7.2 Oversettelse av fellesskapsfølelse
7.2.2 Interessering
De acordo com os art igos est udados [53, 55], a irr adiação de um …lme de OTE por luz UV promove a quebra das ligações ent re o silano e as cadeias “ alkil ” do surfact ant e, causando a remoção de boa part e das cadeias carbônicas e gerando uma mudança ori- ent acional (homeot rópico - planar) do CL sobre est e subst rat o. Na …gura 2.3.3 ilust ramos o efeit o da irradiação UV no …lme de OT E e conseqüent e alinhament o das moléculas de CL.
Cristal Líquido OTE
(a) (b)
F ig. 2.3.3 Represent ação do …lme de OTE aderido pela part e polar na superfície de vidro, indicando a orient ação induzida ao CL. (a) homeotrópi ca, para o …lme não irradi ado; (b) planar degenerada, após o …lme ser irradiado.
O espect ro de absorção do OTE foi medido com o espect rofot ômet ro (Hewlet t Packard/ HP - 8452A) exist ent e no Grupo de Biofísica do I F/ USP - São Paulo. Em seguida, com- par amos o espect ro de absorção do mat erial com o espect ro de emissão da lâmpada 1000W Hg(Xe) ( Oriel corpor at ion - 6293), ut ilizada nest e est udo. Os respect ivos es- pect ros encont ram-se na …gura 2.3.4.
200 250 300 350 400 450 500 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 Absorbância (a.u.) Comprimento de onda (nm) Máx. 226 nm (a) (b) 245 nm
F ig. 2.3.4 (a) Espect ro de absorção do OTE; (b) Espectro de emi ssão da lâmpada 1000W Hg(Xe).
Da …gur a 2.3.4(a) é possível const at ar que o OTE possui um máximo de absorção para o compriment o de onda de 226 nm, sendo que em 400 nm a absorção é prat icament e nula. Port ant o, at ravés do espect ro de emissão da lâmpada […gura 2.3.4(b)] conclui-se que o pico de emissão bem de…nido em t orno de 245 nm é o responsável pelo processo de quebra
das cadeias “ alkil ” do surfact ant e deposit ado no subst rat o. Dessa forma, int egr ando o espect ro de emissão da lâmpada obt ivemos que apenas ¼ 3; 0% da irradiância t ot al vem do pico em t orno de 245 nm.
Nos processos de irradiação padronizamos a posição da amost ra a 20 cm da saída de luz, onde medimos uma int ensidade 4; 0 W/ cm2, sendo que dest es apenas ¼ 200 mW/ cm2
são efet ivament e ut ilizados no processo. Em t odos os casos o t empo de exposição foi de 20 min. O …lme de OTE é cobert o com uma máscara de met al recort ado, a qual permit e a irradiação UV em det erminadas regiões e em out ras não. Após a irradiação, os resíduos são removidos com um banho de et anol. Dessa forma, a cela com CL confeccionada com essas lâminas, apresent a regiões com orient ação homeot rópica e regiões com orient ação planar degenerada.
Com o objet ivo de induzir uma orient ação planar homogênea ao CL na part e irradiada efet uamos t rat ament os desuperfíciesobre as lâminas de vidr o ant es da deposição do OTE. Esses t rat ament os consist em em: i) esfregament o do vidro, com um pedaço de veludo, ut ilizando soluções com esferas de sílica de 0; 25, 1; 0 e 3; 0 ¹ m de diâmet ro; ii) deposição de um …lme de “ Te‡on” sobre o vidro, a qual é feit a at ravés do deslizament o de uma barra de “ Te‡on” , levement e pressionada sobre a lâmina de vidro aquecida a 130, 150 e 1700C.
Nest e est udo, at r avés de medidas t opográ…cas com um AFM e análise de t ext ura do CL, invest igamos quais os parâmet ros mais adequados. No caso do subst rat o de “ Te‡on” , devido a sua hidrofobicidade, espera-se que as moléculas de OTE se liguem ao …lme at ravés das cadeias hidrofóbicas, ao cont rário do que acont ece para subst rat os hidrofílicos como o vidro.
2.3.4
R esul t ados exp er i ment ai s
Os primeiros t est es foram feit os cobrindo-se part e do …lme com uma lâmina de met al, deixando a out ra part e para ser irradiada. Na Fig. 2.3.5 apresent amos uma imagem de t ext ura do CL em uma cela confeccionada com …lme que foi irradiado com uma máscara de let ras. As observações foram feit as com um microscópio ópt ico de luz polarizada e as imagens capt adas por uma câmera digit al acoplada ao microscópio. As set as P e A represent am as direções de polarização do polarizador e analisador, respect ivament e.
