Nestekidepolymeerit

Nestekidepolymeerit (eng. Liquid-crystal polymers) ovat polymeerejä, joilla on nestekiteiden (eng. Liquid-crystal, LC) ominaisuuksia. Nestekidepolymeerit koostuvat sellaisista mesogeeneistä, eli nestekidemolekyyleistä, joita pystytään polymeroimaan. Esimerkiksi ristisilloittamattomat nestekidepolymeerit (LCP:t), nestekide-elastomeerit (LCE:t) ja nestekideverkot (LCN:t) osoittavat kykyä nestekiteisyyteen. LCE ja LCN ovat molemmat ristisilloitettuja nestekidepolymeereja, mutta niillä on erilainen ristisilloitustiheys. Nestekidepolymeerien ominaisuuksia ovat esimerkiksi lämpöaktuaatio, anistrooppinen turpoaminen ja pehmeä elastisuus. Esimerkiksi kevlar (kuva 1) on sovellettu nestekidepolymeeri

Historia 
Pienimolekyyliset nestekiteet on tunnettu jo pitkään. Kuvassa 2 on esitetty nestekidemolekyyli 5CB. Nestekiteet löysivät F. Reinitzer (1888) ja O. Lehmann (1889) suhteellisen samaan aikaan.  Nestekiteillä yhdistyy kiteiden optiset ja nesteiden mekaaniset ominaisuudet. Nestekiteet virtaavat kuin nesteet, mutta voivat optisesti muuttaa valon polarisaatiota kiteiden tavoin. Pierre-Gilles de Gennes on ollut avainasemassa nestekiteiden ja polymeerien yhdistämisessä ja tutkimuksessa. De Gennes on saanut tutkimuksestaan 1991 Nobelin palkinnon. De Gennes pystyi antamaan vastauksia arvoituksille, joita nestekiteissä esiintyvät omituiset ja usein kauniit ilmiöt aiheuttivat. De Gennes osoitti nestekiteiden erilaiset mesofaasit, eli aineen olomuodon, joka on nesteen ja kiinteän aineen välimuoto. Hän osoitti kuinka siirtymät järjestyksestä epäjärjestykseen tapahtuvat erityisesti liuoksessa nestekiteiden ja polymeerien osalta.  Nestekidepolymeerit ovat kuitenkin vielä suhteellisen uusi keksintö. Keksintö perustuu nestekidenäytöissä käytettyyn teknologiaan, joka on kehitetty 1960-luvulla. Tarkemmat rakenteelliset luokittelut ja kehitys on tehty 80-luvulla.

Aluksi nestekidepolymeerejä käytettiin tieteellisiin tutkimustarkoituksiin, mutta niiden soveltaminen kaupallisesti arvokkaisiin tuotteisiin kehittyi nopeasti. Nestekidepolymeerit ovat osoittautuneet erittäin monipuolisiksi elintarvikepakkauksista mekaanisiin osiin ja monofilamenttikuituihin sekä molekyylirakenteen että ominaisuuksien osalta. Nykyään LCP:t voidaan parhaiten luokitella kestomuovien alakategoriaksi. LCP-materiaalien kehitys jatkuu edelleen ja niitä tutkitaan uusien sovelluskohteiden löytämiseksi. LCP:tä tutkitaan ja kehitetään erityisesti pehmeään robotiikkaan, reagoiviin tekstiileihin ja muihin älykkäisiin pintoihin.

Ominaisuudet 
Nestekidepolymeeriverkostoissa on otettu huomioon nestekiteiden ja polymeerien tärkeimmät ominaisuudet. Polymeerien muokattavuus, pehmeys ja mekaaninen kestävyys, sekä nestekiteiden molekyylitason järjestyvyys. LCN-materiaalien mekaanisia ominaisuuksia voidaan kontrolloida lämmön, sähkö- ja magneettikenttien ja sähkömagneettisen säteilyn avulla. Nestekiteiden taipumus järjestyä johtuu molekyylien välisistä vuorovaikutuksista. Tärkeimpiä nestekiteiden välisiä vuorovaikutuksia ovat dispersiovoimat, dipoli-dipoli- ja vetysidokset.

Polymeereistä voidaan valmistaa ominaisuuksiltaan monenlaisia materiaaleja. Polymeerit tyypillisesti jaetaan muoveihin ja elasteihin. Elasteilla on ominaisuus palautua mekaanisesta jännityksestä takaisin matalaenergisempään epäjärjestyneeseen tilaan. Yleensä elastien mekaanisia ominaisuuksia säädellään ristisilloilla. Ristisillat ovat polymeeriketjujen välisiä “jäykkiä” molekyylejä. Mitä enemmän ristisiltoja sitä jäykempi materiaali on. Silloitusaste vaikuttaa millä nimellä materiaali kutsutaan, tästä syystä puhutaan esim. Nestekide-elastomeereista tai nestekidepolymeereista. LCN on yleisnimitys ristisilloitetusta polymeeristä, jota ei varmuudella voida luokitella ristisiltojen määrän mukaan.

Sitomalla nestekiteitä polymeeriketjuihin saadaan materiaaleja, joissa yhdistyy molempien ominaisuuksia. LCN:ien toiminta perustuu nestekiteiden faasitransitioon mesofaasin ja isotrooppisen faasin välillä. Yksi tärkeimmistä LCN:ien ominaisuuksista on niiden kyky toimia aktuaattoreina. Aktuaattorilla tarkoitetaan rakennetta, joka muuttaa systeemin syötetyn energian, kuten valo- tai lämpöenergian mekaaniseksi liike-energiaksi.

Nestekidepolymeerien synteesit 
Nestekidepolymeerejä voidaan syntesisoida eri lämpötiloilla ja eri tavoilla, jolloin niille muodostuu erilaisia ominaisuuksia. Nestekidepolymeerien esiasteet voidaan jakaa eri alaryhmiin. Pienimoolimassaiset monomeerit muodostavat nestekiteitä ristisidoksia ristisidosaineilla, kun käytetään oikeanlaista katalyyttiä. Nestekide-eslatomeerien synteesissä  käytetään yleensä polyhydrosiloksaaneja, jolloin reaktion seurauksena muodostuu ristisidos.

Käyttökohteet 
Kaikista tunnetuin nestekidepolymeerien käyttökohde on kevlar, jota käytetään luotiliiveissä ja taistelukypärissä sekä muissa suojavarusteissa erinomaisen voima- ja painosuhteensa ansiosta. Muita tyypillisiä käyttökohteita ovat erilaiset elektroniset ja sähköiset komponentit, valaistuslaitteet, polttoaineita ja kaasuja eristävät rakenteet, anturit, uuninkestävät astiat ja ruostumatonta terästä korvaavat lääkinnällisten laitteiden osat. Nestekidepolymeerien erityiset ominaisuudet tekevät niistä sopivia etenkin autojen sytytinjärjestelmissä, lamppujen kannoissa, pumppujen komponenteissa ja turvavöiden antureissa.

Lähteet 

Polymeerit