Functionalized inorganic liquid crystals

Titelangaben

Khoruzhenko, Olena:
Functionalized inorganic liquid crystals.
Bayreuth , 2024 . - 128 S.
( Dissertation, 2023 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00007374

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Abstract

Die Herstellung dynamischer, aber funktioneller Strukturen ist eine Herausforderung. In dieser Arbeit nutzen wir die flüssigkristallinen Eigenschaften von Hectorit und dessen Fähigkeit, geordnete Interstratifikationsstrukturen zu bilden, um dem Flüssigkristall mit Hilfe der funktionellen 0D-Partikel zusätzliche funktionelle Eigenschaften zu verleihen. Wir haben dem Hectorit-Flüssigkristall die magnetischen und die Lichtumwandlungseigenschaften hinzugefügt. Wir haben die Anisotropie von 2D-Nanoblättern genutzt und sie auf isotrope 0D-Nanopartikel übertragen. Das gesamte flüssigkristalline System erwirbt die funktionellen Eigenschaften von Nanopartikeln und bewahrt die Anisotropie von Hectorit-Nanoblättern. Die resultierenden Nanoblätter wurden in verschiedenen Formen für praktische Anwendungen von Hydrogelen bis hin zu Beschichtungen verwendet.
Die erste Arbeit beschreibt die Herstellung anisotroper, magnetischer Flüssigkristalle durch die Kombination von Fluorohectorit mit Maghemit-Nanopartikeln. Fluorohectorit ist aufgrund seiner Ladungshomogenität und seines Aspektverhältnisses, das eine geordnete Schichtung von Na+- und NH4+-Schichten ermöglicht, ein einzigartiges Material. Meghemit-Nanopartikel sind zwischen den Fluorohectorit-Schichten eingelagert, wodurch magnetische Nanoblätter in Sandwichbauweise entstehen. Die MDS weisen ein LC-Verhalten auf und können senkrecht oder parallel zu einem einfallenden Magnetfeld ausgerichtet werden. Die Eigenschaften der MDS sind abhängig von der NP-Beladung und ihre Reaktion auf Magnetfelder ist richtungsabhängig. Die resultierende ferronematische Suspension ist in Wasser stabil und zeigt eine stark anisotrope magnetische Reaktion, die durch Anpassung des Ausgangsverhältnisses der Komponenten eingestellt werden kann. Insgesamt bietet diese Methode eine einfache Möglichkeit zur Herstellung anisotroper nanoblattförmiger Kolloide mit einstellbaren Wechselwirkungen zwischen den Partikeln und magnetischen Eigenschaften.
In der nächsten Veröffentlichung wird die Anwendung der MDS in Hydrogelen hervorgehoben, wo sie anisotrope mechanische Eigenschaften und eine schnelle magnetische Reaktionsfähigkeit bieten. Wir haben anisotrope Hydrogele entwickelt, wobei wir uns von Konzepten biologischer Gewebe inspirieren ließen. Wir erreichten dies, indem wir Polymerketten oder anorganische Füllstoffe mit Hilfe von Magnetfeldern zu geordneten Strukturen in weichen Matrizen ausrichteten. DieAusrichtung der MDS in den Hydrogelen wurde durch ein statisches und ein rotierendes Magnetfeld erreicht. Hydrogele mit hoch geordneten MDS besitzen einzigartige anisotrope optische und mechanische Eigenschaften und zeigen anisotrope Reaktionen auf Temperaturänderungen. Die Hydrogele sind nützlich für die Entwicklung funktioneller Materialien und weicher Aktuatoren mit vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten und zeigen durch Licht und Magnetfelder gesteuerte Bewegungen. Die Kombination verschiedener Reiz-Reaktions-Eigenschaften der Hydrogele hat das Potenzial, den Entwurf und das Management von weichen Aktoren und Robotern für spezifische Anwendungen zu verbessern.
Der letzte Beitrag schließlich befasst sich mit der Entwicklung einer auf der Nasskolloidchemie basierenden Methode zur Herstellung dünner, transparenter Beschichtungen mit anisotroper Wärmeleitfähigkeit. Die Beschichtungen werden aus einer flüssigkristallinen, elektrostatisch stabilisierten Suspension von Doppelstapelstrukturen hergestellt, die aus kugelförmigen Goldnanopartikeln bestehen, die zwischen zwei dielektrischen 1 nm dicken Silikat-Nanoblättern liegen. Die DS-Strukturen sind auf einem ebenen Substrat in einer bestimmten Ausrichtung angeordnet, um eine anisotrope Wärmeleitfähigkeit zu erzielen, ohne dass eine strukturierte Oberfläche erforderlich ist. Die Absorption der Meta-Oberfläche ist durch Modulation der plasmonischen Kopplung über eine Variation der Nanopartikelladung einstellbar. Diese Beschichtungen ermöglichen eine schnelle Entnebelung und Entfrosten unter NIR-Bestrahlung.

