Твърди разтвори и течни кристали. Течни кристали в техниката

Течните кристали се наричат ​​анизотропни течности, които се състоят от молекули, които поддържат определен ред в подреждането си една спрямо друга. (Анизотропията е зависимостта на физичните свойства на веществото от посоката.) Например, атомите в молекулите могат да бъдат разположени по определена ос и такива удължени молекули са ориентирани в течен кристал, както в твърд кристал, по специална ос посока. Специалните направления в течните и твърдите кристали се наричат ​​оптични оси, тъй като тяхното съществуване е свързано със забележителните оптични свойства на тези материали (двойно пречупване, въртене на равнината на поляризация на светлината и др.). За разлика от твърдите кристали, където оптичните оси са неподвижно фиксирани, в течните кристали посоките на оптичните оси могат лесно да се променят с помощта на електрическо поле. За контролиране на оптичните свойства на течните кристали са необходими много ниски напрежения.

Електрически дипол възниква по дългата ос много по-лесно, отколкото по късата ос, т.е., с други думи, електронният облак лесно се измества спрямо положителното ядро ​​по дължината на молекулата и трудно напречно на нея. По този начин възниква двойка сили, създаващи въртящ момент, който завърта молекулата така, че нейната дълга ос е ориентирана по протежение на полето E.

Ако течнокристалната среда се простира неограничено във всички посоки, тогава оптичната ос ще се върти от произволно слабо поле. В действителност течнокристалният слой има ограничена дебелина (около 0,01 mm) и относително твърда ориентация на молекулите върху твърдата повърхност, която определя слоя. Следователно отклоняващото действие на полето влиза в конфликт със стабилизиращото действие на еластичните сили. Всъщност отклонението на оптичната ос в течнокристалния слой започва, когато въртящият момент на електрическите сили стане по-голям от възстановяващия момент на еластичните сили. Има определен праг на потенциална разлика (около 1 V), над който вече е лесно да се контролира оптичната ос в различни течнокристални индикатори.

Това се дължи на факта, че всички течни кристални молекули са свързани помежду си и ориентирани по един и същи начин и е достатъчно да завъртите една от тях, за да промени ориентацията на цялата група молекули.

Падащата светлина се поляризира от горния поляризатор, преминава през стъклената плоча и навлиза в слоя течен кристал. Ако електрическата верига е отворена, както по пътя на левия лъч светлина, тогава на това място спираловидната ориентация на оптичната ос се запазва. Следователно, когато левият лъч светлина преминава, неговата поляризация се върти в съответствие с въртенето на оптичната ос. На изхода от слоя и долната стъклена плоча това завъртане ще бъде 90°, а поляризацията на светлината съвпада с оста на долния поляризатор. В резултат на това левият лъч преминава през поляризатора, отразява се от огледалото и се движи по целия път в обратната посока. Тази част от индикатора изглежда ярка за наблюдателя.

В съседната дясна секция на индикатора преминава лъч светлина в момента, в който веригата е затворена до числото 8. Поляризираната светлина, удряйки течнокристалния слой, ще се срещне тук с вертикално ориентирана оптична ос. Ето как електрическото поле върти молекули, които са добре поляризирани по дългата ос. Следователно светлината ще премине през слоя под сегмента на числото 8, без да променя поляризацията си, и ще бъде посрещната от долния поляризатор, чиято ос е перпендикулярна на поляризацията на светлината. Следователно този лъч светлина няма да достигне до огледалото, тъй като ще бъде погълнат по пътя и няма да се върне към наблюдателя - числото 8 ще изглежда тъмно на светъл фон.

Така са подредени буквено-цифровите индикатори в калкулатори, електронни преводачи, скали на измервателни уреди и скали за настройка, различни табла и др. Течнокристални екрани (дисплеи) с голям брой сегменти - електроди и сложна електронна схема за управление служат като телевизионни екрани, преобразуватели на изображения (уреди за нощно виждане), средства за управление на светлинния лъч във високоскоростни електронни компютри.

Някои вещества в течнокристално състояние могат да се смесват помежду си и да образуват течни кристали с различни структури и свойства. Това разширява обхвата на тяхното използване в технологиите.

КУРСОВА РАБОТА

течни кристали. Технологичното им приложениедnie

Въведение

Необичайната комбинация от думите "течни кристали" вероятно вече е позната на мнозина, въпреки че не всеки може да си представи какво стои зад тази странна и на пръв поглед противоречива концепция. Тези удивителни вещества успешно съчетават анизотропните свойства на кристалите и течливите свойства на течностите.

В същото време вероятно всеки втори човек носи индикатори с течни кристали (LC) със себе си и поглежда електронния си часовник няколко десетки пъти на ден. LCD – чийто циферблат точно отброява часове, минути, секунди, а понякога и части от секунди. Именно LCD индикаторите са в основата на съвременните калкулатори, лаптопи, преносими компютри, миниатюрни телевизори с плосък екран, преводачески речници, пейджъри и много други съвременни електронни технически и битови уреди и устройства.

