Жидкие кристаллы; их свойства и применение. Жи́дкие криста́ллы Важнейшие применения жидких кристаллов

Второго декабря старший научный сотрудник кафедры высокомолекулярных соединений химического факультета МГУ, доцент, доктор химических наук, лауреат премии президента Российской Федерации для молодых ученых за 2009 Алексей Бобровский в рамках проекта «Публичные лекции Полит.ру» прочитал в Политехническом музее лекцию о жидких кристаллах. Корреспондент «Ленты.Ру» взял у ученого интервью, в котором Бобровский еще раз коротко рассказал, что такое жидкие кристаллы, как их получают и исследуют и зачем они нужны.

Что такое жидкие кристаллы?

Это вещества, способные образовывать особую фазу, промежуточную между обычной – изотропной (разупорядоченной) – жидкой фазой и твердой кристаллической фазой. Можно сказать, что жидкие кристаллы представляют собой упорядоченные жидкости. Часто для жидкокристаллических фаз используют термин «мезофазы» («мезос» – промежуточный). В силу своей молекулярной упорядоченности они обладают огромным количеством интересных свойств, благодаря которым жидкие кристаллы используются в разнообразных технических устройствах. Более того, сейчас практически каждый человек пользуется ЖК-монитором, смотрит ЖК-телевизор, мониторы мобильного телефона работают на жидких кристаллах.

Какими свойствами обладают жидкие кристаллы? Чем они отличаются от «обычных» кристаллов или от жидкостей?

Самая интересная особенность жидких кристаллов – они обладают анизотропией свойств. Это означает, что поляризованный свет распространяется в жидкокристаллической фазе с разной скоростью в различных направлениях. Благодаря этой особенности жидкие кристаллы можно использовать в переключаемых системах – с одной стороны, они быстро реагируют на внешние поля, а с другой – их свойства отличаются в зависимости от того, в каком направлении приложено внешнее поле.

Переориентация молекул жидкого кристалла обычно происходит за миллисекунды, и при этом возникают колоссальные изменения оптических свойств жидкокристаллического слоя.

Какие вещества могут переходить в жидкокристаллическое состояние?

Вещество может переходить в состояние жидкого кристалла, если его молекулы имеют определенную структуру – чтобы проявлялась анизотропия свойств, они должны быть анизометричными. Грубо говоря, в ЖК-веществе молекулы должны быть палочко- или дискообразными. Это в простейшем случае. Существует, к примеру, класс так называемых «бананообразных» (banana-shaped) молекул, образующих интересные мезофазы.

Существуют ли вещества, которые при одних условиях являются, например, жидкостью, а при других переходят в жидкокристаллическое состояние?

Среди жидких кристаллов выделяют два типа – термотропные и лиотропные. Термотропные переходят в жидкокристаллическое состояние при определенной температуре, а при других температурах они могут быть либо кристаллическими, либо (при высоких температурах) – изотропными жидкостями. В случае лиотропных жидких кристаллов мезофаза возникает при добавлении к веществу растворителя.

Переход в состояние жидкого кристалла происходит при понижении температуры или при повышении?

При нагревании любое вещество чаще всего переходит в менее упорядоченное состояние, соответственно, жидкокристаллическое состояние менее упорядочено, чем кристаллическое, но более упорядочено, чем изотропная жидкость.

А при дальнейшем нагреве такое вещество может перейти в состояние жидкости?

Да, некоторые вещества могут перейти в состояние обычной разупорядоченной жидкости, а потом начинают испаряться. Если рассмотреть обобщенную диаграмму изменения состояния вещества при повышении температуры, то она будет такой: кристалл, жидкий кристалл, жидкость и пар.

Когда и как были впервые получены жидкие кристаллы?

Первый выделенный учеными жидкий кристалл был синтетическим веществом на основе природного холестерина. Это вещество называется холестерилбензоат – эфир бензойной кислоты и холестерина, и у него в 1888 году было обнаружено жидкокристаллическое состояние, хотя тогда еще исследователи не знали, что это именно оно.

В истории жидких кристаллов получилось так, что вещества, обладающие такими свойствами, были синтезированы раньше, чем ученые в этих свойствах разобрались. Уже потом химики и физики начали изучать свойства новых веществ, и выяснилось, что многие из них могут образовывать жидкие кристаллы. Но всерьез жидкими кристаллами ученые заинтересовались только в конце 1960-х, когда поняли, что их можно использовать в технике.

Как ученые получают жидкие кристаллы сейчас? Каким образом они угадывают – или предсказывают, что то или иное вещество будет обладать жидкокристаллическими свойствами?

Сейчас жидкие кристаллы получают путем стандартного органического синтеза. Ученые накопили очень много информации, на основании которой возможно предположить, будет ли вещество образовывать жидкокристаллическую фазу, или не будет.

Встречаются ли жидкие кристаллы в природе?

Жидкокристаллическое состояние играет важную роль в «работе» живых систем. Например, оно может наблюдаться в липидных мембранах. При некоторых условиях переходить в жидкокристаллическую фазу может ДНК. Иногда встречаются аналоги, или подобия ЖК-структур – например, переливающаяся окраска некоторых жуков и бабочек определяется твердыми структурами, которые напоминают «замороженные» жидкие кристаллы.

Как специалисты изучают жидкие кристаллы? Какие экспериментальные методы они используют?

Самый первый, так сказать традиционный, способ изучения жидких кристаллов – это поляризационно-оптическая микроскопия. Эта же технология применяется для исследования обычных кристаллов. Коротко суть метода такова: когда поляризованный свет попадает в жидкокристаллическую среду, наблюдается поворот плоскости поляризации, и степень поворота зависит от длины волны. Мезофазы дают характерные картинки, текстуры, при наблюдении в поляризационный микроскоп. Анализ изображения позволяет сделать первичный вывод о том, что за жидкокристаллическая фаза образуется.

Другой метод изучения жидких кристаллов – это рентгеноструктурный анализ.

Кроме того, для изучения свойств жидких кристаллов используют спектральные методы, включая, например, ядерно-магнитный резонанс. И хотя методов много, и изучают жидкие кристаллы уже давно, очень многие их свойства остаются пока непонятными.

А есть ли какие-то свойства, которых у жидких кристаллов пока не обнаружено, но наличие которых предполагается?

На ум ничего такого не приходит. В 70-е годы была предсказана возможность появления сегнетоэлектричества в некоторых типах ЖК-фаз, а позже его действительно обнаружили. Сейчас в исследовании жидких кристаллов есть несколько, так скажем, «модных» направлений. Например, к ним относятся исследования вышеупомянутых бананообразных молекул. Впервые ученые ими заинтересовались еще в середине 90-х годов, но сейчас интерес усилился, потому что такие жидкие кристаллы демонстрируют очень необычные физические свойства, включая, например, сегнетоэлектричество.

Давайте поговорим о практическом применении жидких кристаллов. Как именно они работают, скажем, в мониторах или часах?

Жидкие кристаллы могут легко переориентироваться во внешнем магнитном или электрическом поле. Их наносят в виде тонкой пленки на специальную зону с проводящим покрытием. При подаче электрического сигнала происходит переориентация молекул жидких кристаллов, и цвет или светопропускание покрытия изменяются.

Кстати, в жидкокристаллических дисплеях используют не один тип кристаллов, а многокомпонентную смесь (причем не обязательно, чтобы все ее составляющие обладали жидкокристаллическими свойствами). Это делается для того, чтобы понизить температуру плавления смеси до значения ниже комнатной температуры. Иначе такие дисплеи не смогут работать, так как жидкие кристаллы в них будут находиться в твердом состоянии.

Какие еще применения есть у жидких кристаллов?

Используя жидкие кристаллы, можно проводить визуализацию температурных полей – дело в том, что некоторые жидкие кристаллы меняют свою окраску под действием изменения температуры.

Но, вообще говоря, кульминация активности исследований жидких кристаллов для дисплейных технологий была в 80-х-90-х годах прошлого века, а сейчас интерес к ним с этой точки зрения во многом угас. Однако это не значит, что с ними уже все ясно. Есть огромный простор и для фундаментальных исследований, и для возможных «недисплейных» применений: в оптоэлектронике, создании сенсоров, в биологии и медицине.

