Công nghệ tinh thể lỏng có tác động quan trọng lên nhiều lĩnh vực khoa học và kĩ thuật, cũng như công nghệ thiết bị. Các ứng dụng cho loại vật chất đặc biệt này vẫn đang được khám phá và tiếp tục mang lại những giải pháp hiệu quả cho nhiều bài toán khác nhau.
Màn hiển thị tinh thể lỏng
Ứng dụng thông dụng nhất của công nghệ tinh thể lỏng là màn hiển thị tinh thể lỏng (LCD). Lĩnh vực này đã tăng trưởng thành một ngành công nghiệp nhiều tỉ đô la, và nhiều khám phá khoa học và kĩ thuật quan trọng đã được thực hiện.
Nhiệt kế tinh thể lỏng
Như đã trình bày trước đây, tinh thể lỏng nematic (cholesteric) thuận một bên làm phản xạ ánh sáng có bước sóng bằng với bước xoắn. Do bước xoắn phụ thuộc vào nhiệt độ, cho nên màu sắc phản xạ cũng phụ thuộc vào nhiệt độ. Tinh thể lỏng cho phép người ta có thể đo chính xác nhiệt độ chỉ bằng việc nhìn vào màu sắc của nhiệt kế. Bằng cách pha trộn các hợp chất khác nhau, người ta có thể chế tạo ra một thiết bị thực tiến cho bất kì ngưỡng nhiệt độ nào.
32 http://www.thuvienvatly.info| © hiepkhachquay
“Vòng mood”, một vật mới lạ nổi tiếng cách đây vài năm, khai thác ưu điểm của khả năng độc đáo của tinh thể lỏng nematic thuận một bên. Các ứng dụng và thực tế hơn đã được phát triển trong các lĩnh vực đa dạng như y khoa và điện tử học. Các thiết bị tinh thể lỏng đặc biệt có thể gắn vào da để thể hiện một “bản đồ” nhiệt độ. Việc này có ích vì thường thì các rắc rối sinh lí, như ung bướu, có nhiệt độ khác với các mô xung quanh. Các bộ cảm biến tinh thể lỏng còn có thể được sử dụng để tìm các mối nối xấu trên một bản mạch điện bằng cách dò tìm nhiệt độ cao hơn đặc trưng đó.
Chụp ảnh quang học
Một ứng dụng của tinh thể lỏng chỉ mới được khảo sát là chụp ảnh ghi ảnh quang học. Trong công nghệ này, một tế bào tinh thể lỏng được đặt giữa hai lớp chất dẫn quang. Ánh sáng được đưa vào chất dẫn quang, làm tăng độ dẫn của chất. Việc này gây ra một điện trường phát triển trong tinh thể lỏng tương ứng với cường độ ánh sáng. Kiểu hình điện có thể truyền bởi một điện cực, cho phép người ta ghi được ảnh. Công nghệ này vẫn đang ttrong giai đoạn phát triển và là một trong những lĩnh vực triển vọng nhất của nghiên cứu tinh thể lỏng.
Các ứng dụng khác
Tinh thể lỏng còn có vô số công dụng khác. Chúng được sử dụng cho việc kiểm tra cơ học không gây hỏng của các chất chịu lực căng. Kĩ thuật này cũng được sử dụng cho sự hình dung các sóng vô tuyến (RF) trong các bộ dẫn sóng. Chúng được sử dụng trong các ứng dụng y khoa, ví dụ như đo áp suất tức thời được truyền bởi một chân đi bộ trên đất. Các tinh thể lỏng khối lượng phân tử gam thấp (LMM) có ứng dụng trong các đĩa quang có thể xóa được, “bản vẽ điện tử” đầy đủ màu sắc cho việc vẽ với sự hỗ trợ của máy tính (CAD), và các bộ điều biến ánh sáng cho việc ghi ảnh điện tử màu.
Như các tính chất mới và các loại tinh thể lỏng mới được nghiên cứu và khảo sát, thì các chất này chắc chắn còn thu được tầm quan trọng hơn nữa trong các ứng dụng công nghiệp và khoa học.
© hiepkhachquay | Chuyên đề Tinh thể lỏng 33
Vật chất mềm
Bài thuyết trình Nobel, 09/12/1991
Pierre Gilles de Gennes
(College de France, Paris, Pháp) Chúng ta muốn nói gì với cái tên vật chất mềm ? Người Mĩ thích gọi nó là “chất lỏng phức tạp”. Đây là một tên gọi hơi khó nghe, vì nó có xu hướng làm nản lòng các chàng sinh viên trẻ tuổi. Nhưng nó thật sự mang lại hai đặc điểm chính yếu sau đây:
1. Tính phức tạp. Chúng ta có thể, theo một ý nghĩa thô nhất định, nói rằng ngành sinh
học hiện đại đã được gieo mầm từ các nghiên cứu về những hệ mô hình đơn giản (các vi khuẩn) cho đến các cơ thể đa bào phức tạp (cây xanh, động vật không xương sống, động vật có xương sống…). Tương tự như vậy, từ sự bùng nổ của ngành vật lí nguyên tử vào nửa đầu của thế kỉ này, một trong các sản phẩm thu được đó là vật chất mềm, dựa trên polymer, chất hoạt tính bề mặt, tinh thể lỏng, và các hạt chất keo nữa.
