Folyadékkristályok polarizált fényben - az LCD kijelzőktől a maláriadiagnózisig (Nobel-díjas kísérletek középiskolásoknak)

Bevezetés

A természettudományok fejlődése során számtalanszor előfordult, hogy az élő természet biológiai folyamatai mintául, inspirációként szolgáltak bonyolult technológiai eljárások, eszközök kifejlesztéséhez. A mai csúcstechnológiás LCD kijelzők eredete is a régmúltba nyúlik vissza, a XIX. század végére, egy prágai botanikai laboratóriumba. Ekkor ugyanis Friedrich Reinitzer, egy osztrák vegyész, egy különös jelenséget figyelt meg koleszterin-származékok tanulmányozása során. A származékok molekuláris szerkezetének meghatározásához először forráspontjukat szerette volna megmérni. A szilárd kristályokat hevítve azt tapasztalta, hogy egy jól meghatározott hőmérsékleten az anyagok először egy zavaros, folyadékszerű állapotot vesznek fel, amely fennmarad egészen addig, amíg az olvadék el nem ér egy újabb hőmérséklet-küszöböt, amelynél hirtelen tiszta, áttetsző folyadékká alakulnak. Tapasztalatait megosztotta Otto Lehmann német fizikussal, aki kristályos anyagok optikai tulajdonságainak vizsgálatával foglalkozott és idővel arra a következtetésre jutott, hogy az olvadék opálosságát nem szennyezők okozzák, hanem a tiszta anyag egy új fázisát jelenti. Ő használta először erre az állapotra a folyadékkristály (liquid crystal – LC) elnevezést arra utalva, hogy egyaránt mutat a folyadékokra jellemző rendezetlen tulajdonságokat, mint a halmazállapot, és a kristályos anyagokra jellemző rendezett tulajdonságokat, mint az iránytól függő törésmutató.

A koleszteril-benzoát három lehetséges fázisa: kristályos, folyadékkristályos és folyadék. forrás: [1]	Fridriech Reinitzer (1857-1927)	Otto Lehman (1855-1922)

Mi az a folyadékkristály?

Egészen pontosan úgy kellene feltennünk a kérdést, hogy mi is az a folyadékkristályos állapot, hiszen többféle kémiai anyag, sőt keverék is lehet folyadékkristály megfelelő hőmérséklet és nyomásviszonyok között. A folyadékkristályos állapot tehát egy negyedik lehetséges halmazállapota az anyagoknak, mely jellemzőit tekintve a folyadék és a szilárd fázisok ’között’ helyezkedik el. Egy folyadék molekulái, mint pl. a víz szobahőmérsékleten, rendezetlenül helyezkednek el egymás közelében és orientációjuk is teljesen véletlenszerű. Ezzel szemben egy kristályos anyag molekulái, mint pl. a víz 0°C alatt, egymáshoz képest jól meghatározott helyzetben és irányítottsággal rendeződnek. A folyadékkristályok ezeket a tulajdonságokat ötvözik: a molekulák elhelyezkedése teljesen rendezetlen vagy részlegesen rendezett, de irányítottságukban egyértelmű rendeződést mutatnak. Ebből az is következik, hogy a folyadékkristályos anyagok molekulái nem lehetnek gömbszimmetrikusak, leggyakrabban pálcika vagy korong alakúak, és általában szerves eredetűek. A leggyakoribb szerves eredetű folyadékkristályos anyagok törzsét széngyűrűk alkotják, melyekhez szénhidrogén láncok kapcsolódnak.

A molekulák sematikus elhelyezkedése a különféle halmazállapotokban és egy tipikus szerves eredetű folyadékkristályt képző molekula. forrás: [2]

A folyadékkristályos állapotot a molekulák rendezettségének és irányítottságának mértéke szerint további altípusokra osztjuk. A nematikus fázisban a molekulák tömegközéppontjai hosszútávú rendezettséget nem mutatnak, azonban mikrométeres, vagy annál nagyobb méretű tartományokban közel azonos irányban állnak. A szemktikus fázisban már a tömegközéppontok is rétegekbe rendeződnek, de a rétegeken belül a molekulák a folyadékhoz hasonlóan szabadon elmozdulhatnak.