Abstract in weiterer Sprache

Making dynamic, yet functional structures is challenging. In this thesis, we evoke the liquid crystalline properties of hectorite and the ability to form ordered interstratification structures to add additional functional properties to the liquid crystal using the functional 0D particles. We have added the magnetic and the light-conversion properties to the hectorite liquid crystal. We utilized anisotropy of 2D nanosheets and translate it to OD isotropic nanoparticles. The whole liquid crystalline system acquires functional properties of nanoparticles and preserves anisotropy from hectorite nanosheets Resulting nanosheets was used in different forms for practical application from hydrogel to coating.
The first paper describes the fabrication of anisotropic magnetic liquid crystals by combining fluorohectorite with maghemite nanoparticles. The fluorohectorite is a unique material due to its charge homogeneity and aspect ratio, which allows for ordered interstratification of Na+ and NH4+ layers. Maghemite nanoparticles are intercalated between the layers of fluorohectorite, creating a magnetic double stack (MDS). The MDS exhibits liquid crystalline behavior and can be oriented perpendicular or parallel to an incoming magnetic field. The properties of the MDS are dependent on the NPs loading and their response to magnetic fields is direction-dependent. The resulting ferronematic suspension is stable in water and exhibits a highly anisotropic magnetic response that can be tuned by adjusting the starting ratio of components. Overall, this method provides a simple way to create anisotropic nanosheet-shaped colloids with adjustable interparticle interaction and magnetic properties.
In the next publication, we highlight the application of the MDS in hydrogel, where they offer the anisotropic mechanical properties and fast magnetic responsiveness. We developed anisotropic hydrogels using concepts inspired by biological tissues. We achieved this by aligning polymer chains or inorganic fillers into ordered structures within soft matrices using magnetic fields. The alignment of the MDS in the hydrogel was achieved using a static and rotating magnetic field. Hydrogels with highly ordered MDSs possess unique anisotropic optical and mechanical properties and exhibit anisotropic responses to changes in temperature. The hydrogels are useful in designing functional materials and soft actuators with versatile applications, and they exhibit multi-gait motions steered by light and magnetic fields. The combination of various stimulus-response properties of the hydrogels has the potential to enhance the design and management of soft actuators and robots for specific applications.
Finally, the last paper focuses on the development of a wet colloid chemistry-based method to fabricate thin, transparent coatings with anisotropic heat conductivity. The coatings were made using a liquid crystalline, electrostatically stabilized suspension of DS structures with spherical gold nanoparticles sandwiched between two dielectric 1 nm thick silicate nanosheets (AuDS). The AuDS structures were deposited on a planar substrate, adopting a defined orientation to the surface and yielding anisotropic heat conductivity. The absorbance of the metasurface is tunable by modulating plasmonic coupling via a variation of nanoparticle loading. These coatings allow for fast defogging and defrosting under solar irradiation.