200 µµm
P A
F ig. 2.3.5 Represent ação da text ura induzi da ao CLT pelo …lme de OTE. Orientação homeot rópica! parte escura, Orient ação planar degenerada! parte colorida.
Est as celas foram elaboradas com duas lâminas de vidro t rat adas com OT E, separadas por espaçadores de 23 ¹ m de espessura, onde uma das lâminas foi cobert a com a máscara demet al e irradiada com UV, enquant o a out ra lâmina não sofreu irradiação. Port ant o, na Fig. 2.3.5 a part e colorida (let ras ET) refere-se a part e do …lme que foi irradiado com luz UV at r avés da máscara, em uma das lâminas de vidro; enquant o a part e escura represent a a orient ação homeot rópica induzida por ambas as lâminas com t rat ament o de OT E sem irradiação. Com isso, percebe-se que o processo de irradiação foi bast ant e e…cient e.
Como dit o no início, nosso objet ivo foi t ent ar obser var as t ransições orient acionais esperadas t eoricament e, variando-se par âmet ros como a periodicidade (P), a t emperat ura e aplicando-se uma diferença de pot encial (V ) à amost ra. Para obt er valores de P ¼ 200 nm irradiamos os …lmes de OTE com o mesmo port a amost ras ut ilizado na produção das SRGs (ver …gura 2.2.3), que consist e em criar um padrão de int erferência const rut iva e dest rut iva com a lâmpada de Hg(Xe). Dessa forma, a irr adiação ocorre apenas nas regiões de int erferência const rut iva, sendo que nas regiões de int erferência dest rut iva não há irradiação do …lme.
Realizamos a int erferomet r ia para ângulos µ = 10; 20 e 35 graus, gerando per íodos P ¼ 705; 358 e 213 nm, respect ivament e7. Como a luz incident e não é monocromát ica,
acredit amos que a periodicidade gerada não apresent e os cont ornos bem de…nidos, ou seja, é provável que ocorra uma suavização nas int erfaces do padrão deint erferência const rut ivo e dest rut ivo.
Com cada uma das lâminas irradiadas foram confeccionadas celas de 23 ¹ m de espes- sura, onde a out ra superfície foi t rat ada de modo a induzir uma orient ação homeot rópica ao CL, para desse modo invest igar a orient ação adot ada pela lâmina irradiada. Para as t rês periodicidades observamos a orient ação das moléculas de CL no est ado YZ , como esperado t eoricament e. Na …gura 2.3.6 apresent amos a t ext ura induzida por P ¼ 358 nm, onde observa-se uma t ext ura bast ant e homogênea.
P A
100 µµm n
F ig. 2.3.6Textura do CL para a superfície irradiada comµ = 20graus. A amostra está ent re polarizadores cruzados com o diret or (n) a45graus da direção do polarizador e analisador.
Ao sobrepor duas lâminas com os t rat ament os cruzados para o mesmo período, ob- servamos um “ twist ” t ot al do diret or, ou seja, a orient ação do est ado YZ impost a ao CL em ambas as superfícies é mant ida, e no volume da amost ra o diret or (n) execut a uma t orção de 90 graus de uma superfície at é a out ra. E por t ant o, represent a que a energia de ancorament o do est ado Y Z é bast ant e int ensa. De fat o, isso foi comprovado at ravés do mét odo da cela híbrida8, onde t ambém obser vamos um “ twist ” t ot al, indicando que a
energia de ancorament o nest a superfície deve ser pelo menos da mesma ordem da energia
¸ =( 2sin µ)
de ancorament o do PVA. As …guras 2.3.7(a) e 2.3.7(b) most ram a int er face ent re a part e irradiada ( do lado esquerdo) e a não-irradiada (do lado direit o) da cela híbrida com PVA esfregado. Percebe-se que a região irradiada, que permanece clara em ambas as …guras, indica a exist ência de um “ twist ” t ot al. Enquant o que na part e não irradiada do …lme de OTE, a direção de orient ação do CL é dada pela superfície que cont ém o PVA esfregado, ou seja, t ambém …ca clara quando se encont ra a 45 graus do polarizador e analisador. I sso foi observado para as t rês periodicidades invest igadas, na …gura 2.3.7 est á apresent ado o período de 213 nm. P A 100 µµm (b) “twist”
n
P A 100 µµm (a)n
“twist”F ig. 2.3.7Textura do CL para uma cela híbrida ent re polarizadores cruzados, com uma superfície irradiada ( P = 213 nm) e a out ra superfície com PVA esfregado. Com a direção de esfregament o do PVA: (a) paralela ao polarizador; (b) a 45 graus entre o polarizador e analisador.