Глобалното производство на LCD дисплеи и дисплеи е в милиарди и се предвижда да нараства още повече. Вече може да се каже без преувеличение, че прогресът и развитието на редица клонове на науката и технологиите са немислими без развитието на изследванията в областта на течните кристали. Не по-малък интерес представляват течните кристали от гледна точка на биологията и жизнените процеси. Функционирането на клетъчните мембрани и ДНК, предаването на нервни импулси, работата на мускулите, образуването на атеросклеротични плаки - това е далеч не пълен списък на процесите, протичащи във фазата на LC, с характеристики, присъщи на тази фаза - тенденция към самоорганизация и поддържане на висока молекулна мобилност.

1. Видове и свойства на течните кристали

1.1 История на откриването на течните кристали

Изминаха повече от 100 години от откриването на течните кристали. Те са открити за първи път от австрийския ботаник Фридрих Райницер, наблюдавайки две точки на топене на холестероловия естер, холестерил бензоат (фиг. 1).

При температура на топене (T pl), 145 0 C, кристалното вещество се превръща в мътна, силно разсейваща светлина течност. При продължително нагряване, при достигане на температура от 179 ° C, течността става бистра (чиста точка (T pr)), т.е. започва да се държи оптически като обикновена течност, като вода. Неочаквани свойства на холестерил бензоата бяха открити в мътната фаза. Изследвайки тази фаза под поляризационен микроскоп, Reinitzer установи, че тя има двойно пречупване. Това означава, че индексът на пречупване на светлината, т.е. скоростта на светлината в тази фаза зависи от поляризацията.

Феноменът на двойното пречупване е типичен кристален ефект, състоящ се в това, че скоростта на светлината в кристал зависи от ориентацията на равнината на поляризация на светлината. Показателно е, че достига екстремни максимални и минимални стойности за две взаимно ортогонални ориентации на поляризационната равнина. Разбира се, поляризационните ориентации, съответстващи на екстремните стойности на скоростта на светлината в кристала, се определят от анизотропията на свойствата на кристала и са уникално определени от ориентацията на кристалните оси по отношение на посоката на светлината размножаване.

Следователно казаното обяснява, че съществуването на двойно пречупване в течност, която трябва да е изотропна, т.е. че неговите свойства трябва да бъдат независими от посоката изглежда парадоксално. Най-правдоподобно по това време може да изглежда наличието в мътната фаза на неразтопени малки частици от кристала, кристалити, които са източник на двойно пречупване. Но по-подробни изследвания, към които Райницер привлече известния немски физик Ото Леман, показаха, че мътната фаза не е двуфазна система, а е анизотропна. Тъй като свойствата на анизотропията са присъщи на твърдия кристал и веществото в мътната фаза е течно, Леман го нарече течен кристал.

Оттогава веществата, способни едновременно да комбинират свойствата на течностите (течливост, способността да образуват капки) и свойствата на кристалните тела (анизотропия) в определен температурен диапазон над точката на топене, са станали известни като течни кристали или течни кристали. LC веществата често се наричат ​​мезоморфни, а образуваната от тях LC фаза се нарича мезофаза. Такова състояние е термодинамично стабилно фазово състояние и с право, наред с твърдото, течното и газообразното, може да се счита за четвъртото състояние на материята.

Но разбирането за същността на LC – състоянието на веществата, установяването и изучаването на тяхната структурна организация идва много по-късно. Сериозното недоверие към самия факт на съществуването на такива необичайни съединения през 20-30-те години беше заменено от активното им изследване. Работата на D. Vorlender в Германия допринесе значително за синтеза на нови LC съединения. Достатъчно е да се каже, че под негово ръководство са завършени 85 дисертации върху течни кристали. През двадесетте години Фридел предлага всички течни кристали да бъдат разделени на три големи групи. Фридел нарече групите течни кристали:

1. нематичен

2. смектичен

3. холестеричен

Той предложи и общ термин за течните кристали - "мезоморфна фаза". Този термин идва от гръцката дума "mesos" (междинен) и въвеждайки го, Фридел иска да подчертае, че течните кристали заемат междинна позиция между истинските кристали и течности както по отношение на температурата, така и по отношение на техните физични свойства.

Тогава холандецът С. Осеен и чехът Х. Зохер създават теорията за еластичността, руските учени В.К. Фредерикс и В.Н. Цветков в СССР през 30-те години на миналия век за първи път изследва поведението на течни кристали в електрически и магнитни полета. Въпреки това до 60-те години на миналия век изследването на течните кристали не представляваше значителен практически интерес и всички научни изследвания имаха доста ограничен, чисто академичен интерес.

Ситуацията се промени драматично в средата на 60-те години на миналия век, когато поради бързото развитие на микроелектрониката и микроминиатюризацията на устройствата бяха необходими вещества, които могат да отразяват и предават информация, като консумират минимална енергия. И тук течните кристали дойдоха на помощ, чиято двойна природа (анизотропия на свойствата и висока молекулярна мобилност) направи възможно създаването на високоскоростни и икономични LCD индикатори, управлявани от външно електрическо поле, които по същество са основният елемент на многомилионна "армия" от часовници, калкулатори, телевизори с плосък екран и др.