Видеозапись лекции Алексея Бобровского, прочитанной в рамках проекта «Публичные лекции Полит.Ру» и ее расшифровку можно найти на сайте Полит.ру .

Жи́дкие криста́ллы (сокращённо ЖК) - это фазовое состояние, в которое переходят некоторые вещества при определенных условиях (температура, давление, концентрация в растворе). Жидкие кристаллы обладают одновременно свойствами как жидкостей (текучесть), так и кристаллов (анизотропия). По структуре ЖК представляют собой вязкие жидкости, состоящие из молекул вытянутой или дискообразной формы, определённым образом упорядоченных во всем объёме этой жидкости. Наиболее характерным свойством ЖК является их способность изменять ориентацию молекул под воздействием электрических полей, что открывает широкие возможности для применения их в промышленности. По типу ЖК обычно разделяют на две большие группы: нематики и смектики. В свою очередь нематики подразделяются на собственнонематические и холестерические жидкие кристаллы.

История открытия жидких кристаллов

Жидкие кристаллы открыл в 1888 году австрийский ботаник Ф. Рейнитцер. Он обратил внимание, что у кристаллов холестерилбензоата и холестерилацетата было две точки плавления и, соответственно, два разных жидких состояния - мутное и прозрачное. Однако, учёные не обратили особого внимания на необычные свойства этих жидкостей. Долгое время физики и химики в принципе не признавали жидких кристаллов, потому что их существование разрушало теорию о трёх состояниях вещества:твёрдом, жидком и газообразном. Учёные относили жидкие кристаллы то к коллоидным растворам, то к эмульсиям. Научное доказательство было предоставлено профессором университета Карлсруэ Отто Леманном (нем. Otto Lehmann ) после многолетних исследований, но даже после появления в 1904 году написанной им книги «Жидкие кристаллы» открытию не нашлось применения.

В 1963 г. американец Дж. Фергюсон (англ. James Fergason ) использовал важнейшее свойство жидких кристаллов - изменять цвет под воздействием температуры - для обнаружения невидимых простым глазом тепловых полей. После того, как ему выдали патент на изобретение (U.S. Patent 3 114 836), интерес к жидким кристаллам резко возрос.

В 1965 г. в США собралась Первая международная конференция, посвящённая жидким кристаллам. В 1968 г. американские учёные создали принципиально новыеиндикаторы для систем отображения информации. Принцип их действия основан на том, что молекулы жидких кристаллов, поворачиваясь в электрическом поле, по-разному отражают и пропускают свет. Под воздействием напряжения, которое подавали на проводники, впаянные в экран, на нём возникало изображение, состоящее из микроскопических точек. И всё же только после 1973 г., когда группа английских химиков под руководством Джорджа Грея (англ. George William Gray ) получила жидкие кристаллы из относительно дешёвого и доступного сырья, эти вещества получили широкое распространение в разнообразных устройствах.

Виды жидких кристаллов

Термотропные ЖК , образующиеся в результате нагревания твердого вещества и существующие в определенном интервале температур и давлений.

Лиотропные ЖК, которые представляют собой двух или более компонентные системы, образующиеся в смесях стержневидных молекул данного вещества и воды (или других полярных растворителей). Эти стержневидные молекулы имеют на одном конце полярную группу, а большая часть стержня представляет собой гибкую гидрофобную углеводородную цепь. Такие вещества называются амфифилами.

Термотропные ЖК подразделяются на три больших класса:

1, Нематические жидкие кристаллы. В этих кристаллах отсутствует дальний порядок в расположении центров тяжести молекул, у них нет слоистой структуры, их молекулы скользят непрерывно в направлении своих длинных осей, вращаясь вокруг них, но при этом сохраняют ориентационный порядок: длинные оси направлены вдоль одного преимущественного направления. Они ведут себя подобно обычным жидкостям. Нематические фазы встречаются только в таких веществах, у молекул которых нет различия между правой и левой формами, их молекулы тождественны своему зеркальному изображению (ахиральны). Примером вещества, образующего нематический ЖК, может служить N-(пара-метоксибензилиден)-пара-бутиланилин.

2, Смектические жидкие кристаллы имеют слоистую структуру, слои могут перемещаться относительно друг друга. Толщина смектического слоя определяется длиной молекул (преимущественно, длиной парафинового «хвоста»), однако вязкость смектиков значительно выше, чем у нематиков, и плотность по нормали к поверхности слоя может сильно меняться. Типичным является терефтал-бис (nара-бутиланилин):

3, Холестерические жидкие кристаллы - образуются, в основном, соединениями холестерина и других стероидов. Это нематические ЖК, но их длинные оси повернуты друг относительно друга так, что они образуют спирали, очень чувствительные к изменению температуры вследствие чрезвычайно малой энергии образования этой структуры (порядка 0,01 Дж/моль). В качестве типичного холестерика можно назвать амил-пара-(4-цианобензилиденамино)- циннамат

Указанные типы структур относятся к так называемым термотропным жидким кристаллам, образование которых осуществляется только при термическом воздействии на вещество (нагревание или охлаждение). На рис. 2 показаны схемы расположения стержне- и дискообразных молекул в трех перечисленных структурных модификациях жидких кристаллов.

Свойства ЖК

Жидкий кристалл обладает свойствами и жидкости, и кристалла:

Подобно обычной жидкости, жидкий кристалл обладает текучестью и принимает форму сосуда, в который он помещен.

Он обладает свойством, характерным для кристаллов - упорядочиванием в пространстве молекул, образующих кристалл.

Не имеют жёсткую кристаллическую решётку.

Наличие порядка пространственной ориентации молекул

Осуществление более сложного ориентационного порядка молекул, чем у кристаллов.

Упругость жидкого кристалла

Оптические наблюдения дали значительное количество фактов о свойствах жидкокристаллической фазы, которые необходимо было понять и описать. Одним из первых достижений в описании свойств жидких кристаллов, как уже упоминалось во введении, было создание теории упругости жидких кристаллов. В современной форме она была в основном сформулирована английским ученым Ф. Франком в пятидесятые годы.

Анизотропия физических свойств - основная особенность жидких кристаллов

Поскольку основным структурным признаком жидких кристаллов является наличие ориентационного порядка, обусловленного анизотропной формой молекул, то естественно, что все их свойства так или иначе определяются степенью ориентаци-ониого упорядочения. Количественно степень упорядоченности жидкого кристалла определяется параметром порядка S, введенным В.И. Цветковым в 40-х годах:

S = 0,5 á(3cos 2 q – 1)ñ (2)

где q - угол между осью индивидуальной молекулы жидкого кристалла и преимущественным направлением всего ансамбля, определяемым директором n (рис. 2) (угловые скобки означают усреднение по всем ориентациям молекул). Легко понять, что в полностью разупорядоченной изотропно-жидкой фазе S = 0, а в полностью твердом кристалле S = 1.Параметр порядка жидкого кристалла лежит в пределах от 0 до 1. Именно существование ориентационного порядка обусловливает анизотропию всех физических свойств жидких кристаллов. Так, анизотропная форма молекул каламитиков определяет появление двойного лучепреломления (Dn) и диэлектрической анизотропии (De), величины которых могут быть выражены следующим образом:

Dn || = n || – n ^ и De || = e || – e ^ (3)

где n || , n ^ и e || , e ^ - показатели преломления и диэлектрические постоянные соответственно, измеренные при параллельной и перпендикулярной ориентации длинных осей молекул относительно директора. Значения Dn для ЖК-соединений обычно весьма велики и меняются в широких пределах в зависимости от их химического строения, достигая иногда величины порядка 0,3-0,4. Величина и знак De зависят от соотношения между анизотропией поляризуемости молекулы, величиной постоянного дипольного момента m, а также от угла между направлением дипольного момента и длинной молекулярной осью. Примеры двух ЖК-соединений, характеризующихся положительной и отрицательной величиной De, приведены ниже:

Нагревание жидкого кристалла, понижая его ориентационный порядок, сопровождается монотонным снижением значений Dn и De, так что в точке исчезновения ЖК-фазы приТ пр анизотропия свойств полностью исчезает.