A molekulák sematikus elhelyezkedése a különféle folyadékkristály-típusokban. ‘n’ jelöli a molekulák irányítottságát, ‘d’ a rendezési síkokra merőleges irányt. A szmektikus A típusnál ezek az irányok párhuzamosak, míg a szmektikus C típusnál valamilyen szöget zárnak be. A fenti példákon túl sokféle szmektikus rendeződés is előfordulhat. forrás: [3]

Mi az a polarizáció?

A fény transzverzális hullám: ez azt jelenti, hogy az elektromágneses hullámban az elektromos térerősség (és a mágneses indukció) vektora a hullám terjedési irányára merőleges. Ilyen irány azonban végtelen sok van. Egy izzólámpa vagy egy LED fényében, a napfényben az elektromos térerősség minden lehetséges (a terjedési irányra merőleges) irányt felvesz. (Ennek az az oka, hogy a fényt kibocsátó atomok egymástól függetlenül sugároznak, és így ez az irány véletlenszerű.) Az ilyen fényt polarizálatlan fénynek nevezzük.

Ha valamilyen módon elérjük, hogy a fényben az elektromos térerősség vektora egy kitüntetett irányba mutasson, akkor a fényt (lineárisan) polarizáltnak nevezzük. A lézerből már eleve polarizált fény lép ki (mert a lézerben az atomok nem egymástól függetlenül sugároznak), de bármely polarizálatlan fény is megfelelő eszközökkel polarizálható. A legegyszerűbb speciális polimerekből készült vékony polárszűrőket használni.

Ha az így polarizált fény egy másik polárszűrőn halad át, akkor attól függően, hogy a két polárszűrő polarizációs iránya egymáshoz képest milyen irányban áll, mást és mást tapasztalunk. Ha a két szűrő iránya párhuzamos, akkor a fény a második szűrőn akadálytalanul és gyengítetlenül áthalad, ha viszont a két szűrő egymásra merőlegesen áll, akkor a fény a második szűrőn nem tud áthaladni, teljesen elnyelődik.

További izgalmas kísérleteket végezhetünk, ha a két, egymásra merőleges irányú (tehát a fény útját teljesen elzáró) polárszűrő közé egy harmadik szűrőt is helyezünk. Ha ennek a szűrőnek a polarizációs iránya nem párhuzamos valamelyik másik szűrővel, hanem például 45°-os szöget zár be velük, akkor meglepő módon átjut valamennyi fény a rendszeren. Ennek a meglepő jelenségnek az az oka, hogy a második (45°-os) szűrő a rá eső polarizált fényt két részre bontja, és a polarizációs irányával párhuzamos részt továbbengedi (a másikat elnyeli), ez a 45°-os irányban polarizált fény éri el a harmadik (90°-ban álló) szűrőt, amelyre így már nem merőleges, így ez a szűrő ismét felbontja a beérkező fényt, és az irányával párhuzamos részt átengedi.

Ha a két, egymásra merőleges polárszűrő közé nem harmadik polárszűrőt, hanem olyan optikailag aktív anyagot teszünk, amely a fény polarizációs irányát elforgatja, akkor szintén átjut valamennyi fény. Ezzel a módszerrel mérhető az anyagok optikai aktivitása.

Mi az a kettőstörés?

Bizonyos anyagok még érdekesebben viselkednek: a polarizálatlan fény mindkét komponensét átengedik, de más sebességgel! Ez tehát azt jelenti, hogy az anyag kitüntetett irányával párhuzamosan polarizált fényre vonatkozóan más lesz az anyag törésmutatója, minta az erre merőleges irányban polarizált fényre vonatkozóan. Az anyagnak tehát kétféle törésmutatója van, ezért a jelenséget kettőstörésnek nevezik.

Ha a polarizálatlan fény nem merőlegesen éri el ennek az anyagnak a felületét, akkor a két, egymásra merőlegesen polarizált komponens más irányba törik meg, két külön sugárra bomlik. Egy ilyen kristályon át nézve "szellemképes" lesz a mögé helyezett kép vagy szöveg.

