Ученые нашли способ улучшить управление прозрачностью жидкокристаллических пленок для «умных стекол». Оптические свойства определяются перестройкой внутренней структуры микроскопических капель жидкого кристалла и могут настраиваться через один физический параметр. Это означает, что для управления контрастностью, скоростью переключения и энергопотреблением больше не требуется усложнять материал дополнительными модификациями и добавками. Результаты исследования опубликованы в журнале Molecules.
Экспериментальные образцы "умных стекол". Автор фото: Максим Лесной
Полимером диспергированные жидкие кристаллы представляют собой пленки, внутри которых находятся микрокапли жидкого кристалла. В обычном состоянии такие пленки рассеивают свет и выглядят матовыми, но при подаче электрического напряжения становятся прозрачными. Эти материалы используются в умных окнах, дисплеях и оптических устройствах, которые могут менять прозрачность под действием электрического сигнала. Такие пленки хорошо пропускают свет во включенном состоянии и имеют высокий контраст. Однако для работы современных образцов требуется подать довольно высокое рабочее напряжение, в 10 раз мощнее, чем для зарядки смартфона. Это ограничивает их применение, приводит к высокому энергопотреблению и требует больших и дорогих блоков питания. Ученые ищут способы сделать эти материалы более пригодными для практического использования: снизить рабочее напряжение, ускорить переключение, повысить контраст и максимальную прозрачность.
Ученые Красноярского научного центра СО РАН и Университета Тель-Авив (Израиль) нашли способ улучшить свойства «умного стекла» и разобрались, что происходит внутри него в тот момент, когда оно при подаче напряжения становится прозрачным. Ключ к этому эффекту в поведении капель жидкого кристалла, которые под действием электричества буквально перестраиваются внутри полимерной пленки. Они не просто измерили эффект, а связали его с конкретной структурой внутри капель и показали, как ею можно управлять.
В каплях жидких кристаллов формируется устойчивая «скрученная» внутренняя ориентационная структура, которая может существовать в двух состояниях. При подаче небольшого напряжения эта структура перестраивается. В результате рассеяние света исчезает, и пленка из мутной становится прозрачной.
Кроме того, специалисты обнаружили, что оптические свойства материала можно гибко настраивать, изменяя внутреннюю структуру микроскопических капель жидкого кристалла, в частности, меняя степень его «скрученности». Если задать особые наклонные граничные условия на поверхности капель и изменить степень «скрученности» структуры, можно улучшить оптические характеристики материала и скорость переключения для двух состояний.
«В микрокаплях жидкого кристалла образуется скрученная осесимметричная структура, угол закрутки которой увеличивается с ростом значения меры внутренней ″спиральности″ жидкокристаллического материала. Именно это значение определяет, как свет будет взаимодействовать со структурой и как она откликнется на внешнее поле. Чем больше закрутка, тем меньше пропускная способность пленки. Это приводит к резкому сокращению времени выключения и значительному росту контрастности пленки, то есть делает ″выключенное″ состояние более матовым», — отмечает Михаил Крахалев, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН.
Специалисты отмечают, что обнаружение зависимости между одним параметром и итоговыми свойствами материала открывает возможности более точного и целенаправленного дизайна «умных стекол» из полимером диспергированных жидких кристаллов.
«Исследование позволяет понять, как на самом деле ведет себя свет в сложных материалах, и научиться управлять им точнее, чем раньше. До этого, чтобы улучшить электрооптические характеристики полимером диспергированных жидких кристаллов, необходимо было варьировать состав и условия изготовления пленок, модифицировать их добавками, наночастицами, квантовыми точками или дихроичными красителями. Теперь нужные параметры можно будет настраивать, меняя только один физический параметр, а именно концентрацию закручивающей добавки в жидком кристалле, не усложняя состав и технологию изготовления пленки. Управляя этим значением, можно ″настраивать″ свойства пленки: делать ее более или менее контрастной, снижать энергопотребление или ускорять переключение. Это открывает путь к созданию удобных и технологичных умных материалов для электроники, архитектуры и фотоники, например, новых поколений умных окон, проекционных и голографических дисплеев, микролинз и лазеров. Результаты могут быть использованы для расширения области применения и улучшения функциональности полимером диспергированных жидких кристаллов. К тому же в будущем на основе этих данных станет возможным создание пленок, управляемых светом или температурой», — заключила Кристина Фейзер, младший научный сотрудник отдела молекулярной электроники ФИЦ КНЦ СО РАН.
Информация и фото предоставлены Федеральным исследовательским центром «Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук»