В то же время именно анизотропия всех физических характеристик жидкого кристалла в сочетании с низкой вязкостью этих соединений и позволяет с высокой легкостью и эффективностью осуществлять ориентацию (и переориентацию) их молекул под действием небольших "возмущающих" факторов (электрические и магнитные поля, механическое напряжение), существенно изменяя их структуру и свойства. Именно поэтому жидкие кристаллы оказались незаменимыми электрооптически-активными средами, на основе которых и было создано новое поколение так называемых ЖК-индикаторов.

Как управлять жидкими кристаллами

Основой любого ЖК-индикатора является так называемая электрооптическая ячейка, устройство которой изображено на рис. 5. Две плоские стеклянные пластинки с нанесенным на них прозрачным проводя щим слоем из окиси олова или окиси индия, выполняющие роль электродов, разделяются тонкими прокладками из непроводяшего материала (полиэтилен, тефлон). Образовавшийся зазор между пластинками, который колеблется от 5 до 50 мкм (в зависимости от назначения ячейки), заполняется жидким кристаллом, и вся"сандвичевая" конструкция по периметру "запаивается" герметикой или другим изолирующим материалом (рис. 5). Полученная таким образом ячейка может быть помешена между двумя очень тонкими пленочными поляризаторами, плоскости поляризации которых образуют определенный угол с целью наблюдения эффектов ориентации молекул под действием электрического поля. Приложение к тонкому ЖК-слою даже небольшого электрического напряжения (1,5-3 В) вследствие относительно низкой вязкости и внутреннего трения анизотропной жидкости приводит к изменению ориентации жидкого кристалла. При этом важно подчеркнуть, что электрическое поле воздействует не на отдельные молекулы, а на ориентированные группы молекул (рои или домены), состоящие из десятков тысяч молекул, вследствие чего энергия электростатического взаимодействия значительно превышает энергию теплового движения молекул. В итоге жидкий кристалл стремится повернуться таким образом, чтобы направление максимальной диэлектрической постоянной совпало с направлением электрического поля. А вследствие большой величины двулучепреломления Dn процесс ориентации ведет к резкому изменению структуры и оптических свойств жидкого кристалла.

Впервые воздействие электрических и магнитных полей на жидкие кристаллы было исследовано русским физиком В.К. Фредериксом, и процессы их ориентации получили название электрооптических переходов (или эффектов) фредерикса. Один из трех, наиболее часто встречающихся вариантов ориентации молекул показан на рис. 5. а. Этопланарная ориентация, которая характерна для нематиков с отрицательной диэлектрической анизотропией (De < 0), когда длинные оси молекул параллельны стеклянным поверхностям ячейки.

Рис. 5. Электрооптическая ячейка типа "сандвич" с планарной ориентацией молекул (а) и схемы расположения молекул жидких кристаллов в ячейке: б - гомеотропная и в - твист-ориентация. 1 - слой жидкого кристалла. 2 - стеклянные пластинки, 3 - токопроводящий слой, 4 - диэлектрическая прокладка, 5 - поляризатор, 6 - источник электрического напряжения.

Гомеотропная ориентация реализуется для жидких кристаллов с положительной диэлектрической анизотропией (De > 0) (рис. 5, б). В этом случае длинные оси молекул с продольным дипольным моментом располагаются вдоль направления поля перпендикулярно поверхности ячейки. И наконец, возможна твист- или закрученная ориентация молекул (рис. 5, в). Такая ориентация достигается специальной обработкой стеклянных пластинок, при которой длинные оси молекул поворачиваются в направлении от нижнего к верхнему стеклу электрооптической ячейки. Обычно это достигается натиранием стекол в разных направлениях или использованием специальных веществ-ориентантов, задающих направление ориентации молекул.

В основе действия любого ЖК-индикатора лежат структурные перестройки между указанными типами ориентации молекул, которые индуцируются при приложении слабого электрического поля. Рассмотрим, например, как работает ЖК-циферблат электронных часов. Основу циферблата составляет уже знакомая нам электрооптическая ячейка, правда несколько дополненная (рис. 6, а, б). Помимо стекол с напыленными электродами, двух поляризаторов, плоскости поляризации которых противоположны, но совпадают с направлением длинных осей молекул у электродов, добавляется еще располагаюшееся под нижним поляризатором зеркало (на рисунке не показано). Нижний электрод обычно делают сплошным, а верхний - фигурным, состоящим из семи небольших сегментов-электродов, с помощью которых можно изобразить любую цифру или букву (рис. 6, в). Каждый такой сегмент "питается" электричеством и включается согласно заданной программе от миниатюрного генератора. Исходная ориентация нематика закрученная, то есть мы имеем так называемую твист-ориентацию молекул (см. рис. 5, в и 6, а). Свет падает на верхний поляризатор и становится плоскополяризованным в соответствии с его поляризацией.

Рис. 6 Схема работы ЖК-индикатора на твист-эффекте: а - до включения электрического поля, б - после включения поля, в - семисегментной буквенно-цифровой электрод, управляемый электрическим полем.

При отсутствии электрического поля (то есть в выключенном состоянии) свет, "следуя" твист-ориентации нематика, меняет свое направление в соответствии с оптической осью нематика и на выходе будет иметь то же направление поляризации, что и нижний поляризатор (см. рис. 6, а). Другими словами, свет отразится от зеркала, и мы увидим светлый фон. При включении электрического поля для нематического жидкого кристалла с положительной диэлектрической анизотропией (De > 0) произойдет переход от закрученной твист-ориентации к гомеотропной ориентации молекул, то есть длинные оси молекул повернутся в направлении, перпендикулярном к электродам, и спиральная структура разрушится (рис. 6, б). Теперь свет, не изменив направления исходной поляризации, совпадающей с поляризацией верхнего поляризатора, будет иметь направление поляризации, противоположное нижнему поляроиду, а они, как видно на рис. 6, б, находятся в скрещенном положении. В этом случае свет не дойдет до зеркала, и мы увидим темный фон. Другими словами, включая поле, можно рисовать любые темные символы (буквы, цифры) на светлом фоне, используя, например, простую семисегментную систему электродов (рис. 6, в).

Таков принцип действия любого ЖК-индикатора. Основными преимуществами этих индикаторов являются низкие управляющие напряжения (1,5-5 В), малые потребляемые мощности (1-10 мкВт), высокая контрастность изображения, легкость встраивания в любые электронные схемы, надежность в работе и относительная дешевизна.

Заключение

Итак, жидкие кристаллы обладают двойственными свойствами, сочетая в себе свойство жидкостей(текучесть) и свойство кристаллических тел (анизотропию). Их поведение не всегда удается описать с помощью привычных методов и понятий. Но именно в этом и заключена их привлекательность для исследователей, стремящихся познать еще неизведанное.

Недавно открыты и интенсивно исследуются жидкокристаллические полимеры, появились полимерные ЖК-сегнетоэлектрики, идет активное исследование гибкоцепныхэлементоорганических и металлсодержащих ЖК-соединений, образующих новые типы мезофаз. Мир жидких кристаллов бесконечно велик и охватывает широчайший круг природных и синтетических объектов, привлекая внимание не только ученых - физиков, химиков и биологов, но и исследователей-практиков, работающих в самых разнообразных отраслях современной техники (электронике, оптоэлектронике, информатике, голографии и т. п.).

ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ И ПРИБОРЫ НА ИХ ОСНОВЕ В настоящее время технологии жидкокристаллических мониторов ЖК были известны химикам еще с 1888 г., но только 1960-х годов началось их практическое использование (для экранов часов и калькуляторов). В 1990 г. Де Жен получил Нобелевскую премию за теорию ЖК. В настоящее время жидкие кристаллы произвели революцию в электронике они используются в самых различных дисплеях (в часах, мини телевизорах), ЖК мониторах для компьютеров, как визуальные термодатчики (изменение цвета от температуры) и др. Твердое тело мезофаза жидкость (3-мерное) (1-2-мерная) (изотропная Термином жидкий кристалл (ЖК) обозначается мезофаза между твердым состоянием и изотропным жидким состоянием, при этом мезофаза сохраняет фундаментальные свойства присущие двум состояниям материи. «Мезос», означает промежуточный, средний. В отдельных случаях мезофаза оказывается стабильной в широкой области температур, включая комнатную, тогда говорят о ЖК.