2. Tính dẻo. Tôi thích giải thích tính chất này qua một thí nghiệm polymer sơ khai,
thực hiện bởi những người Indian ở vùng bồn địa Amazon: họ thu lấy chất nhựa từ cây cao su, đặt nó lên chân họ, để nó “khô” đi trong một thời gian ngắn. Và vậy là họ có một cái giày ống. Từ cái nhìn vi mô, điểm xuất phát là tập hợp các chuỗi polymer dẻo, độc lập nhau. Oxygen từ không khí hình thành nên một vài chiếc cầu nối giữa các chuỗi, và điều này mang lại một sự thay đổi ngoạn mục: chúng ta đã chuyển từ một chất lỏng sang một cấu trúc mạng có thể chống lại sức căng – cái ngày nay chúng ta gọi là cao su (tiếng Pháp: caoutchouc, sao lại trực tiếp tiếng Indian). Cái gây ấn tượng trong thí nghiệm này là thực tế thì một hoạt động hóa học rất nhẹ nhàng đã gây ra một sự thay đổi ngoạn mục các tính chất cơ học: một đặc điểm tiêu biểu của vật chất mềm.
Tất nhiên, với một số hệ polymer khác, chúng ta có xu hướng chế tạo những cấu trúc rắn chắc hơn. Một thí dụ quan trọng là enzyme. Đây là một chuỗi dài các aminoacid gập lại thành một viên nhỏ. Một vài trong số các aminoacid này giữ vai trò quan trọng: chúng hình thành nên “vị trí hoạt tính” được xây dựng để thực hiện một dạng xúc tác (hoặc nhận dạng) đặc biệt. Một câu hỏi hấp dẫn, đặt ra cách nay đã lâu bởi Jacques Monod, như sau: chúng ta có một sự chọn lựa trong số 20 aminoacid tại mỗi điểm trong chuỗi, và chúng ta muốn xây dựng một vị trí cảm nhận trong đó các đơn vị hoạt tính được đặt trong không gian theo kiểu có phần nghiêm ngặt. Chúng ta không thể đưa vào những đơn vị hoạt tính này, vì nếu liên kết trực tiếp, chúng sẽ không thu được sự định hướng và vị trí thích hợp. Cho nên, ở khoảng giữa hai đơn vị hoạt tính, chúng ta cần một “khoảng trống”, một chuỗi aminoacid có đủ tính linh hoạt để cho phép định vị tương đối tốt các vị trí hoạt tính ở cả hai đầu của khoảng trống. Câu hỏi của Monod là: chiều dài tối thiểu của khoảng trống đó bằng bao nhiêu ?
34 http://www.thuvienvatly.info| © hiepkhachquay
Hóa ra câu trả lời khá rõ ràng (1). Con số thần kì đó vào khoảng 13-14. Dưới 14 đơn vị, bạn sẽ không thành công lắm trong việc thu được sự biến dạng như mong muốn. Trên 14 đơn vị bạn sẽ có nhiều chuỗi có thể tạo ra nó. Lập luận thật thô sơ; nó đưa vào các ảnh hưởng dung tích loại trừ, nhưng nó không thừa nhận một yêu cầu khác đối với một enzyme bền – đó là phần bên trong phải được chế tạo tốt nhất là với các đơn vị háo nước, trong khi bề mặt bên ngoài phải kị nước. Dự đoán của tôi là điều này không thể làm thay đổi con số thần kì lên nhiều hơn một đơn vị. Thật vậy, khi chúng ta xét kích thước khoảng trống trong một protein dạng cầu đơn giản như myosin, chúng ta thấy chúng không nằm xa con số thần kì đó.
