Polymerointiaallonpituuden vaikutus nestekidepolymeerin järjestäytyneisyyteen

Abstract

Nestekidepolymeerit voivat toimia valoaktuaattoreina, jolloin ne muuttavat valosta saamansa energian mekaaniseksi liikkeeksi. Tämä onnistuu esimerkiksi liittämällä nestekidepolymeeriin valokemiallista väriainetta, joista yleisimpiä ovat atsobentseenin johdannaiset. Valoaktuaatio perustuu tällöin atsobentseenin trans-cis-isomeroitumiseen. Isomeroituminen sauvamaisesta trans-muodosta taipuneeseen cis-muotoon saadaan tyypillisesti aikaan UV-valolla ja se aiheuttaa nestekidepolymeeriin epäjärjestystä. Epäjärjestyksen lisääntyminen voimistuu makroskooppiseksi liikkeeksi, kun polymeeriverkostossa on alun perin ollut riittävän suuri järjestys. Nestekidepolymeereissä molekyylitason järjestys perustuu nestekiteiden itsejärjestymiseen. Nestekidepolymeerejä voidaan valmistaa valopolymeroinnilla, jossa useimmiten hyödynnetään UV-valoa. Nestekidepolymeerien tapauksessa tällöin polymerointiin ja atsobentseenin isomeroitumiseen tarvittavat aallonpituudet menevät osittain päällekkäin. Siten polymeroinnin aikana nestekidepolymeeriin tulee epäjärjestystä, vaikka tavoitteena olisi saada mahdollisimman hyvin järjestyneitä verkostoja. Tässä työssä tutkittiin kokeellisesti, miten atsobentseenin trans-cis-isomeroituminen jo polymeroinnin aikana vaikuttaa nestekidepolymeerin järjestykseen. Tutkimusta varten laboratoriossa valmistettiin nestekidepolymeerikalvoja kahdella eri polymerointiaallonpituudella. Aallonpituudet valittiin siten, että toisella niistä atsobentseeni isomeroitui polymeroinnin aikana (405 nm) ja toisella ei (550 nm). Valmistettujen kalvojen ominaisuuksista tutkittiin järjestysparametriä UV-vis-absorptiospektroskopialla, niiden kykyä toimia aktuaattoreina, mekaanisia ominaisuuksia dynamic mechanical analysis (DMA) -mittauksella sekä polymeroitumisastetta infrapunaspektroskopialla. Tulokseksi saatiin, että atsobentseenin isomeroituminen polymeroinnin aikana heikentää nestekidepolymeerien järjestystä, sillä 550 nm:llä polymeroitaessa järjestysparametriksi saatiin 0,629±0,002 kun 405 nm:llä polymeroitaessa saatiin vain 0,286±0,002. Järjestysparametrien ero oli myös osittain havaittavissa, kun tutkittiin kalvojen kykyä toimia aktuaattoreina. Eri aallonpituuksilla polymeroitujen nestekidepolymeerikalvojen vertailu oli kuitenkin haastavaa poikkeavien mekaanisten ominaisuuksien takia. Mekaaniset ominaisuudet olivat huomattavan erilaisia, koska eri polymerointiaallonpituuksilla jouduttiin käyttämään eri initiaattoreita. 550 nm:llä käytetty initiaattori toimi heikosti, jolloin polymeroituminen ei mennyt loppuun asti ja kalvo jäi pehmeämmäksi kuin 405 nm:llä polymeroitu näyte. Mekaanisten ominaisuuksien poikkeavuus vaikutti vähiten järjestysparametrien vertailtavuuteen, joten siitä saatiin luotettavia tuloksia.