Химичаская структура молекул, образующих жидкие кристаллы. а) -стержневые молекулы, образующие ЖК – смектики и нематики, б)- молекулы, образующие ЖК –дискотики. Нематики. Это название происходит от греческого «нема» (nhma), что означает нить. Для характеристики ориентационного порядка нематиков вводится вектор единичной длины – директор, направление которого совпадает с направлением усредненной ориентации длинных осей молекул. Кроме того, вводится еще одна величина, параметр порядка S, которая характеризует степень ориентационного упорядочения молекул., где - угол между направлениями директора и мгновенным направлением длинной оси молекул. Очевидно, что параметр может принимать значения от 0 до 1. Значение S = 1 соответствует полной ориентационной упорядоченности, S = 0 означает полный ориентационный беспорядок и соответствует изотропнjq жидкости.

Смектики. Название произошло от греческого «смегма» (smhgma), что означает «мыло». В этих материалах, помимо ориентационной упорядоченности молекул, существует частичное упорядочение центров тяжести молекул. Иначе говоря, центры тяжести молекул организованы в слои, расстояние между которыми фиксированы. Слои молекул легко смещаются относительно друг друга, и смектики на ощупь мылоподобные. оси молекулы Колонноидальный дискотик можно также отнести к смектикам Нематики – более текучая фаза ЖК не имеет слоев, а имеет только преимущественное направление (директор Типы жидких кристаллов А – нематик, Б – смектик, С дискотик

Холестерики, получившие свое название от холестерола (первого открытого соединения). Такая молекула имеет оптическую ось, вокруг которой может поворачиваться директор. при переходе от одного слоя к другому директор постепенно вращается, создавая уникальную спиральную структуру. Показаны оптическая ось молекулы, направление директора и шаг винта – р, (расстояние, на котором директор поворачивается на 360). Длина волны света, который отражается от ЖК- холестерика =np, где n-коэффициент преломления. Часто эти длины волн располагаются в видимом диапазоне. Важным свойством холестерика является зависимость шага винта от температуры, т.е. зависимость от температуры длины волны отраженного света. Более высокие температуры соотвествуют голубому цвету, более низкие- красному.

Применение жидких кристаллов в дисплеях основное применение ЖК связано с электро-оптическими (ЭО) приборами. Для таких применений ЖК (нематик) должен обладать четырьмя необходимыми свойствами, а именно: поверхностным упорядочением, переориентацией директора электрическим полем или диэлектрической анизотропией, вращением плоскости поляризации света или оптической анизотропией и ориентационной эластичностью (способностью молекул к различным поворотам). 1.Поверхностное упорядочение. Обычно ЭО дисплей представляет собой стеклянную кювету толщиной меньше 20 мкм, в которую помещен ЖК. Направление директора ЖК может быть задано обработкой поверхностей кюветы таким образом, чтобы молекулы ЖК выстраивались в определенном направлении параллельно плоскости кюветы или перпендикулярно к ней.

0. Эта анизотропия является основной дв" title="2. Диэлектрическая анизотропия ЖК может быть записана как разность диэлектрической проницаемости в направлении параллельном директору и перпендикулярном ему = -. Если директор выстраивается параллельно полю то >0. Эта анизотропия является основной дв" class="link_thumb"> 6 2. Диэлектрическая анизотропия ЖК может быть записана как разность диэлектрической проницаемости в направлении параллельном директору и перпендикулярном ему = -. Если директор выстраивается параллельно полю то >0. Эта анизотропия является основной движущей силой для работы дисплеев. Электрический вклад в свободную энергию кристаллов содержит член, который зависит от угла между директором (n) и приложенным электрическим полем (E), при этом директор будет вращаться, чтобы минимизировать свободную энергию и выстраивается параллельно полю. Отметим, что этот вклад не является дипольным, не зависит от направления электричского поля. 3. Оптическая анизотропия связана с анизотропией коэффициента преломления – n, или двулучепреломлением. Это означает, что материал имеет два значения n для направлений поляризации света параллельно и перпендикулярно директору, разница между ними n=n -n есть мера оптической анизотропии. Для работы ЖК дисплея эта величина должна быть >0,2. 4. Ориентационная эластичность необходима для обеспечения поворота молекул при приложении поля и возврата их в исходное положение после выключения поля. Это свойство описывается эластичными константами наклона, закручивания и изгиба К 11, К 22 и К3 3 0. Эта анизотропия является основной дв"> 0. Эта анизотропия является основной движущей силой для работы дисплеев. Электрический вклад в свободную энергию кристаллов содержит член, который зависит от угла между директором (n) и приложенным электрическим полем (E), при этом директор будет вращаться, чтобы минимизировать свободную энергию и выстраивается параллельно полю. Отметим, что этот вклад не является дипольным, не зависит от направления электричского поля. 3. Оптическая анизотропия связана с анизотропией коэффициента преломления – n, или двулучепреломлением. Это означает, что материал имеет два значения n для направлений поляризации света параллельно и перпендикулярно директору, разница между ними n=n -n есть мера оптической анизотропии. Для работы ЖК дисплея эта величина должна быть >0,2. 4. Ориентационная эластичность необходима для обеспечения поворота молекул при приложении поля и возврата их в исходное положение после выключения поля. Это свойство описывается эластичными константами наклона, закручивания и изгиба К 11, К 22 и К3 3"> 0. Эта анизотропия является основной дв" title="2. Диэлектрическая анизотропия ЖК может быть записана как разность диэлектрической проницаемости в направлении параллельном директору и перпендикулярном ему = -. Если директор выстраивается параллельно полю то >0. Эта анизотропия является основной дв"> title="2. Диэлектрическая анизотропия ЖК может быть записана как разность диэлектрической проницаемости в направлении параллельном директору и перпендикулярном ему = -. Если директор выстраивается параллельно полю то >0. Эта анизотропия является основной дв">

Простейший ЭО прибор. При этом верхнюю и нижнюю поверхность кюветы натирают в перпендикулярных направлениях, так что директор ЖК поворачивается от верха кюветы к низу на 90 0, таким образом, вращая плоскость поляризации Контраст изображения достигается с помощью скрещенных поляроидов. В скрещенных поляроидах эта ячейка выглядит светлой. Если теперь приложить электрическое поле, директор молекул ЖК будет выстраиваться параллельно полю, вращение плоскости поляризации исчезнет, и свет в скрещенных поляроидах перестанет проходить Напряжение, необходимое для поворота директора составляет обычно 2-5В и определяется диэлектрической анизотропией и эластичными константами. Вращение плоскости поляризации в ЖК кювете

ЖК дисплей имеет несколько слоев: две панели, сделанные из очень чистого стекла -подложка. Слои содержат тонкий слой жидких кристаллов между собой. На панелях имеются бороздки,. Бороздки расположены таким образом, что они параллельны на каждой панели, но перпендикулярны между двумя панелями.. Соприкасаясь с бороздками, молекулы в жидких кристаллах ориентируются одинаково во всех ячейках. Две панели расположены очень близко друг к другу. Сверху и снизу помещены две поляризационные пленки Для подсветки обычно используется лампа, иногда дисплеи, например, дисплеи часов работают в отраженном свете

Для подачи информации на стеклянные панели наносится слой полупрозрачного ITO, в качестве электрода. Электроды наносятся в виде точек или сегментов, на которые подается отдельная информация Если расположить большое число электродов, которые создают разные электрические поля в отдельных местах экрана (ячейки), то появится возможность при правильном управлении потенциалами этих электродов отображать на экране буквы и другие элементы изображения. Электроды помещаются в прозрачный пластик и могут принимать любую форму. Технологические новшества позволили ограничить их размеры величиной маленькой точки (0.3 мкм), на одной и той же площади экрана можно расположить большее число электродов, что увеличивает разрешение Цвет получается в результате использования трех фильтров, которые выделяют из излучения источника белого света три основные компоненты. Комбинируя три основные цвета для каждой точки или пикселя экрана, появляется возможность воспроизвести любой цвет. Изображение формируется строка за строкой путем последовательного подвода управляющего напряжения на отдельные ячейки, делающего их прозрачными. Электроды к ЖК дисплею Дисплеи с пассивной матрицей