Para observar a t ransição orient acional do est ado Y Z para o est ado X , variamos o período, a t emperat ura e aplicamos um pot encial elét rico ext erno. Exper iment alment e, no ent ant o há uma limit ação para a diminuição do período da t ext ura, e o valor mínimo acessível é de 213 nm. Sendo assim, at ravés da variação dest e parâmet ro não seria possível observar a t ransição esperada t eoricament e para P = 190 nm.
Como discut ido na part e t eórica, a variação da periodicidade e da t emperat ura são equivalent es para at ingir a t ransição orient acional, para valores próximos do pont o de
t ransição. At ravés dos valores apresent ados acima, foi possível est imar que a t emperat ura de t ransição deveria est ar em t orno de 30; 00C para o período de 213 nm. Ut ilizamos ent ão a cela apresent ada na …gura 2.3.7 e variamos a t emperat ura em aproximadament e t odo o int ervalo de t emperat ura da fase nemát ica dest a amost ra ( 24 a 340C), com uma precisão
de § 0; 050C. A ocorrência da t ransição implicaria na mudança da t ext ura de “ twist ” para
uma t ext ura planar homogênea na direção do PVA esfregado, que corresponde à direção do eixo x. No ent ant o, o est ado X não foi at ingido.
Para aplicação de um pot encial elét rico ext er no na amost ra, o …lme de OTE foi de- posit ado sobre lâminas de vidro com I TO. As lâminas foram irradiadas de forma a gerar a periodicidade de 213 nm e uma cela híbrida de 6; 0 ¹ m de espessura foi elaborada com PVA esfregado. Obt endo a mesma condição inicial de ant es: um “ twist ” t ot al e uma orient ação planar homogênea na part e irradiada e não-irradiada, respect ivament e. A t emperat ura foi mant ida const ant e em 30; 00C e o pot encial aplicado com uma font e de corrent e cont ínua com precisão de § 0; 1 V. O pot encial foi aument ado de V = 1; 0 V at é a fr ont eira da t ransição de Fr eederickzs (V = 3; 0 V), mas a t ransição t ambém não foi observada.
Durant e a est adia no grupo do Prof. Dr. Ludwig Bremer (Pot sdam - Alemanha), foram realizados experiment os com um AFM na t ent at iva de remover localment e o …lme de OTE, aplicando-se uma força mecânica. Efet uamos microinscrições lit ográ…cas com varreduras em modo cont at o, pressionando fort ement e a pont eira sobr e a superfície, cujas imagens t opográ…cas foram adquiridas na seqüência com o mesmo AFM diminuindo-se a pressão da pont eira. Na …gura 2.3.8, observamos as regiões inscrit as com variações da dist ância ent re as linhas.
20µµm
F ig. 2.3.8 Est rutura criada com AFM sobre o …l me de OTE.
Apesar de se perceber clarament e o efeit o gerado na superfície devido ao arrast ament o da pont eira, a orient ação induzida ao CL nas regiões inscrit as mant eve-se homeot rópica, ou seja, com o processo mecânico não foi possível r emover/ dest ruir ou simplesment e des- organizar a superfície da monocamada de OT E para obt er uma t ext ura planar. Out ra t ent at iva foi feit a aplicando-se uma diferença de pot encial ent re a pont eira e o subst rat o de OTE, com uma camada de IT O sobr e o vidro. O AFM foi manipulado em modo não- cont at o, com a pont eira afast ada ¼ 100 Å da superfície. Imaginamos que nest as condições a corrent e seria capaz de dest ruir as cadeias carbônicas do surfact ant e. Realizamos ins- crições com corrent es de at é 20 ¹ A, result ando em um padrão similar ao apresent ado na …gura 2.3.8. No ent ant o, t ambém não obt ivemos sucesso em obt er uma orient ação planar do CL sobre est as regiões.
Efeit o do t r at am ent o das sup er f ícies de vidr o ant es da deposição do OT E Na seqüência, apresent amos os result ados obt idos ut ilizando superfícies anisot rópicas par a a deposição do OTE, ou seja, as superfícies esfregadas com a solução de esferas de sílica e t rat adas com um …lme de “ Te‡on” . As imagens deAFM para a superfície esfregada com as esferasde 0; 25 ¹ m dediâmet ro e para o …lmede“ Te‡on” deposit ado à 1500C est ão apr esent adas na …gura 2.3.9. Observa-se que o esfregament o super…cial do vidro com as
esferas de sílica gera canais super…ciais de ¼ 2; 0 nm de profundidade e periodicidades em t orno de 60 nm. No caso do “ Te‡on” observam-se canais homogeneament e dist ribuídos sobre a superfície com profundidades ent re 3 ¡ 5 nm periodicament e espaçados por ¼ 200 nm. A r ugosidade média super…cial est es dois t rat ament os é 1; 2 nm e 2; 0 nm, respect ivament e.
