Качурак Ю. М. РОЗРОБКА РІДКОКРИСТАЛІЧНИХ ЧУТЛИВИХ ЕЛЕМЕНТІВ ОПТИЧНИХ СЕНСОРІВ ДЛЯ ВИЗНАЧЕННЯ КОНЦЕНТРАЦІЇ ПАРІВ АЦЕТОНУ ТА СПИРТІВ

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 171 «Електроніка» – Національний університет «Львівська політехніка» Міністерства освіти і науки України, Львів, 2024. Дисертаційна робота присвячено розробці рідкокристалічних чутливих елементів оптичних сенсорів на основі, нематика Е7 та холестерика СВ15, для виявлення ацетону і спиртів, дослідженню холестерико-нематичних рідкокристалічних сумішей на предмет взаємодії з парами шкідливих органічних речовин, та проявів блакитної фази під час такої взаємодії. Перший розділ роботи присвячено дослідженню останніх тенденцій у галузі розробки оптичних сенсорів де активним середовищем виступають рідкі кристали. Також розглянуто дослідження по тематиці блакитної фази (BP) рідких кристалів, методів її стабілізації та використання цього явища в оптичних сенсорах. Розглянуто сучасні підходи до розробки рідкокристалічних оптичних сенсорів з застосуванням ефекту блакитної фази. В другому розділі роботи досліджено синтезовані рідкокристалічні сполуки, на основі нематичного рідкого кристалу Е7 та холестеричної домішки СВ15. Ці суміші демонструють взаємодію з парами ацетону та спиртів, та внаслідок такої взаємодії зміну власних характеристик. Основними критеріями вибору виступають температурні та спектральні характеристики сумішей. Нематик Е7 представляє собою суміш чотирьох схожих за структурою цианобіфенілів(терфенілів). Його складові 4-cyano-4 ʹ -n-pentyl-biphenyl (5CB), 4-cyano-4ʹ-nheptylbiphenyl (7CB), 4-cyano-4ʹ-n-octyloxy-biphenyl (8OCB), and 4-cyano-4ʹʹ-n-pentyl-p-terphenyl (5CT). В даній нематичній суміші специфічна взаємодія між її компонентами відсутня, тому розглядаємо її як практично однорідну нематичну матрицю. Крім того Е7 характеризується високим променезаломленням (Δn) = 0,2 (для видимої області спектру) та має широкий інтервал нематичної фази, - 48оС. Послідовність фазових переходів для нематика Е7, – Cr(кристал) − 20◦C N (нематик) 70◦C Iso (ізотропна рідина). Послідовність фаз для оптичноактивної холестеричної домішки СВ15 - Cr(кристал) - 4◦C N*(хіральний нематик) 54◦C - Iso (ізотропна рідина). Для обох складових розроблених сумішей характерні власні максимуми поглинання в ультрафіолетовому діапазоні. Загалом синтезовано чотири суміші з різними ваговими концентраціями складових. Зокрема 56% E7 + 44% CB15, 62% E7 + 38% CB15, 80% E7 + 20% CB15, 50% E7 + 50% CB15. Серед синтезованих сумішей усім вимогам для використання в якості чутливого елемента оптичного сенсора найкраще відповідаються дві суміші, а саме 62% E7 + 38% CB15 та 56% E7 + 44%. Температури початку перехідного процесу для сумішей 62% E7 + 38% CB15 – 27 оС, та 56% E7 + 44% - 24 оС. Спектральні характеристики сумішей характеризуються максимумами поглинання в видимій області спектру. Максимуми поглинання для суміші 56% E7 + 44% CB15 – 510-540 нм, для 62% E7 + 38% CB15 – 590-640 нм, а для суміші 50% E7 + 50% CB15 – 430-480 нм. Зазначено можливості для подальшої модифікації суміші, для покращення їх параметрів та можливості виявлення інших речовин. Третій розділ роботи присвячено дослідженню взаємодії розроблених рідкокристалічних чутливих елементів з ацетоном ((CH₃)₂CO) та спиртами (CH₃OH, C2H5OH, CH3CH(OH)CH3). Взаємодія з ацетоном досліджена при трьох концентраціях, 60, 120 та 240 ppm. Для суміші з концентрацією холестеричної домішки СВ15 в 38% при взаємодії з ацетоном час переходу в ізотропний стан склав 230 секунд, при цьому отримуємо фазовий перехід блакитної фази через 130 секунд від початку вимірювань. Тривалість існування блакитної фази в даному випадку склала 16,4 секунд. Швидкість фазового переходу при взаємодії з 120 ppm ацетону збільшується на 25%, а при 240 ppm на 60% відносно першого вимірювання. Існування блакитної фази під час фазового переходу зменшується лінійно, відповідно до збільшення концентрації ацетону. Спирти проявляють слабшу взаємодію з чутливим елементом, тривалості фазових переходів збільшуються на 200-300% при аналогічних концентраціях речовини в об’ємі сенсора. Досліджено основний механізм впливу ацетону та спиртів на рідкокристалічну комірку, який полягає в зменшенні порогової температури початку переходу в ізотропний стан. Так, при введенні спиртів в об’єм сенсора, температури фазових переходів знижуються на 2.5оС. У четвертому розділі досліджено та запропоновано варіант коценпції оптичного сенсора на основі розробленого рідкокристалічного чутливого елементу. Досліджено варіант спектрального перетворювача для використання в парі з рідкокристалічним чутливим елементом. На основі фотоприймального модуля TCS34903 запропоновано варіант реалізації оптичного сенсора ацетону та спиртів.