Дисплеи с активной матрицей В активной матрице (active matrix) используются отдельные усилительные элементы для каждой ячейки экрана -матрице электродов, которая управляет ячейками жидких кристаллов дисплея. В случае с пассивной матрицей разные электроды получают электрический заряд циклическим методом при построчном обновлении дисплея, а в результате разряда емкостей элементов изображение исчезает, так как кристаллы возвращаются к своей изначальной конфигурации. В случае с активной матрицей к каждому электроду добавлен запоминающий транзистор, который может хранить цифровую информацию (двоичные значения 0 или 1) и в результате изображение сохраняется до тех пор, пока не поступит другой сигнал. Запоминающие транзисторы должны производиться из прозрачных материалов, что позволит световому лучу проходить сквозь них. Для этих целей используются тонкие пленки Thin Film Transistor (или ТFT). Это те управляющие элементы, при помощи которых контролируется каждый пиксель на экране. транзистор очень тонкий, 0,1–0,01 мкм. Изготовлен из аморфного кремния (a-Si),

Сегнетоэлектрические дисплеи Несмотря на широкое применение дисплеев с активной матрицей на основе нематических ЖК, у них имеется принципиальный недостаток – большое время релаксации (время поворота директора ЖК после выключения электрического поля ~ 20 ms). Сейчас существует принципиально другая технология для изготовления плоских, быстро переключающихся дисплеев, основанная на применении сегнетоэлектрических, жидкокристаллических смектиков (флуоробифенил на рис). На первый взгляд кажется странным, что для создания быстрых приборов используется более вязкая (по сравнению с нематиком) смектическая фаза ЖК. Молекулы такого смектика обладают дипольным моментом и расположены слоями, в каждом слое наклонены под одинаковым углом к плоскости слоя. Одинаковый угол

Одинаковый угол наклона возникает вследствие взаимодействия диполей молекул наличия сегнетоэлектрической фазы. Приложение электрического поля может изменить направление диполей на противоположное и соответственно изменится угол наклона молекул. Таким образом, в слое молекул имеется две возможные ориентации диполей и самих молекул (без электрического поля и с ним), рис. Время поворота молекул в этом случае достаточно мало 1мкс, что на 2-3 порядка меньше времени возврата молекул в нематической фазе. исходно поляризаторы света устанавливаются таким образом, чтобы свет не проходил (один параллельно направлению директора молекул, другой – перпендикулярно). После приложения электрического поля, диполи молекул поворачиваются параллельно полю, а директор молекул разворачивается на некоторый угол по отношению к поляризатору, при этом свет начинает частично проходить через структуру. Слой молекул в смектике в сегнето-электрической фазе.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Институт экономики, управления и права (г. Казань)

Экономический факультет

1 курс заочного отделения

экономического факультета

по дисциплине «Концепция современного естествознания»

тема «Жидкие кристаллы и их применение»

за 1 семестр 2009/2010 уч. года

Казань, 2009

Введение

1. История открытия жидких кристаллов

2. Основные типы жидких кристаллов

2.1 Смектические жидкие кристаллы

2.2 Нематические жидкие кристаллы

2.3 Холестерические жидкие кристаллы

2.4 Лиотропные жидкие кристаллы

3. Условия существования жидких кристаллов

4. Тепловые свойства

5. Оптические свойства

6. Электрические свойства

7. Магнитные свойства

8. Практическое применение жидких кристаллов

8.1 Формирование цветного изображения

Заключение

Литература

Введение

Жидкие кристаллы необычайно интересны и удивительны. Они способны удивить даже тех, кто разучился это делать. Наука о жидких кристаллах - одна из самых молодых областей науки, в то же время она много успела дать людям. Действительно, только в последние десятилетия, когда выяснились огромные практические возможности использования жидких кристаллов, они оказались в центре внимания. О них стали много говорить и писать, ими стали интересоваться даже люди далёкие от науки. Специалисты пророчат им большое будущее в науке.

До того же они интересовали лишь представителей науки о кристаллах - кристаллографов, которые видели и видят в жидких кристаллах промежуточную фазу между твёрдым кристаллом и жидкостью, сочетающее в себе свойства как того, так и другого. Сегодня известно несколько десятков тысяч органических веществ, которые могут находиться в таком состоянии, и список этих веществ продолжает расти.

Итак, вещества, способные находиться в жидкокристаллическом состоянии, называют “жидкими кристаллами”.

1. История открытия жидких кристаллов

Открыты жидкие кристаллы были ещё в XIX веке.

В 1888 г. австрийский ботаник Фридрих Рейнитцер (1857-1927) обнаружил у синтезированного им нового органического вещества - холестерилбензоата весьма необыкновенные свойства.

Во-первых, при плавлении этого вещества наблюдались две области окрашивания, причём первая - одноцветная, а вторая, возникающая при более низких температурах, - многоцветная, такая же, как у холестерилацетата.

Во-вторых, у холестерилбензоата было обнаружено ещё одно интересное свойство: это соединение имело как бы две точки плавления. При 1450 С кристаллы вещества плавились в опалесцирующую жидкость, которая под микроскопом казалась состоящей из звёздообразных агрегатов. При 1790 С эта мутная масса превращалась в прозрачный расплав. Если расплав охлаждался, то при 1790 С он приобретал голубоватую окраску, которая быстро исчезала, и жидкая масса становилась опалесцирующей. Около 1450 С окраска появлялась вновь и тот час же вещество кристаллизировалось.

Итак, Рейнитцер впервые обнаружил, что при плавлении холестерилбензоата между твёрдой фазой и обычным расплавом возникает некая новая мутная фаза, окраска которой зависит от температуры и исчезает при переходе в обычный расплав, но иногда сохраняется в твёрдой фазе при быстром её переохлаждении.

Дальнейшим исследованием препаратов Рейнитцера занялся немецкий учёный-экспериментатор Отто Леман (1855-1922). В это время он занимался исследованием роста и растворения кристаллов с помощью поляризационного микроскопа. Он первым стал изучать поведение кристаллов и их расплавов в электрических полях. Леман создал не только отличные приборы для кристаллооптических исследований, но и разработал методику работы с ними при изучении плавления, кристаллизации, фазовых превращений полиморфизма и изоморфизма. Довольно быстро он нашёл у холестерилацетата и холестерилбнзоата по три твёрдых кристаллических модификации - физических изомера. Результаты исследований дали ему основание считать, что две точки плавления - это всего-навсего точки превращения различных модификаций друг в друга. Оказалось, что порядок расположения атомов, характерный для кристаллов, может быть не полным и что вообще может быть несколько разных видов порядка (один - в ориентации молекул, другой - в расположении их центров масс и т.д.).

Леман впервые высказал мысль, что расплав холетерилбензоата имеет все оптические свойства кристаллического вещества. Наблюдения и исследования Лемана легли в основу физики жидких кристаллов. “Для физиков всегда представляет огромный интерес тот факт, - писал Леман, - что существуют кристаллы, мягкость которых такова, что позволяет назвать их жидкими”.

Однако многие физики восприняли открытие жидких кристаллов с недоверием. Началась длительная и трудная борьба за их признание.

В 1904 г. Леман издаёт книгу “ Жидкие кристаллы ”, где в полном виде были собраны все экспериментальные доказательства реальности жидких кристаллов. Сторонников Лемана после этого прибавилось.

Немецкий физик Рудольф Шенк (1870-1965) заключает: “Исследования показывают, что жидкие кристаллы не только по своим оптическим, но и по своим другим свойствам совершенно аналогичны обычным кристаллам”.

