< Terug naar vorige pagina

Project

Faraday rotatie in geconjugeerde organische moleculen

Faraday rotatie, ofwel de rotatie van het polarisatievlak van licht onder invloed van een longitudinaal magnetisch veld, werd bijna twee eeuwen geleden ontdekt door Michael Faraday. Tegenwoordig worden vooral anorganische, paramagnetische materialen gebruikt in toepassingen gebaseerd op Faraday rotatie. Desalniettemin bieden organische, diamagnetische materialen vele voordelen ten opzichte van hun anorganische tegenhangers. Zo is hun Verdet constante minder afhankelijk van de temperatuur en ondervinden ze magnetische saturatie bij hogere magnetische velden. Verder zijn ze veel flexibeler op vlak van synthese en verwerking. In deze thesis rapporteren we onze studie van verschillende organische, diamagnetische materialen die een exceptioneel hoge Faraday respons vertonen en hebben we verschillende parameters onderzocht die de grootte van de geobserveerde Faraday rotatie in deze materialen bepalen.

Onze zoektocht naar een efficiënt Faraday materiaal startte met een studie van een reeks geconjugeerde, staafvormige moleculen in hun kristallijne en vloeibare fase. Er werd een extreem hoge Faraday respons voor deze materialen gevonden, maar het was niet erg duidelijk waar deze juist vandaan kwam. We formuleerden de hypothese dat de supramoleculaire orde in de kristallijne fase een grote invloed heeft op de magneto-optische respons. Deze hypothese werd verstevigd door het feit dat er geen hoge Faraday rotatie werd waargenomen bij materialen in de vloeibare fase. In hoeverre de moleculaire structuur een invloed heeft op de Faraday respons blijft echter nog steeds de vraag. We leerden dat conjugatie een belangrijke rol speelt voor het observeren van een hoge magneto-optische respons, maar andere factoren zoals symmetrie en de rol van substituenten zijn moeilijk te bestuderen omdat zij ook een invloed hebben op de supramoleculaire structuur in de kristallijne fase.

Nadat het duidelijk werd dat de supramoleculaire structuur een sleutelfactor kan zijn, hebben we de focus van ons onderzoek naar vloeibare kristallen verlegd. Dit zijn materialen die meerdere georganiseerde fases vertonen, wat ons meer informatie kan verschaffen over de invloed van de supramoleculaire organisatie op de geobserveerde Faraday rotatie. Zo vonden we dat de methode om discotische vloeibare kristallen uit te lijnen in hun vloeibaar kristallijne fase een dramatische invloed heeft op hun magneto-optische eigenschappen. Door de afkoelsnelheid bij afkoelen vanuit de isotrope naar de vloeibaar kristallijne fase te optimaliseren, kan de Faraday respons veranderen met verschillende grootteordes. Het is reeds lang bekend dat de afkoelsnelheid een invloed heeft op de uitlijning en organisatie van de moleculen in de vloeibaar kristallijne fase en de kristallijne fase. Bijgevolg concluderen we dat supramoleculaire organisatie een sleutelfactor is voor de waargenomen magneto-optische respons in deze materialen.

We onderzochten ook een materiaal met een discotisch kolumnaire fase bij kamertemperatuur. In deze fase is het materiaal anisotroop, en deze anisotropie was ook te zien bij de Faraday respons. We observeerden enkel hoge Faraday rotatie wanneer het magnetisch veld loodrecht ten opzichte van de kolommen stond en het elektrisch veld van het licht een component had in de richting van de as van de kolommen. Aangezien het het elektrisch veld is dat de elektronen in de kolommen drijft en de grootte van de respons bepaalt, formuleerden we de hypothese dat de hoge Faraday rotatie te wijten was aan de sterke elektronen-delocalisatie doorheen de kolommen. Dit is wederom een observatie die confirmeert dat een goede supramoleculaire organisatie van moleculen een voorwaarde is voor het verkrijgen van een hoge Faraday respons.

Samengevat hebben we een aantal organische, diamagnetische materialen geïdentificeerd met een hoge Verdet constante. Verder concluderen we dat de supramoleculaire organisatie van het materiaal de belangrijkste factor is die de grootte van de geobserveerde Faraday respons bepaald en dat, door middel van optimalisatie van de organisatie, materialen met een extreem hoge Verdet constante kunnen bekomen worden. Vooral de discotische vloeibare kristallen zijn een veelbelovende materiaal klasse voor verder onderzoek naar betere materialen voor Faraday rotatie.

Datum:1 okt 2013 →  28 feb 2018
Trefwoorden:Faraday rotation, Verdet constant, Liquid crystals, Organic materials
Disciplines:Duurzame chemie, Fysische chemie, Anorganische chemie, Organische chemie, Theoretische en computationele chemie, Andere chemie
Project type:PhD project