Azonban akkor is érdekes jelenségeket figyelhetünk meg, ha a polarizálatlan fény merőlegesen éri el a kettőstörő anyag felületét. Ilyenkor a két, egymásra merőlegesen polarizált komponens ugyanabba az irányba (egyenesen, törés nélkül) halad tovább, de más sebességgel. Emiatt a két komponens más fázisban éri el a kettőstörő anyag másik felületét, ahol kilépve ismét egyesülnek.

Ha a kettőstörő anyagra lineárisan polarizált fény esik, mégpedig úgy, hogy a polarizáció iránya 45°-os szöget zár be a kettőstörő anyag kitüntetett irányával, akkor az anyagba való belépéskor a polarizált fény két, egymásra merőleges komponensre bomlik. Ez a két komponens különböző sebességgel halad az anyagban, majd a kilépéskor újra egyesül. Attól függően, hogy a két komponens között mekkora lesz a kilépéskor a fáziskülönbség, mást-mást látunk: Ha a fáziseltolódás $\setbox0\hbox{$2\pi$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ egészszámú többszöröse, akkor a fény ugyanúgy lép ki, mint ahogy belépett. Ha azonban a fáziseltolás $\setbox0\hbox{$\pi$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ páratlan többszöröse, akkor az egyik komponens előjelet vált a másikhoz képest, és így a kilépő fény polarizációs síkja 90°-kal elfordul!

Még furcsább történik, ha a fáziseltolás $\setbox0\hbox{$\pi/2$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ páratlan többszöröse, ekkor cirkulárisan poláros fény lép ki az eszközből, amelyben az elektromos térerősség vektora már nem egy síkban rezeg, hanem haladás közben körbe forog (tehát egy spirált rajzol). A cirkulárisan poláros fény lehet balra és jobbra forgó - ezt használják ki a korszerű 3D mozikban.

Hogy működik egy folyadékkristály-kijelző (LCD)?

A mai elektronikus eszközök többsége, az egyszerű digitális karóráktól és számológépektől kezdve a színes TV-ken és laptopokon át a legkorszerűbb telefonokig folyadékkristályos kijelzővel működik.

Az elmúlt tíz évben piacra kerülő televíziók technológiai szerinti megoszlása. Illetve az elmúlt két évben piacra került érintőképernyők technológia szerinti megoszlása. TFT: thin-field transistor, a pixelek elektronikus vezérlését végző egység, különféle technológiával készülhet. Organikus LED vagy AMOLED: ...

A pontos elektronikai kialakítás természetesen eltérő a különféle alkalmazásokban, de a működést biztosító fizikai jelenség közös: a kijelzők szegmensekre, pixelekre vannak osztva, melyek vagy átengedik háttérből jövő fényt (világos pixel) vagy ’elzárják’ annak útját (sötét pixel), a nyitás/zárás pedig elektronikusan vezérlehető. Ezáltal pixelenként változtatható a kijelző sötét vagy világos állapota, és tetszőleges fekete-fehér kép megrajzolható. Mindezt a folyadékkristályok két különleges fizikai tulajdonsága teszi lehetővé: az optikai kettőstörés és az elektromos térrel való rendezhetőség. Az általános működési elvet az alábbi ábra szemlélteti.

A legegyszerűbb és legáltalánosabb, csavart nematikus kristályokat alaklamazó LCD kijelzők működési elve. Mindez egy angol nyelvű animáción szemléltetve.

Világos pixel:

- A legtöbb laptop és telefon LCD kijelzője valamilyen aktív fényforrásból (halogén lámpa - CCFL technológia, dióda - LED technológia) származó háttérvilágítással működik, mely folyamatosan világít a kijelző bekapcsolása után. Megj.: a LED képernyőnek nevezett kijelzők többsége valójában LED háttérvilágítású LCD technológiával működik.

- A megvilágító fényt egy polarizátoron és egy átlátszó elektródán keresztül vetítik a folyadékkristályokat tartalmazó cellára.