Активным сторонником теории жидких кристаллов стал немецкий учёный Даниэль Форлендер (1867-1941). Он со своими учениками изготовил несколько сотен новых жидких кристаллов.

Количество жидких кристаллов постоянно возрастало. Когда появились их десятки и сотни, стал вопрос о разнообразии их строения.

Французский учёный Жорж Фридель (1865-1933) предложил первую классификацию жидких кристаллов, а также предложил заменить термин “жидкие кристаллы” другим термином - “мезоморфные” вещества.

Значительный вклад в науку о жидких кристаллах внёс русский учёный В. К. Фредерикс (1885-1943). Фредерикс и его школа проделали огромное число экспериментов с жидкими кристаллами, доказали ошибочность теории роев. Фредерикс впервые обратил внимание на оптический эффект нематика. Как и в кристалле, в нематике есть оптическая ось. Но, в отличие от твердого кристалла, в жидком кристалле этой осью легко управлять с помощью самых разных воздействий, в том числе и электрическими полями.

Эффект изменения направления оси в нематике под действием поля называется сейчас эффектом Фредерикса.

Ученики Фредерикса обращают внимание на главный факт существования у жидких кристаллов упругих деформаций, поняв который, можно будет судить о природе сил, удерживающих молекулы в жидком кристалле.

С 70-х годов XX в. начинается бурное развитие работ по применению жидких кристаллов в электронике, оптике, приборостроении и широкое исследование физики и химии этих веществ. В США организуется Институт жидких кристаллов. Издается специальный международный журнал, созываются международные конференции по жидким кристаллам и их применению. Нет сомнения в том, что в недалеком будущем жидкие кристаллы приведут к впечатляющим открытиям во многих областях знаний.

2. Основные типы жидких кристаллов

Итак, жидкокристаллическим (или мезоморфным) называется такое состояние вещества, которое обладает структурными свойствами, промежуточными между свойствами твёрдого кристалла и жидкости.

Как жидкости, они состоят из молекул анизотропной формы, сохраняющих определённый порядок в своём расположении относительно друг друга.

У молекул жидких кристаллов можно четко выделить характерные оси: в таких молекулах атомы располагаются вдоль избранной линии (молекулы-стержни или лежат в выделенной плоскости (молекулы-диски).

Как твердые кристаллы, жидкие имеют особое направление, вдоль которого ориентируются длинные оси молекул или плоскости молекул. При этом центры масс молекул не образуют правильную (кристаллическую) решётку, а располагаются хаотично в пространстве и могут в нём свободно перемещаться.

Различают три основных типа жидких кристаллов: смектические, нематически и холестерические.

2.1 Смектические жидкие кристаллы

В смектическом жидком кристалле молекулы расположены слоями, которые могут легко скользить один по другому, обусловливая текучесть жидкого кристалла. Слои расположены периодично друг относительно друга. Внутри слоёв, в боковых направлениях, строгая периодичность в расположении молекул отсутствует.

В зависимости от характера упаковки молекул в слоях и наклона их длинных осей относительно смектических плоскостей можно говорить о существовании той или иной полиморфной модификации смектического жидкого кристалла. В настоящее время обнаружено восемь полиморфных смектических модификаций (смектики типа A, B,C,D,E,F,G,H). Алфавитный порядок в обозначении новых типов смектического состояния в целом отражает возрастающую сложность строения жидких кристаллов, которые проявляют одинаковую твёрдость не во всех направлениях.

Текстура слоя смектического жидкого кристалла образована отдельными доменами - областями с определённой ориентацией молекул.

Из многих любопытных особенностей строения смектических жидких кристаллов отмечу ещё одну, которая наиболее ярко показывает их плоскостное строение, - образование ступенчатых капель. Если поместить немного вещества на очень чистую и ровную поверхность и нагреть, то смектическая фаза вещества проявится в виде ступенчатых плоских капель. Их появление является следствием слоистости смектического жидкого кристалла.

2.2 Нематические жидкие кристаллы

Нематические жидкие кристаллы не имеют такой слоистой структуры, как смектические. Молекулы беспорядочно сдвинуты в направлении своих длинных осей. Наблюдается лишь ориентационный порядок в расположении молекул: все молекулы ориентированы вдоль одного преимущественного направления.

Если посмотреть на препарат в микроскоп, можно увидеть тёмные тонкие нити. Это места, где молекулы резко меняют свою ориентацию. Эти нити называют - дисинклинациями.

При определённых температурах смектики могут превращаться в нематики. Приготавливая различные смеси, можно получить нематическую мезофазу в области от -20 С до +80 С, что удобно для практического использования жидких кристаллов.

2.3 Холестерические жидкие кристаллы

Холестерические жидкие кристаллы образуют в основном соединения холестерина и других стероидов. Структура жидких кристаллов такая же, как и у нематических, но дополнительно закручена в направлении, перпендикулярном длинным осям молекул.

Интересной особенностью холестерических жидких кристаллов является то, что падающий на тонкий слой кристалла луч света может претерпевать селективное отражение, т.е. закон отражения для белого света в этом случае не выполняется. Лучи различной длины волны будут отражаться под разными углами. Вследствие этого холестерическая плёнка будет выглядеть в отражённом свете ярко окрашенной.

2.4 Лиотропные жидкие кристаллы

До сих пор мы говорили о жидких кристаллах, которые образуются в процессе нагревания твёрдого кристалла и существуют в определённом температурном интервале. Эти жидкие кристаллы объединяются общим названием - термотропные мезофазы.

Жидкие кристаллы могут образовываться и при растворении твёрдого вещества в определённых растворителях. Это так называемые лиотропные мезофазы. Простейшим примером лиотропной мезофазы является водный раствор олеата калия при некоторой концентрации и температуре. Если поместить каплю такого раствора между предметным и покровным стёклами, то через несколько часов у краёв покровного секла начинают расти лиотропные жидкие кристаллы, имеющие смектическую упорядоченность.

Система растворитель - смектический жидкий кристалл часто даёт начало образованию своеобразной текстуры, т.н. миелиновых форм. Миелиновые формы предоставляют собой тонкие смектические слои жидкого кристалла, свёрнутые в трубки.

Структура лиотропных мезофаз сложнее, чем у термотропных жидких кристаллов. Структурными единицами здесь являются не молекулы, а молекулярные комплексы - мицеллы, которые могут принимать различные геометрические формы.

3. Условия существования жидких кристаллов

Почему возможно существование такой промежуточной формы материи с физическими свойствами, присущими как кристаллам, так и жидкостям.

Как уже отмечалось, жидкие кристаллы образуют только те вещества, которые имеют удлиненную форму молекул. Структура молекул может быть самой различной, но резко выраженная протяжённость молекул является необходимым условием образования кристаллов. Однако не все вещества, удовлетворяющие данным условиям, могут образовывать жидкие кристаллы. Поэтому, чтобы выяснить способно или нет вещество образовать жидкий кристалл, наряду с формой его молекул необходимо рассматривать ещё и силы взаимодействия между ними.

Изучение влияния формы молекулы и силы её электромагнитных связей на термическую устойчивость жидкокристаллических веществ позволило сделать общий вывод, что наличие в молекуле сильно поляризующихся бензольных колец, атомов или атомных группировок, а так же групп с постоянными диполями предопределяет потенциальную возможность соединения находиться в жидкокристаллическом состоянии.

Другими словами, тепловая устойчивость жидкого кристалла будет высокой и температурная область его существования достаточно широкой, если полярные группы имеются на концах и в центре молекулы.

4. Тепловые свойства жидких кристаллов

Вещество находится в жидкокристаллическом состоянии при определённых температурных границах. Этот интервал называют областью существования жидкого кристалла. У одних веществ эта область может быть достаточно большой, у других всего лишь несколько градусов.

Температура фазового перехода жидкого кристалла в изотропную жидкость, или как её ещё называют, температура просветления, может служить характеристикой термической устойчивости мезофазы. Чем выше эта температура, тем большая тепловая энергия требуется для преодоления сил межмолекулярного притяжения. Но величина этой тепловой энергии в несколько раз меньше энергии, затрачиваемой на переход твёрдого тела в жидкость. Однако к жидкому кристаллу достаточно подвести совсем незначительное количество тепловой энергии, чтобы разрушить молекулярный порядок, и привести молекулы в хаотическое движение, свойственное молекулам обычной жидкости.