Giờ hãy để tôi trở lại với các polymer dẻo trong dung dịch, và phác họa một số tính chất cơ học kì lạ của chúng. Một ví dụ đẹp là thí nghiệm bốn con lăn do Andrew Keller và các cộng sự của ông thiết lập (2). Ở đây, một dung dịch loãng của các cuộn là đối tượng cho chuyển động trượt thuần túy theo chiều dọc. Nếu quỹ đạo ra được chọn tốt (trong mặt phẳng đối xứng của kênh ra), thì các phân tử bị kéo căng trong những khoảng thời gian dài. Cái được tìm thấy, là nếu tốc độ trượt
.
c
vượt quá một giá trị ngưỡng
o c
nhất định, thì một sự chuyển tiếp đột ngột xảy ra. Đây là cái tôi gọi là “chuyển tiếp căng-cuộn” (3). Khi dịch chuyển bắt đầu mở cuộn, nó mang lại nhiều rãnh hơn để chảy, và mở ra còn nhiều hơn nữa… đưa đến một sự chuyển tiếp rõ nét. Ở đây, chúng ta thấy một khía cạnh hấp dẫn khác của vật chất mềm – sự kết hợp bất ngờ giữa cơ học và hình thể. Thật vậy, Keller đã chỉ ra điều đó khá sớm (ở tốc độ trượt
. o
c c
, chuỗi bị vỡ), và chúng thực hiện như vậy rất gần với điểm giữa của chúng – một kết quả ngoạn mục.
Giờ tôi xin chuyển sang các chất hoạt tính bề mặt, các phân tử có hai phần: một đầu cực ưa nước, và một phần đuôi mập béo không ưa nước. Benjamin Franklin đã tiến hành một thí nghiệm đẹp sử dụng các chất hoạt tính bề mặt; trên một cái hồ ở Clapham Common, ông đã đổ xuống một lượng nhỏ acid oleic, một chất hoạt tính bề mặt tự nhiên có xu hướng hình thành nên một màng đậm đặc chỗ tiếp giáp nước-không khí. Ông đã đo dung tích cần thiết để phủ toàn bộ hồ nước. Biết được diện tích, khi đó ông biết được chiều cao của màng, đại khái cỡ ba nano mét trong các đơn vị hiện nay của chúng ta. Đây là cái tôi biết về phép đo đầu tiên kích thước của các phân tử. Trong thời đại của chúng ta, khi chúng ta đã có trong tay những món đồ chơi cực kì phức tạp, ví dụ như lò phản ứng hạt nhân hay các nguồn synchrotron, tôi đặc biệt thích mô tả các thí nghiệm thuộc phong cách Franklin này với học trò của mình.
Các chất hoạt tính bề mặt cho phép chúng ta bảo vệ mặt nước, và tạo ra các bọt bong bóng xà phòng xinh đẹp này, thứ làm hớp hồn bọn trẻ của chúng ta. Đa số kiến thức của chúng ta về các bọt xà phòng này có được là nhờ một đội nghiên cứu xuất sắc, Mysels, Shinoda và Frankel, họ đã viết một cuốn sách về chủ đề này (6). Thật không may, cuốn sách nảy rất khó tìm, và tôi rất hi vọng nó sẽ được tái bản.
Cách nay đã lâu, Françoise Brochard, Jean-François Lennon và tôi (7) trở nên bị lôi cuốn vào một số hệ hai lớp, trong đó chúng tôi có mảng chất hoạt tính bề mặt, mỗi mảng hướng về phía nước lân cận. Một hệ có liên quan (mặc dù phức tạp hơn) thuộc loại này là tế
© hiepkhachquay | Chuyên đề Tinh thể lỏng 35
bào hồng cầu. Trong nhiều năm, người ta đã biết rằng, khi quan sát dưới sự tương phản pha, các tế bào này lung linh sáng. Đôi khi, người ta tin rằng sự lung linh này phản ánh tính không ổn định của một hệ sống dưới các điều kiện không cân bằng. Cuối cùng, vấn đề đơn giản hơn. Tính chất cơ bản của các hệ hai lớp không hòa tan là chúng tối ưu hóa diện tích của chúng ở con số hoạt tính bề mặt ổn định. Như vậy, năng lượng là không đổi so với diện tích: sức căng bề mặt biến mất. Điều này có nghĩa là các thăng giáng về hình dạng của các tế bào xẹp hơi, hay các “túi bọng” này là lớn: sự lung linh chỉ là một thí dụ của chuyển động Brown trong một vật rất dẻo. Cái Jean-François đã làm là đo các mối tương quan không thời gian đối với sự lung linh. Françoise sau đó chứng minh được rằng chúng có thể hiểu được từ một mô hình không có sức căng bề mặt, mà chỉ có các năng lượng uốn cong cùng với lực nhớt – một ví dụ hay khác của vật chất mềm.
Thật ra, đây là một trong những điểm xuất phát cho nhiều nghiên cứu về các lưỡng lớp hoạt tính bề mặt, đi tiên phong là W. Helfrich và, trên một phương diện chính quy hơn, về các bề mặt ngẫu nhiên, đặc biệt với D. Nelson. Một trong những thành công to lớn trong lĩnh vực này là phát minh ra “pha xốp” của vi nhũ tương (8, 9). Nhưng, nói rộng hơn, thật là buồn cười khi học được từ những người này rằng có một số sự chồng chéo giữa các lí thuyết dây nhợ tri thức và các mô tả của bọt xà phòng!