- A cellában a kristályok a határoló felület érdessége miatt rendezettek, irányuk a belépő oldalon merőleges a kilépő oldali irányra, a molekulák közti kölcsönhatások miatt a köztes térrészben pedig folytonosan csavarodik a kristály-orientáció.

- A belépő oldalon a fénypolarizáció a kristályok hossztengelyével párhuzamos, majd a csavarodó kristályok kettőstörésük révén folytonosan elforgatják a fény polarizációs síkját a cellán való áthaladás során. Így mire a fénynyaláb elér a merőleges polarizátort tartalmazó előlapig, polarizációja éppen 90°-ot fordul és csillapítatlanul kilép. Ilyenkor fényesnek látjuk az adott pixelt vagy épp egyneműnek a karóra hátterét.

Sötét pixel:

- A fényáteresztő elektródákra feszültséget kapcsolunk, mely elektromos teret hoz létre a folyadékkristály-molekulákat tartalmazó térrészben és a fény terjedési irányával párhuzamosan rendezi azok hossztengelyét.

- Ekkor az áthaladó, polarizált nyaláb a kristályok optikailag ’homogén’ tengelyét látja, nem történik kettőstörés, így a fény polarizációs iránya sem fordul el. A merőleges tengelyű kilépő oldali polarizátor elnyeli a teljes beeső intenzitást, nem jut át fény a cellán és a pixel sötét marad.

- Mivel a folyamat az elektromos tér ki-be kapcsolásával vezérelhető, így megfelelően kis elektrodákkal kis térrészeket egymástól függetlenül lehet világossá/sötétté tenni és ezáltal tetszőleges képet létrehozni.

Színes kijelzők esetén szintén a fent vázolt technológiát alkalamzzák leggyakrabban, azzal a kiegészítéssel, hogy minden pixel három egyforma tartományra van osztva, melyek előtt egy-egy piros, kék és zöld színszűrő helyezkedik el. A tartományok fényáteresztő-képességét a hozzájuk rendelt kristály-tartományok rendezettségével lehet szabályozni, így különböző intenzitású fény halad át az egyes színszűrőkön. Ezek ugyanakkor annyire közel helyezkednek el egymáshoz, hogy szabad szemmel már nem elkülöníthetők és a felhasználó egy eredő, kevert színt lát.

Csavart nematikus kristály-technológiát és TFT vezérlést alaklamazó színes LCD kijelzők általános működési elve. A fenti példában a három összetartozó pixel intenzív piros , kevsébé intenzív zöld és semennyi kék komponenst nem enged át, így az adott pixel sárgás-narancsos pont lesz a képernyőn. Egy interaktív animáció az egyik legnagyobb, folyadékkristályokat forgalmazó vegyipari cég honlapján.

És a malária-diagnosztika hogyan kapcsolódik ide?

A malária Földünk egyik legtöbb áldozatot követelő fertőző betegsége. A fejlett országokból sikerült ugyan visszaszorítani a XX. század folyamán, de az emberiség közel fele még napjainkban is maláriának kitett régiókban él. A világ számos pontján rengeteg kutatócsoport igyekszik hozzájárulni a malária elleni küzdelemhez többek között vakcinafejlesztéssel, hatékony megelőzési módszerek kidolgozásával, olcsó és gyors diagnosztikai módszerek fejlesztésével és nem utolsósorban új malária-ellenes hatóanyagok előállításával. A terület rendkívüli tudományos és társadalmi súlyát jelzi, hogy 2015-ben orvosi-élettani Nobel-díjjal jutalmazták a ma ismert leghatékonyabb malária-ellenes hatóanyag felfedezőjét, Youyou Tu-t.

A Föld maláriával fertőzött régiói	Youyou Tu (1930-)

Tanszékünkön egy olyan eszköz kifejlesztésével kapcsolódtunk be ebbe a globális problémakörbe, ami alkalmas lehet a betegség rendkívül korai stádiumú, ugyanakkor olcsó és automatizált kimutatására. A laborgyakorlat során ennek a műszernek a működési elvével ismerkedhettek meg, majd összeállíthatjátok és kipróbálhatjátok egy modell-változatát.