Долгое время практическое использование жидких кристаллов тормозилось тем, что были известны вещества, образующие жидкие кристаллы, только при температурах, значительно превышающих комнатную. В настоящее время эти трудности преодолены. Синтезированы жидкие кристаллы, образующие нематическую фазу от -60 С до +60 С.

Кроме синтеза новых жидкокристаллических соединений, для расширения температурной области и сдвига её в ту или иную сторону используется метод получения многокомпонентных систем.

Следует отметить, что переход жидкого кристалла в изотропную жидкость, так же как и переход твёрдого кристалла в жидкий, сопровождается скрытой теплотой превращения. Интересно отметить среди тепловых свойств ещё одно, сближающее жидкие кристаллы с твёрдыми, - анизотропию теплопроводности. Жидкие кристаллы по-разному проводят тепло, если тепловой поток распространяется вдоль или поперёк молекул ориентированного жидкого кристалла.

5. Оптические свойства

Тонкие слои жидких кристаллов в поляризованном свете выглядят ярко окрашенными вследствие интерференции. Это происходит потому, что плоские волны, проходящие через поляризатор, в слое жидкого кристалла распадаются на две группы волн с разными скоростями колеблющихся во взаимно перпендикулярных плоскостях, что обусловлено анизотропией оптических свойств.

Двумя показателями преломления вещество обладает только в кристаллическом и жидкокристаллическом состоянии. Если жидкий кристалл нагреть, то при переходе в жидкое состояние это свойство исчезает, и у вещества остаётся один показатель преломления.

Для многих практических приложений важно, чтобы главное двулучепреломление кристалла было как можно больше. В этом отношении лишь немногие вещества могут соперничать с жидкими кристаллами.

Многие жидкие кристаллы плеохраничны. Неодинаковое поглощение света различной длины волны приводит к тому, что жидкие кристаллы при пропускании через них белого света кажутся окрашенными.

Для ЖК большое значение имеет так называемое двойное поглощение света, т.е. способность жидких кристаллов поглощать разное количество света для волн одной частоты, идущих в одном направлении, но колеблющихся в перпендикулярных плоскостях. ЖК сильно рассеивают свет. Слой толщиной в несколько миллиметров уже совершенно непрозрачен.

Во всех кристаллах холестерического типа и в их смесях с другими жидкими кристаллами наблюдается вращение плоскости поляризации света. Это явление носит название дисперсии вращения плоскости поляризации. Оптический путь луча света будет зависеть не только от шага спирали, но и от угла падения и от показателя преломления кристалла. Поэтому, слой под прямым углом, мы видим голубую окраску, а с уменьшением угла наблюдения окраска будет переходить последовательно в зелёную, жёлтую и далее в красную.

6. Электрические свойства

По электрическим свойствам все жидкие кристаллы делятся на две основные группы. К первой группе относятся жидкие кристаллы с положительной диэлектрической анизотропией, у которых Дє=є -є >0, ко второй - с отрицательной диэлектрической анизотропией Дє=є -є <0.

В общем, жидкие кристаллы являются диэлектриками, их средние удельное сопротивление лежит в пределах от 10 до 10 Ом/см. Величина диэлектрической проницаемости определяется величиной и направлением дипольного момента молекул. Диэлектрическая проницаемость не только различна для разных жидкокристаллических веществ, но, что особенно важно, она неодинакова по различным направлениям в одном и том же веществе (диэлектрическая анизотропия). Поэтому жидкий монокристалл в электрическом поле ориентируется так, чтобы направление максимальной диэлектрической проницаемости в нём совпадало с вектором напряжённости электрического поля.

Для нематических жидких кристаллов проводимость вдоль длинных осей молекул будет всегда больше проводимости поперёк длинных осей молекул. Таким образом, нематические кристаллы обладают положительной диэлектрической анизотропией.

Для смектических жидких кристаллов всё наоборот. В слоистых смектических жидких кристаллах ионам легче двигаться вдоль слоёв, т.е. перпендикулярно длинным осям молекул, поэтому смектические кристаллы обладают отрицательной диэлектрической анизотропией.

7. Магнитные свойства

Жидкие кристаллы являются диамагнитными материалами, как и большинство органических соединений. Магнитная проницаемость, как и магнитная восприимчивость - являются свойствами анизотропными.

Все жидкие кристаллы имеют наибольшую величину магнитной восприимчивости вдоль длинных осей молекул, и наименьшую поперёк этих осей. Поэтому молекулы любого жидкокристаллического вещества в магнитном поле всегда ориентируются вдоль силовых линий поля. Для ориентирования молекул жидкокристаллического вещества достаточно очень слабых магнитных полей (порядка 10 кГс), что особенно удобно для экспериментов.

Спрашивается, почему же довольно слабые магнитные поля способны ориентировать жидкий кристалл. Ответ прост. Строение их таково, что в них всегда существуют комплексы (домены), содержащие более миллиона параллельных друг другу молекул. Магнитные свойства молекул такого комплекса суммируются, а энергия взаимодействия магнитного поля с суммарным магнитным моментом комплекса молекул значительно превышает энергию их хаотического теплового движения. Это и позволяет применять магнитные поля для ориентации жидких кристаллов, т.е. для получения ориентированных жидких монокристаллов.

8. Практическое применение жидких кристаллов

Изучение ЖК помогает решать проблемы в разных областях науки и техники. Например, большинство ученых признают эволюционную идею о развитии жизни на Земле из неживой материи. На этапе биологической эволюции роль ЖК почти не вызывает сомнений. Процессы фотосинтеза, приведшие к образованию кислородной атмосферы, идут в зелёных растениях с прямым участием клеточных мембран, строение которых соответствует смектическому ЖК.

Жидкие кристаллы нашли широкое применение в оптике, радиоэлектронике, химии, биологии.

Например, такие свойства ЖК, как ориентация их молекул в электрическом поле, используются при разработке различных оптических фильтров. Прозрачность этих светофильтров может изменяться в широких диапазонах, являясь функцией разности потенциалов, подведенной к ЖК.

ЖК способны долгое время хранить записанную на них информацию. Информация, представленная в двоичном коде, электрическим сигналом записывается на ЖК матрицу, в виде участков с изменённым направлением молекул, прозрачностью матрицы. Считывание производится оптическим лазером. Прозрачно окошко или ячейка - записан 0; непрозрачно - 1.

Наиболее широкую известность получили ЖК, которые изменяют свой цвет в зависимости от температуры. С их помощью измеряют температуру, в частности человеческого тела, проверяют микроэлектронные схемы - определяют надёжность её элементов. С помощью ЖК можно измерять температуру не только непосредственно, но и на расстоянии. Это часто необходимо для регистрации мощности излучения ИК лазеров и СВЧ-антенн.

Уже давно применяется метод регистрации вредных веществ с помощью ЖК. Для этой цели созданы холестерики, которые вступают в реакцию с парами вредных веществ, что приводит к изменению шага спирали и соответственно цвета плёнки индикатора. Такой индикатор по чувствительности не уступает детекторам, построенным по иным принципам.

8.1 Формирование цветного изображения

Использование ЖК в системах отображения информации в современной электронике обусловлено их малым потреблением энергии.

Мониторы с ЖК матрицами вытесняют своих громоздких собратьев с электронно-лучевыми трубками.

Как же работает ЖК матрица? Матрица состоит из множества очень мелких пикселей. В каждом таком пикселе содержатся три ЖК ячейки. В основе работы матрицы лежат свойства ЖК менять свою прозрачность в зависимости от приложенного к ним напряжения, - т. н. напряжения выравнивания. Оно подаётся на подложки стеклянных панелей, между которыми заключена ячейка. В отличие от люминофора на экране обычного кинескопа, ЖК ячейки не светятся. Поэтому для получения видимого изображения они просвечиваются источником света, находящимся сзади экрана. Прикладывая различные напряжения к ячейкам каждого пикселя, можно менять его яркость и окраску, т.е. формировать изображение на поверхности матрицы. Напряжением выравнивания управляет полевой транзистор, расположенный в правом верхнем углу каждой ячейки. Зерном матрицы считается пиксель (примерно 0,2-0,3 мм).

