisatiefilter, met een digitaal display zijn gemaakt met Die bijzondere reflectie ontstaat door een
een licentie van dit octrooi. Al snel volgde driedimensionale kubische ordening van
bijvoorbeeld die van een polaroid-zonnebril, het verre oosten met de zakjapanners en de moleculen in plaats van de tweedi-
andere elektronica. mensionale ordening in de nematische of
zorgt ervoor dat ongepolariseerd licht wordt smectische fase.
Bibliotheek
gepolariseerd. De filter laat namelijk alleen De eerste experimenten wijzen uit dat
De originele lcd heeft bij toepassing met blue phase zeer snel schakelende
fotonen door die een bepaalde kant uit trillen. in televisie nogal wat nadelen als pixels zijn te maken. Bovendien is het
het gaat om scherp, helder en contra- niet nodig het vloeibaar kristal speciaal uit
Laat je dit licht nogmaals op een polarisatie- strijk beeld. Het materiaal is te viskeus, te lijnen op een drager, wat het productie-
de pixels schakelen te langzaam van aan proces in theorie goedkoper zou kunnen
filter vallen, maar dan eentje die een kwart naar uit en omgekeerd. Zo lijkt een voet- maken. In 2008 creëerde Samsung een
bal een streep te trekken bij een schot. De lcd-scherm met deze technologie. Maar
slag is gedraaid, dan komt er helemaal geen ordening van de helix gaat simpelweg niet het is nog steeds niet commercieel ver-
snel genoeg. krijgbaar.
licht meer door. Dat effect kun je zien wanneer
De huidige generatie beeldschermen Verankerd in een polymeer
je twee polaroidzonnebrillen gekruist achter zijn van het type tft (thin film transistor),
ook wel active matrix lcd’s genoemd. Deze Vloeibare kristallen zijn ook heel
elkaar houdt. | klasse kan wel snel genoeg schakelen geschikt voor diverse andere toepas-
door snellere elektronica. Dat we inmid- singen. De eersten hiervan komen nu
ongepolariseerd licht gepolariseerd licht dels lcd-televisie hebben, is te danken langzamerhand op de markt, zoals tem-
aan onderzoekers van met name che- peratuursensoren en slim vensterglas
voor bijvoorbeeld kantoren dat meekleurt
onder invloed van zonlicht. De meeste

Chemische Feitelijkheden | editie 73 | nummer 302 De diepte 7

Hoe werkt een lcd-scherm? Vloeibare kristallen

De eerste lcd’s voor onder andere reken- men van elektroden, waarbij het kruispunt van Wanneer de stroom uit staat op een pixel is
machines maken gebruik van zogenoemde een rij en een kolom precies één pixel is. het nematisch vloeibaar kristal uitgelijnd in
twisted nematic vloeibare kristallen (TN). Met 3 Een laag (ongeveer vijf micrometer dik) van een helix en wordt het gepolariseerde licht
hulp van elektrodes en polarisatiefilters en, voor gedraaid nematisch vloeibaar kristal. De staaf-
kleurenbeeld, een kleurfilter, wordt er een pixel vormige moleculen vormen een helix die een door beide polarisatiefilters doorgelaten
van gemaakt. kwart slag draait (90°) tussen de elektroden (links). De pixel is wit. Schakel je de
1 Polarisatiefilter met een verticale as polari- wanneer de stroom uit staat. Daardoor wordt
het verticaal gepolariseerde inkomende licht stroom in (rechts) dan richten de staafjes
seert het licht verticaal wanneer het binnen- ook een kwart slag gedraaid. zich naar de stroom en vormen geen helix
komt. 4 Glasplaatje met transparante elektroden van meer. Het gepolariseerde licht wordt door
2 Glasplaatje met transparante elektroden van ITO. de tweede filter niet meer doorgelaten. De
ITO (indiumtinoxide). De vorm van de elek- 5 Polarisatiefilter met een horizontale film. Het
troden bepaalt de figuur die je ziet wanneer de gedraaide, dus nu horizontaal gepolariseerde pixel is zwart.
lcd aanstaat. Bij een tv zijn het rijen en kolom- licht wordt in deze toestand doorgelaten: de
pixel is wit. Staat de stroom aan, dan wordt het
licht niet gedraaid en wordt het verticaal gepo-
lariseerde licht door de filter tegengehouden.
De pixel is zwart.
6 Lichtbron (zoals led) of reflecterend oppervlak
dat het licht naar de kijker zendt.
7 Kleurfilter

