Nematic liquid crystal film in the presence of corrosion as a novel method for corrosion sensing

Abstract

Όπως είναι γνωστό, η ανάγκη για την ανίχνευση της οξείδωσης είναι σημαντική αναλογιζόμενοι το υψηλό οικονομικό κόστος, τους ανθρώπινους τραυματισμούς και την μόλυνση που διεθνώς αντιμετωπίζεται κάθε χρόνο λόγω της ύπαρξης της. Αυτή η ανάγκη θα προβλέπεται να ικανοποιηθεί από την ανάπτυξη καινοτόμων, αποδοτικών, μικρότερων διαστάσεων, που εύκολα θα μπορούν να τοποθετηθούν αισθητήρες οξείδωσης. Λαμβάνοντας υπόψη τα πιο πάνω, υμένια υγρών κρυστάλλων νηματιδιακής φάσης επιλέχτηκαν να μελετηθούν σε περιβάλλον οξείδωσης, ώστε να αποδειχτεί αν δύνανται να χρησιμοποιηθούν τους για σχεδιασμό ενός αισθητήρα οξείδωσης. Οι υγροί κρύσταλλοι αποτελούν μια ενδιάμεση, μεταξύ υγρής και στερεάς φάσης της ύλης. Οι ιδιαίτερες τους ιδιότητες, έχουν χρησιμοποιηθεί στην μηχανική, εν γένει, για ανάπτυξη τεχνολογίας σε εφαρμογές όπως αισθητήρες και οθόνες. Αυτή η διατριβή παρουσιάζει τα αποτελέσματα πειραματικών και θεωρητικών μελετών που αξιολογούν την ικανότητα υμενίων υγρών κρυστάλλων στην ανίχνευση της οξείδωσης. Συγκεκριμένα υγροί κρύσταλλοι τύπου 4-Cyano4’-pentylbiphenyl (5CB) μελετήθηκαν στην παρουσία διαφόρων παραμέτρων που εμφανίζονται στην οξείδωση, όπως είναι το ηλεκτρικό δυναμικό, η τοπολογία και χημεία. Το πρώτο αποτέλεσμα αυτής της διατριβής ήταν η χρήση συνοριακών στοιχείων (boundary elements) σε συνδυασμό με την ελαχιστοποίηση της ελεύθερης ενέργειας των υγρών κρυστάλλων για υπολογιστική μοντελοποίηση της συμπεριφοράς τους στην παρουσία δυναμικού οξείδωσης. Αυτό οδήγησε στην δημιουργία μοντέλου που πρώτα υπολογίζει το ηλεκτρικό πεδίο που εμφανίζεται σε οξειδωμένα υποστρώματα και μετά μελετά την επίδραση του στον προσανατολισμό των υγρών κρυστάλλων. Πειραματικά, μελετήθηκε πως η αλλαγή στην τοπολογία και χημεία οξειδωμένων υποστρωμάτων ατσαλιού επηρεάζει υμένια υγρών κρυστάλλων που είναι επιστρωμένα στην επιφάνεια τους. Σε τέτοιες εφαρμογές το πάχος των υμενίων είναι σημαντικό να είναι γνωστό. Αυτό οδήγησε στην ανάπτυξη τεχνικής που βασίζεται στην οπτική προφιλομετρία για την μέτρηση του πάχους διάφανων υμενίων. Τέλος, επιδεικνύεται πως υμένια υγρών κρυστάλλων μπορούν να επιτρέψουν την μελέτη της μορφολογίας μεταλλικών υποστρωμάτων με νάνο-τραχύτητα χρησιμοποιώντας οπτική μικροσκοπία, ενώ πριν δεν ήταν εφικτό. Αυτή η διατριβή καταλήγει με την παρουσίαση, επιγραμματικά, της καινοτόμας συνεισφοράς και προτάσεων για περεταίρω μελέτη. Επιπρόσθετα συζητούνται αναμενόμενοι περιορισμοί της προτεινόμενης τεχνικής. Το γενικό αποτέλεσμα αυτής της μελέτης είναι ότι οι υγροί κρύσταλλοι νηματιδιακής φάσης αποτελούν ένα υποσχόμενο υλικό το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως μέσο ανίχνευσης της οξείδωσης. Αυτό προέρχεται από θεωρητικά και πειραματικά δεδομένα που δείχνουν ότι οι υγροί κρύσταλλοι αλλάζουν τον προσανατολισμό και την αγκυροβόληση (anchoring) τους στην παρουσία οξείδωσης.

As it is well known, the need for corrosion detection is essential considering the high economical cost, human injuries and pollution that countries deal with every year. This need will be benefited from the development of new, more efficient, small, easy to position and cheap corrosion sensors. Regarding this, nematic liquid crystal thin films were chosen to be studied in corrosion environment, in order to demonstrate their potential as primary sensing element in a design of a corrosion sensor. Liquid crystals (LCs) constitute an intermediate, between solid and liquid, phase of matter. Its peculiar properties, over the years, have been exploited to such extent as to cause significant advancements of the sensor and display technologies. This thesis presents the results of experimental and computational endeavours to assess the feasibility of applying LC films as the primary sensing element for corrosion detection. More specifically the nematic phase of 4-Cyano4’-pentylbiphenyl (5CB) LCs has been studied in the presence of several corrosion related parameters, namely, electrical potential, topology and chemistry. The first outcome of this thesis was the use of boundary element method (BEM) and minimization of LCs free energy to computationally model the behaviour of LCs in the presence of corrosion potential. This has lead to the development of physical models which first calculate the electric field that appears on corroded substrates and then study its influence on LC film orientation. In this context the effect of corrosion outcomes such as topography and chemistry alterations of a corroded steel substrate on the anchoring and topology properties on LC films coating the corroded substrate were investigated experimentally. A strict requirement of such applications is the knowledge of the precise thickness of LC films. A technique, based on optical profilometry, that experimentally measures the thickness of LC films, or other transparent films, has also been developed to fulfil this requirement. Finally, it is reported and discussed how a LC film may enable the study of the morphology of a metal substrate with nano-rough height differences using optical microscopy, something that was not possible before. This thesis concludes with an outline of the novel contributions and a proposal for further study and work. In addition anticipated limitations of the proposed technique are also discussed. The general outcome from this study is that nematic liquid crystals constitute a promising material to be applied in a corrosion sensing device. This stems from both theoretical and experimental results which demonstrate that LCs change their orientation and anchoring in the presence of corrosion. These physical properties of LCs may be engineered in an innovative corrosion sensor.