Giờ tôi xin chuyển sang một góc khác trong khu vườn của chúng ta – các tinh thể lỏng. Ở đây, trước tiên tôi phải tỏ sự tôn kính đối với hai nhà tiên phong vĩ đại:
1) Georges Friedel, người đầu tiên hiểu được chính xác tinh thể lỏng là cái gì, và chúng có những loại chủ yếu nào;
2) Charles Frank, người (sau nghiên cứu có phần sơ khai của Oseen) đã xây dựng lí thuyết đàn hồi của nematic, và đồng thời mô tả một số khiếm khuyết tôpô học của chúng.
Ở đây, tôi sẽ nói về pha smectic. Quan sát thấy những khiếm khuyết nhất định (“các conic tụ tiêu”) trong smectic, Friedel đã có thể chứng tỏ được rằng cấu trúc của chúng phải một tập hợp các lớp lỏng, có thể biến dạng, cách đều nhau (10). Bằng các quan sát ở cấp độ một trăm micron, từ đó ông đã có thể suy luận ra cấu trúc chính xác ở thang chục Å – một thành tựu bất ngờ.
Smectic tự nhiên nhắc tôi nhớ đến một đặc điểm quan trọng khác của các chất lỏng phức tạp – đó là, trong thời đại của chúng ta, thỉnh thoảng người ta có thể chế tạo ra những dạng thức mới của vật chất. Pha xốp trích dẫn ở trên là một thí dụ. Một trường hợp hấp dẫn khác nữa là phát minh ra smectic chứa sắt bởi R.B. Meyer, ở Orsay, khoảng năm 1975. Ông đã nghĩ tới một cấu hình phân tử nhất định, với các phân tử thuận một bên, chúng sẽ tự động làm phát sinh một pha (“pha C*”) mang một lưỡng cực điện khác không. Trong vòng vài tháng, các nhà hóa học xứ sở chúng tôi đã tạo ra được phân tử thích hợp, chất lỏng chứa sắt đầu tiên ra đời! (11) Trong thời đại của chúng ta, các chất này trở nên rất quan trọng trong nhiều mục đích hiển thị, chúng hoạt động nhanh hơn 103 lần so với nematic trong các đồng hồ đeo tay của chúng ta.
36 http://www.thuvienvatly.info| © hiepkhachquay
Một trường hợp khác có tầm quan trọng kém hơn, nhưng lí thú, là “smectic chứa sắt”, do M. Veyssié và P. Fabre chế tạo. Điểm xuất phát là một thứ nước gốc chất lỏng chứa sắt; một thể huyền phù của các hạt từ tính rất mịn. (Các chất lỏng chứa sắt được R. Rosensweig phát minh cách nay đã lâu, và có nhiều tính chất lí thú). Ở đây, cái đã làm, là chế tạo một “cái sandwich” lưỡng lớp | chất lỏng chứa sắt | lưỡng lớp... Một hệ kiểu như thế này, đặt trong một từ trường H
, cảm thấy dễ chịu hơn khi H
song song với các lớp. Khi đó, thật hấp dẫn là quan sát cái sandwich, với một kính hiển vi phân cực, trong tình huống khó chịu trong đó H
vuông góc với các lớp. Ở giá trị H rất nhỏ, người ta chẳng trông thấy gì. Nhưng nằm ngoài một ngưỡng giá trị HC yếu nhất định, hình ảnh trông thấy giống như những bông hoa mọc trên đồng (12). Chúng ta hiểu đây là một quá trình hai bước: a) ngay trên giá trị ngưỡng có một tính không ổn định gợn sóng hóa học; b) sau đó, các đường conic tụ tiêu xuất hiện, với kích thước cơ bản áp đặt bởi sự gợn sóng ban đầu, nhưng đồng thời với các đường conic nhỏ hơn (cần để lấp đầy không gian một cách phù hợp). “Cái sandwich” này cuối cùng đang dò ra các từ trường hơi yếu (cỡ 30 gauss).
Giờ tôi xin trích dẫn một sản phẩm mới nữa: các hạt Janus, chế tạo đầu tiên bởi C. Casagrande và M. Veyssié. Thần Janus có hai mặt. Các hạt Janus có hai mặt: một mặt không cực và một mặt có cực. Như vậy, chúng có những đặc điểm nhất định phù hợp với các chất hoạt tính bề mặt. Nhưng có một sự khác biệt lí thú nếu chúng ta xem các màng mỏng mà họ chế tạo, chẳng hạn tại mặt ranh giới nước | không khí. Một màng đậm đặc của một chất hoạt