van die toepassingen maken gebruik van ces reflecteren namelijk licht, afhankelijk gen tussen de eenheden van de gepoly-
vloeibaar kristallijne materialen die, nadat van hoe strak ze gedraaid zijn. De afstand meriseerde vloeibaar kristallen.
ze hun bijzondere configuratie zoals een die nodig is voor de wenteltrap om een
helix hebben aangenomen, in die positie hele draai van 360° te maken heet een Voeg je aan het polymeer een lichtge-
worden verankerd door middel van poly- spoed. Het materiaal absorbeert al het voelig molecuul toe, zoals azobenzeen,
merisatie. licht, behalve het licht met de exacte de dan ontstaat een lichtgevoelig materiaal
golflengte van deze spoed (Bragg-reflec- of een materiaal dat infrarood weerkaatst
De flexibele zijketens bevatten in dit tie). Is de spoed bijvoorbeeld 650 nano- en zichtbaar licht niet. Daarvan zijn slim-
geval polymeriseerbare uiteinden zoals meter, dan wordt rood licht gereflecteerd. me ramen te maken. Die zijn volledig
acrylaat-groepen, die onder invloed van Draait de helix wat strakker op en wordt doorschijnend, totdat er zonlicht op valt.
uv-licht een polymeer vormen. Zo ont- de spoed 550 nanometer, dan is het mate- Dan kleuren ze donker, of je kunt zorgen
staat een plasticachtig materiaal dat zelfs riaal groen. dat er wel licht, maar geen warmte (infra-
met een inkjetprinter op een oppervlak roodstraling) door het glas komt. De airco
is te drukken, een makkelijke en goed- De lengte van de spoed hangt af van de kan daardoor een tandje lager. Met name
kope manier van productie. Onder meer temperatuur. Dus de kleur van het mate- de auto-industrie past dit soort materia-
Merck en Philips doen onderzoek aan die riaal verandert afhankelijk van de tempe- len graag toe.
materialen. Beide bedrijven hebben een ratuur, waardoor je er een thermometer
grote bibliotheek met vloeibare kristallen of temperatuursensor van kunt maken. Robothand
aangelegd. Andere materialen reageren op de zuur-
graad van de omgeving of op water. De Je kunt ook bewegende materialen,
Polymere chirale vloeibare kristallen spoed van de helix verandert in dat geval ofwel actuatoren, van vloeibare kris-
zijn goed te gebruiken als temperatuur- door het beïnvloeden van waterstofbrug- tallen maken. Dat zijn stukjes plastic
sensor die werkt zonder batterij. De heli-
die door een impuls van buitenaf gaan

bewegen. Ze rollen bijvoorbeeld op, of

Beam me up… vormen rimpels door licht, vocht of een

Vloeibare kristallen in een polymeer zouden ook wel wanneer je vloeibare kristallen gebruikt. Die elektrische spanning. Een voorbeeld is
geschikt kunnen zijn om data op te slaan, veel kun je namelijk na gebruik met een elektrische
een materiaal voor robotvingers dat de

TU/e ontwikkelt samen met Philips. Dat

meer data dan bijvoorbeeld blue ray-disks. Data spanning ordenen in de oorspronkelijke toestand zou er voor moeten zorgen dat de hand

op zulke schijfjes wordt uitgelezen met laserlicht waarna het schrijfproces opnieuw kan beginnen. | spullen los kan laten.

en berusten op diffractie (afbuiging) van de licht- Het normaal gesproken gladde kunst-

stralen. Holografische data wordt uitgelezen op stof krijgt een kleine elektrische puls

basis van interferentie van de lichtstralen (zoals waardoor kleine rimpels ontstaan.

het patroon van de kringen van watergolven die Gladde robotvingers zijn soms lastig

tegen elkaar botsen wanneer je twee stenen naast omdat spullen zoals blikjes of papier

elkaar in het water gooit). Deze techniek werkt, eraan blijven kleven. Door ze even te

maar de data is nog niet herschrijfbaar. Dat kan rimpelen, zou de robothand de spullen