A maláriapigment-kristályok kialakulása

A betegséget a Plasmodium fajba tartozó egysejtű paraziták okozzák, melyek szúnyogcsípés útján jutnak be az emberi szervezetbe. A paraziták először a májban fejlődnek és szaporodnak, majd ezt a tünetmentes időszakot követően kirajzanak a véráramba, ahol megtámadják a vörösvértesteket. A vörösvértesteket folyamatosan felemésztik, hogy fehérjéit táplálékként hasznosítsák. A folyamat során ugyanakkor felszabadul a vörösvértesteket alkotó hemoglobin molekulák központi, vasat tartalmazó atomcsoportja (hem-csoport) is, ami mérgező a parazitákra nézve. Annak érdekében, hogy ezt a hatást semlegesítsék, emésztő szervecskéikben kristályokat építenek a hem-csoportokból. A hosszúkás, tűszerű kristályok a vas atomnak köszönhetően speciális optikai és mágneses tulajdonságokkal rendelkeznek. A hasonló alakú folyadékkristályokhoz hasonlóan kettőstörőek és mágneses térrel egy irányba rendezhetőek – szintén hasonlóan a folyadékkristályok és az elektromos tér esetéhez.

A maláriaparazita teljes életciklusa. A teljes életciklus során a különféle egyedfejlődési stádimban lévő parazita-formák eltérő latin vagy angol eredetű elnevezéseket kapnak, mint például 'ring'a vér fázis kezdeti szakaszában vagy 'sporozoite' a szúnyog-fázis végén. Forrás	A maláriaparaziták fény- és elektronmikroszkópos képe a vér fázisban. És egy angol nyelvű animáció "a paraziták életciklusáról.

A detektálás fizikai háttere

A malária-pigment kristályok teljesen egyedi jellemezői a malária-fertőzésnek, így ha sikerül jelenlétüket kimutatni egy vérmintában, biztosak lehetünk benne, hogy a páciens maláriával fertőzött. A kristályok érzékeny detektálását az teszi lehetővé, hogy szemben a többi véralkotóval, mágneses térrel rendezhetőek, paramágnesesek, valamint optikailag kettőstörők. A detektálás során egy csepp hígított vérmintát mágneses térbe helyezünk, majd polarizált lézerfénnyel átvilágítjuk. Ha találhatók kristályok a mintában, a mágneses tér egymással párhuzamosan rendezi azokat, és az így kapott folyadékkristályhoz hasonló keverék kettőstörése révén elforgatja az átmenő fény polarizációs síkját. Ha ezek után egy második polarizátort helyezünk a fényútba, ami ez elsőre merőleges, a kissé elforgatott komponens átjut a polarizátoron és az eredeti nulla intenzitás helyett mérhető mennyiségű fény jut a detektorba.

A hemozoin kristályok elektronmikroszkópos felvétele és a kristályt alkotó négy darab hem-csoport kapcsolata a kristályrácsban, illetve egy hem-csoport központi vas atomja és széngyűrűi.

A hemozoin-detektálási eszköz működési elve.

Mérési feladatok

1. Ismerkedés az optikai eszközökkel.

• Milyen eszközöket találtok magatok előtt a padon?
• Milyen különbségeket tudtok felsorolni a két fényforrás között? Állapítsátok meg, hogy polarizált fényt bocsájtanak-e ki!
• Milyen további fényforrások vannak körülötettek a teremben? Ezek közül melyik van, amelyik polarizált fényt bocsájt ki?
• Állítsátok be két polarizátor optikai tengelyét egymásra merőlegesre. Mi történik, ha közéjük helyeztek egy harmadik polarizátort?

2. Csavart nematikus LC cella vizsgálata

• ON/OFF állapot vízszintes-függőleges polarizátorokkal
• OFF állapot elforgatott polarizátorokkal

3. Hemozoin-detektálás egyszerű mágnessel és fényelemmel