Вот основные преимущества ЖК матриц: матрица не мерцает ни при какой частоте кадров, т.е. каждая строка живет, не меняя своей яркости вплоть до замены её новой строкой; яркость свечения жидкокристаллических мониторов может быть намного выше, чем с электронно-лучевыми трубками, определяется яркостью свечения ламп подсветки; у жидкокристаллических матриц нет свойственных обычным мониторам геометрических искажений, ухудшения фокусировки на краях экрана; малая потребляемая мощность и отсутствие вредного излучения; более высокая надёжность.

Сегодня ЖК мониторы несколько дороже обычных, однако, полагают, что уже в ближайшее время их стоимости сравняются, и преимущества первых станут более очевидными.

Заключение

ЖК ещё далеко не познаны. Сегодня мало изученным является вопрос об истинной роли жидкокристаллического состояния в жизнедеятельности биологических систем. Немалые успехи достигнуты в создании полимерных жидких кристаллов, однако остаётся насущным совершенствование технологии их производства. Актуальным является вопрос о взаимодействии жидких кристаллов с кристаллическими, аморфными и полимерными поверхностями, так как от их решения во многом зависит качество всех современных приборов и устройств, где требуется почти идеальная ориентация молекул. Немало загадок хранит в себе оптика жидких кристаллов, т.н. «нелинейная оптика».

Много доброго и полезного делают ЖК уже сегодня, но еще больше мы ждем от них завтра. И нет сомнений в том, что в недалёком будущем ЖК приведут нас к впечатляющим открытиям.

Литература

1. Чандрасекар С. Жидкие кристаллы - М.: Мир, 1980 - 344 с.

2. Пикин С.А., Блинов Л.М. Жидкие кристаллы. - М.: Наука, 1982. - 280 с.

3. Чистяков И.Г. Жидкие кристаллы. - М.: Наука, 1966. - 272 с.

4. www.referat.ru

5. www.russian-globe.com

6. www.3dnews.ru

7. http://dk.compulenta.ru

8. www.cultinfo.ru

Подобные документы

Образование снежных узоров и ледяных кристаллов, этапы и принципы их роста. Структура узоров и снежинок, их основные разновидности и формы. Методы и главные этапы проведения исследовательской работы, анализ и интерпретация полученных результатов.

контрольная работа , добавлен 22.02.2016


История открытия и практического применения бактериофагов. Научные подходы к проблеме природы фагов. Морфологические типы фагов, их химический состав, строение и антигенные свойства. Адсорбция фага на клетке. Лизогения и её биологическое значение.

реферат , добавлен 02.11.2009


Структура сферической клетки и циллиндрического волокна. Влияние формы клеток и топологии ткани на их электрические свойства и функции. Первая машинная модель проведения импульсов по неоднородным нервным волокнам. Электрические свойства синцитий.

реферат , добавлен 08.08.2009


Белок – неотъемлемая составляющая нашего организма, нарушение которой может вызвать его разрушение. Исторический анализ открытия и исследований белков. Свойства белка, выделение. Биосинтез и химический синтез белка - практическое применение и значение.

реферат , добавлен 18.05.2008


Характеристика пиявок, которые относятся к отряду класса кольчатых червей. История открытия этого вида, их отличительные особенности и типы. Применение пиявок в медицине, гирудотерапия - кровопускание с помощью пиявок, при заболеваниях сердца, печени.

реферат , добавлен 17.02.2010


Ферменты: история их открытия, свойства, классификация. Сущность витаминов, их роль в жизни человека. Физиологическое значение витаминов в процессе обмена веществ. Гормоны - специфические вещества, которые регулируют развитие и функционирование организма.

реферат , добавлен 11.01.2013


Основные этапы и тенденции развития алхимии. Ведущие задачи неорганической и органической химии. Реакционная способность веществ, анализ и синтез. Важнейшие химические связи. Условия существования живого вещества. Строение и свойства белковых молекул.

контрольная работа , добавлен 21.05.2009


Капли микроэмульсии как микрореакторы для химических реакций, растворители для органического синтеза, среды для ферментативных реакций; их применение для получения наноразмерных латексов. Поверхностно-активные вещества в реакциях мицеллярного катализа.

реферат , добавлен 17.09.2009


История открытия витаминов. Их классификация, содержание в организме и основные источники поступления. Своцства и функции витаминоподобных веществ. Минеральные элементы и вещества, их биологическое действие роль в процессах жизнедеятельности организма.

дипломная работа , добавлен 11.07.2011


История открытия и характеристика Cs-137, применение цезиевых сорбентов. Строение, свойства и значение клетчатки. Характеристика соломы как носителя клетчатки. Методика исследования и изучение сорбционных свойств клетчатки соломы относительно Cs-137.

Жидкие кристаллы - это такие вещества, которые находятся в состоянии мезоморфном (среднем, промежуточном) между изотропным жидким и твердым кристаллическим. Эти элементы обладают текучестью, способны пребывать в виде капель. Вместе с проявлением указанных свойств, жидкие кристаллы проявляют анизотропию магнитных, электрических, оптических и прочих свойств, обусловленных с упорядоченностью в молекулярной ориентации. Другими словами, вещества обладают разнонаправленными характеристиками. При отсутствии внешнего влияния анизотропны в жидких кристаллах теплопроводность, электропроводность, магнитная восприимчивость, В веществах отмечаются дихроизм и двойное лучепреломление.

Жидкие кристаллы смектические

Впервые их обнаружили в мыле (отсюда и название - "смегма" - мыло). Концы молекул как будто закрепляются в перпендикулярных их продольным осям плоскостях. Смектические кристаллы жидкие отличаются слоистым строением. К этим веществам относят растворы мыл водные, эфир этиловый кислоты азоксибензойной.

"Смектики" считаются самым обширным классом жидких кристаллов. Отдельные их разновидности обнаруживают и сегнетоэлектрические (наличие самопроизвольной поляризации в определенном температурном интервале). Высокая вязкость не позволила найти широкое применение жидких кристаллов смектических в технике.

Нематики

Нематические кристаллы жидкие отличаются ориентацией продольных молекулярных осей по некоторому направлению. Другими словами, они характеризуются дальним ориентационным порядком. Название кристаллов произошло от греческого определения "нема" - нить. Дисинклинации (нити) обладают высокой подвижностью, в естественном свете они хорошо заметны.

Холестерические жидкие кристаллы и их применение

Молекулярная форма веществ этого типа представляет собой расположенные параллельно продолговатые пластинки. Холестерики дают эфир пропиловый холестерина, холестерилциннамат, прочие производные холестерина.

Термоиндикаторы жидких кристаллов холестерического типа широко применяются в медицинской и технической дианостике. Чувствительность этих веществ к температуре позволяет визуализировать температурное распределение по поверхности. Это, в свою очередь, применяется в интроскопии (наблюдение процессов внутри тел, оптически непрозрачных), при выявлении некоторых заболеваний, а также в Эти кристаллы формируют температурную картину в форме цветовой диаграммы. Холестерики могут применяться также и при визуализации полей СВЧ. Для производства индикаторов используется эффект динамического светового рассеяния. В жидкокристаллических индикаторах применяется окружающий свет. Это позволяет значительно снизить потребляемую мощность. Так, мощность на порядок ниже, чем в пленочных и порошковых люминофорах, светодиодах, газоразрядных индикаторах. Холестерики используются в основе преобразования в видимое изображение инфракрасного.

В холестерическом жидком кристалле (в отличие от нематического) динамическое световое рассеивание может иметь память - состояние, рассеивающее свет, может сохраняться и после удаления поля. При этом определенные свойства холестерика оказывают влияние на продолжительность состояния. Так, память может сохраняться от нескольких минут до нескольких лет. В первоначальное состояние (нерассеивающее) холестерика приводит переменное напряжение. Указанное свойство применяется при формировании ячеек памяти.