netjes los moeten laten. |

8 Aanvullende informatie Chemische Feitelijkheden | april 2014

Vloeibare kristallen In the mood

Meer weten

Aanbevolen literatuur Een mood ring zou je emotie weerspiegelen. Kleurt de ring geel,
- Dick J. Broer, Cees M. W. Bastiaansen, Michael G. Debije, dan ben je gespannen, zwart geeft een angstig gevoel weer en groen
en blauw betekent dat je rustig en ontspannen bent. Het vloeibaar
and Albertus P. H. J. Schenning. ‘Functional Organic kristal in de ring verandert van kleur wanneer je lichaamstemperatuur
Materials Based on Polymerized Liquid-Crystal Monomers: verandert. De theorie is dat de lichaamstemperatuur fluctueert met je
Supramolecular Hydrogen-Bonded Systems.’ Angew. Chem. gemoedstoestand, zodat de ring op die manier je emoties kan meten.
Int. Ed. 2012, 51, 7102 – 7109
- Jan P.F. Lagerwall a,b,*, Giusy Scalia. ‘A new era for liquid 2. Wat betekent thermotroop?
crystal research: Applications of liquid crystals in soft matter 3. Wat is de aanduiding voor de posities van zijgroepen aan een
nano-, bio- and microtechnology.’ Current Applied Physics 12
(2012) 1387-1412. benzeenring?
- H. N. W. Lekkerkerker and G. J. Vroege. ‘Liquid crystal phase 4. Wat is een micel? Geef een schets van de opbouw van een
transitions in suspensions of mineral colloids: new life from
old roots.’ Phil. Trans. R. Soc. A 2013 371, 20120263. micel.
De figuren uit het kader moleculen richten op pagina 5 komen uit: 5. Hoe zorgt vervanging van glutamine door valine bij sikkel-
- Liquid-crystal polymers: Exotic actuators, Gustavo
Fernández, Nature Materials 2013, Volume 12, 12-14, celanemie voor een andere ruimtelijke vorm van hemoglo-
doi:10.1038/nmat3526 bine?
- Molecular simulations elucidate electric field actuation in 6. Wat betekent dubbelbreking?
swollen liquid crystal elastomers Gregor Skacej and Claudio 7. Hoe werkt een polarisatiemicroscoop?
Zannoni, december 2011 Proceedings of the National Academy 8. Wat is de spoed van een helix?
of Sciences of the United States of America (PNAS), vol. 109, 9. Wat is het verband tussen polarisatie van licht en chirale
no. 2610193-10198, doi: 10.1073/pnas.1121235109, vloeibare kristallen?
www.pnas.org/content/109/26/10193.figures-only 10. Hoe houden 'slimme' ramen auto's, kamers en kantoren
koel?
Aanbevolen websites
- Er zijn meerdere goede tutorials op het web te vinden

(meestal in het Engels), waaronder deze:
http://barrett-group.mcgill.ca/tutorials/liquid_crystal/LC01.htm
http://lcp.elis.ugent.be/tutorials/lc
- Na het zien van deze video weet je precies hoe een lcd werkt:

http://www.youtube.com/watch?v=k7xGQKpQAWw

Voor op school
1. Wat is op moleculair/atomair niveau het belangrijkste

onderscheid tussen kristallen en vloeibare kristallen?

Colofon Vloeibare kristallen

Chemische Feitelijkheden: actuele Basisontwerp: Menno Landstra Een abonnement op Chemische Feitelijk­ editie 73
encyclopedie over moleculen, mensen, heden geeft via de website toegang tot tien nummer 302
materialen en milieu. Losbladige uitgave Uitgever: nieuwe edities per jaar en het totale online april 2014
van de KNCV, verschijnt driemaal per jaar Sijmen Philips, Bèta Publishers archief. Daarnaast ontvangen abonnees in Met dank aan:
met in totaal tien onderwerpen. Postbus 19949, 2500 CX Den Haag drie zendingen per jaar de losbladige edities. • Dick Broer, TU Eindhoven, D.Broer@
tel. 070-26 29 100, [email protected]
Redactie: Tarieven vanaf 2014 tue.nl
Corry van Driel (C2W), Franny Scholte Abonnementen: Voor particulieren: • Johan Lub, Philips Research
(C2W), Gerard Stout Abonnementenland, Antwoordnummer 1822 Online toegang met inlogcode en papieren
1910 VB Uitgeest editie (inclusief verzamelmap): e 83,50*. Eindhoven, [email protected]
Redactie en realisatie: tel. 0900-226 52 63 (e 0,10/minuut) Leden van KNCV, KVCV en NVON krijgen • Albert Schenning, TU Eindhoven,
Bèta Publishers, tel. 070-262 91 00 [email protected] e 10,- korting.
[email protected] Abonnementen kunnen elk gewenst moment Voor bedrijven en (onderwijs)instellingen: [email protected]
ingaan. Wij hanteren de opzegregels uit Onbeperkt toegang tot de digitale edities op
Fotoverantwoording: het verbintenissenrecht. Wij gaan ervan uit basis van IP -adres en papieren editie in drie­ ISSN 0168-3349
Foto's zonder bronvermelding zijn dat Chemische Feitelijkheden altijd wordt voud (inclusief verzamelmappen): e 250,-*. www.chemischefeitelijkheden.nl
afkomstig van www.dreamstime.com ontvangen uit hoofde van het beroep. Losse nummers: e 9.95* per stuk te
Hierdoor wordt het abonnement automatisch bestellen bij Abonnementenland.
Opmaak: F.Koeman DTP Services met een jaar verlengd tenzij 2 maanden vóór *Bij betaling per acceptgiro wordt e 2,95
[email protected] de einddatum een opzegging is ontvangen. extra in rekening gebracht.