(a) (b)
F ig. 2.3.9 Imagens de AFM das superfícies t rat adas: (a) 1; 0 ¹m x1; 0 ¹ m, esfregamento com esferas de sílica de0; 25 ¹m de diâmet ro e (b) 3; 0 ¹ m x 3; 0 ¹m, deposição de Te‡on a 1500C. Em ambas a escala z é de 15 nm.
Variando-se o t amanho das esferas de sílica (1 ¹ m e 3 ¹ m) os canais gerados são muit o mais pronunciados, sendo que para 3 ¹ m podiam ser vist os a olho nú, gerando pequenos defeit os na t ext ur a induzida ao CL. Com a var iação da t emperat ura de deposição do “ Te‡on” , observamos que para 1300C o per…l é similar ao apresent ado acima para 1500C, no ent ant o, para a t emper at ura de deposição de 1700C a formação de canais é at enuada e o mat erial se espalha prat icament e de maneira homogênea em t oda a superfície do vidro.
Est es dois t ipos de subst rat os foram ut ilizados para deposit ar o OTE e conseqüent e- ment e analisar os est ados orient acionais induzidos ao CL, onde em ambos os casos, um al- inhament o homeot rópico foi obser vado com boa unifor midade. Para explicar a observação da orient ação homeot rópica mesmo no caso do subst rat o de “ Te‡on” que é hidrofóbico,
sugerimos a formação de uma bicamada de OTE com a primeira camada aderida no subs- t rat o at ravés das cadeias carbônicas e a segunda camada aderida sobre a primeira pelas int erações polares, deixando as cadeias carbônicas est ir adas. Nest a sit uação, para o CL a condição inicial é exat ament e a mesma.
Na …gura 2.3.10 apresent amos imagens de t ext ura do CL quando inserido em celas confeccionadas com duas superfícies de vidro previament e esfregadas com a solução de sílica (0; 25 ¹ m). As lâminas esfregadas foram sobrepost as com os t rat ament os cruzados (90 graus de uma lâmina em relação à out r a), ver esquema na …gura 2.3.10. Com isso, foi possível obt er t rês diferent es combinações de alinhament o induzido ao CL: planar nas duas superfícies (P-P), planar em uma e homeot rópico na out ra (P-H) e homeot rópico em ambas (H-H). (a) Linhas irradiadas P-P H-H H-H H-H H-H P-H P-H P-H P-H P-P P-P P-P P-P (b) (c)
cruzados. (a) P e A cruzados; (b) P e A cruzados com amost ra rotacionada de 45o e (c) polarizadores paralelos ent re si.
Na …gura acima, at ravés da t ext ura do CL observada ent re polarizadores cruzados […gur as 2.3.10(a) e (b)] é possível ident i…car as regiões H-H, as quais permanecem escuras quando a amost r a égirada de45o. Nas regiõesP-P espera-seum “ twist ” t ot al em condições de ancor ament o fort e, como pode ser vist o que a região clara na …gura 2.3.10( a), com a amost ra ent repolarizadores cruzados t orna-seescura (evit ando a passagem de luz) quando o polarizador e analisador est ão paralelos ent re si, …gura 2.3.10(c). No caso do subst rat o de “ Te‡on” observamos o mesmo comport ament o. As energias de ancorament o dest es t rat ament os foram invest igadas com o mét odo da cela híbr ida e concluímos que é da mesma ordem do PVA esfregado.
I sso gera a possibilidade de aplicações t ecnológicas, pois nas part es irradiadas com o esfregament o cruzado obt ém-se o mesmo sist ema de funcionament o de um “ display” (como apresent ado na I nt rodução). E port ant o, pode-se criar um disposit ivo que funcione em pont os localizados. É preciso lembrar que na confecção do “ display” é necessária uma camada de IT O sobre o vidro para viabilizar a aplicação de um campo elét rico na amost ra, e o esfregament o super…cial com as esferas de sílica pode remover o IT O prejudicando o desempenho do disposit ivo. A forma de evit ar isso é at ravés da deposição de um …lme de “ Te‡on” , como most rado na …gura 2.3.9(b) . Out ro fat or necessário para o desenvolviment o de “ displays” é a exist ência de um ângulo de inclinação das moléculas de CL em relação ao plano da superfície, para quebrar a degenerescência do alinhament o planar na direção do campo elét r ico aplicado, mas de acordo com a referência [56], isso pode ser obt ido at ravés de irradiação oblíqua do …lme de OTE.
2.3.5
Consi der ações …nai s sobr e os est udos com OT E
A part ir dos est udos realizados com o surfact ant e OTE, alguns result ados signi…ca- t ivos foram alcançados, como a observação do est ado homogêneo Y Z após ir radiação int erferomét rica do …lme ger ando periodicidades ent re 210 e 705 nm, onde a energia de ancorament o azimut al dest e est ado foi est imada como sendo pelo menos da mesma ordem
de grandeza do PVA esfregado (W Á ¼ 1; 5 £ 10¡ 5 J/ m2), o que represent a uma energia int ensa.
É import ant e enfat izar que nos cálculos numéricos os aut ores consideram valor es es- pecí…cos das const ant es adimensionais de acoplament o super…cial gn = 0; 05 e gp= 0; 08,
as quais est ão relacionadas com a int ensidade dos est ados homeot rópico e planar, res- pect ivament e. Como discut ido no art igo, o valor de gn < 0; 08 foi det erminado experi-
ment alment e, mas o valor de gp não é conhecido com precisão. Est as const ant es afet am
diret ament e o pot encial de int eração super…cial r esponsável pelos est ados orient acionais. Port ant o, alt erações nos valores dest as const ant es podem levar a valores crít icos de P e T bast ant e diferent es dos valores previst os t eoricament e. Acredit amos que a não-observação da t ransição de fase deve est ar relacionada à diferenças ent r e os valores experiment ais de gn e gpe os valores usados nas simulações. Uma descrição complet a dest a t ransição pode-
ria ser obt ida a part ir de simulações numéricas considerando out ras possibilidades para os valores de gn e gp. Assim, se a energia de ancorament o efet iva experiment al for maior
que o valor ut ilizado nas simulações o pont o de part ida pode não ser o esperado, ou seja, par a uma energia de ancorament o int ensa o est ado YZ é favorecido e t alvez o pont o de t ransição nem seja acessível experiment alment e.
Considerando-se o t rat ament o prévio das superfícies ant es da deposição do OTE, ob- servamos que após a remoção parcial do surfact ant e devido à sua ir radiação com luz UV, o CL adot a a orient ação impost a pela superfície, result ando em uma orient ação planar homogênea com uma ener gia de ancorament o azimut al bast ant e int ensa. Est a obser - vação nos permit iu propor a ut ilização dest as superfícies para projet ar disposit ivos com propriedades elet ro-ópt icas dist int as nas part es irr adiadas e não-irradiadas.
B i bl iogr a…a
[1] J. Cognard, M ol. Cr yst . Liq. Cryst . 78 (Suppl.1), 1 (1982).
[2] H. M at suda, D.S. Seo, N. Yoshida, K . Fushibayashi, S. Kobayashi, and Y. Yabe, Mol. Cryst . Liq. Cryst . 264, 23 (1995).
[3] P. Chaudhar i, et al, Nat . 411, 56 (2001).
[4] D.W. Berreman, Phys. Rev. Let t . 28, 1683 (1972) .
[5] G.N. Taylor, F.J. Kahn, and H. Schonhorn, Proceedings of the I EEE 61, 823 (1973). [6] R.K. Horn, and J.N. I sraelachvili, Chem. Phys. Let t . 71, 192 (1980).
[7] P. Pieranski, and B. Jerôme, Phys. Rev. A 40, 317 (1989). [8] B. Jerôme, Rep. Progr. Phys. 54, 391 (1991).
[9] A. Rapini, and M . Papoular, J. Phys. Colloq. (Paris) 30, C4-54 (1964). [10] G. Barbero, and G. Durand, J. Phys. Colloq. (Paris) 47, 2129 (1986).
[11] C.J. Newsome, M. O’Neill, R.J. Farley and G.P. Bryan-Br own, Appl. Phys. Let t . 72, 2078 ( 1998).
[12] Mu-Hyun Kim, Jong-Duk Kim, T. Fukuda and H. Mat suda, Liq. Cryst . 27, 1633 (2000).
[13] K. Ichimura, Chem. Rev. 100, 1847 (2000).
[14] J.L. Janning, Appl. Phys. Let t . 21, 173 (1972).
[15] G. Barbero, L.R. Evangelist a, and L. K omit ov, Phys. Rev. E 65, 041719 (2002). [16] L.T. Thieghi, R. Barberi, J.J. Bonvent , E.A. Oliveira, J.A. Giacomet t i and D.T.
Balogh, Phys. Rev. E 67, 041701 (2003).