Бумът на течните кристали от своя страна стимулира активна научна дейност, свикват се международни симпозиуми и конференции по течни кристали, организират се школи за млади учени, издават се сборници и монографии.

Какви са тези необичайни кристали и какви са специалните свойства, които ги правят почти незаменими днес?

1.2 Молекулна структура и структура на течните кристали

Сега са известни около сто хиляди органични вещества, които могат да бъдат в състояние LC, и броят на тези съединения непрекъснато нараства. Ако първите десетилетия след откриването на течните кристали, основните представители на тези съединения са били само вещества, състоящи се от асиметрични пръчковидни молекули, така наречените каламитици (от гръцки "calamis" - тръстика), то по-късно се установява, че голямо разнообразие от вещества, които имат молекули с по-сложна форма (дискове, плочи и др.). Молекулите на LC съединения много често се наричат ​​мезогени, а групите или фрагментите от молекули, които допринасят за образуването на LC фазата, се наричат ​​мезогенни групи. Фигура 1а показва примери за пръчковидни мезогени - каломитици, както и химичните формули на дисковидни (дискотични) и дъскообразни мезогени (санидики) (от гръцки "sanidis" - дъска).

Както може да се види от Фигура 1а, най-често срещаните мезогенни групи са бензенови пръстени, свързани директно един с друг с помощта на различни химични групи (-CH=CH-, -CH=N-, -NH-CO и т.н.). Характерна особеност на всички LC съединения е асиметричната форма на малеку, която осигурява анизотропия на поляризуемостта и тенденция молекулите да са предимно успоредни една на друга по дългите (каламитика и санидики) и късите (дискотични) оси.

1.3 Термотропни течни кристали

В зависимост от естеството на подреждането на молекулите, според класификацията, предложена от Фридел, се разграничават три основни типа структури на LC съединения: смектична, нематична и холестерична. Посочените видове структури се отнасят до така наречените термотропни течни кристали, образуването на които се извършва само при термично въздействие върху веществото (нагряване или охлаждане). На фиг. Фигура 2 показва разположението на пръчковидни и дисковидни молекули в трите изброени структурни модификации на течните кристали.

Смектичният тип течни кристали (смектици - от гръцката дума "smegma" - сапун) е най-близо до истинските кристални тела. Молекулите са подредени на слоеве, а центровете им на тежест са подвижни в две измерения (на смектичната равнина). В този случай дългите оси на молекулите във всеки слой могат да бъдат разположени както перпендикулярно на равнината на слоя (ортогонални смектики), така и под някакъв ъгъл (наклонени смектики). Посоката на преобладаващата ориентация на молекулните оси обикновено се нарича директор, който обикновено се означава с вектора n (фиг. 2а).

Нематичният тип течни кристали (нематика от гръцкото "nema" - нишка) се характеризира с наличието само на едномерен ориентационен ред на дълги (каламитични) или къси (дискотични) оси на молекулите (фиг. 2 b и d, съответно). В този случай центровете на тежестта на молекулите са произволно разположени в пространството, което показва липсата на транслационен ред.

Най-сложният тип подреждане на течнокристалните молекули е холестеричният (холестеричен), образуван от хирални (оптически активни) молекули, съдържащи асиметричен въглероден атом. Това означава, че такива молекули са огледално асиметрични, за разлика от огледално симетричните молекули на нематиците. Холестеричната мезофаза е наблюдавана за първи път за производни на холестерола, откъдето идва и името ѝ. Холестериците са в много отношения подобни на нематиците, в които се реализира едномерен ориентационен ред; те също се образуват чрез добавяне на малки количества хирални съединения (1-2 mol.%) към нематици. Както се вижда от фиг. 2в, в този случай допълнително се реализира спирално усукване на молекулите и много често холестерика се нарича усукан нематик.

Периодичната спирална структура на холестериците определя тяхната уникална характеристика - способността за селективно отразяване на падаща светлина, "работеща" в този случай като дифракционна решетка. При фиксиран ъгъл на отражение условията за интерференция са изпълнени само за лъчи от един и същи цвят и холестеричният слой (или филмът) изглежда оцветен в един цвят. Този цвят се определя от стъпката на спиралата P, която при нормален ъгъл на падане на светлината е просто свързана с максималната дължина на вълната на отразената светлина max:

P = max / n, (1)

където n е индексът на пречупване на холестерола. Този ефект на селективно отражение на светлина с определена дължина на вълната от холестеричен филм се нарича селективно отражение. В зависимост от стъпката на спиралата, която се определя от химическата природа на холестерика, максималната дължина на вълната на отразената светлина може да бъде разположена във видимата, както и в IR и UV областите на спектъра, определяйки широки области на употреба на оптичните свойства на холестериците.

Всеки от трите вида мезофази обикновено се разглежда като непрекъсната анизотропна среда, където в малки микрообеми (често наричани рояци или домени), състоящи се, като правило, от 10 4 -10 5 молекули, молекулите са ориентирани успоредно една на друга .

Сега нека разгледаме макроскопичната структура на течните кристали, която най-често се нарича текстура, което означава съвкупността от структурни детайли на проба от течен кристал, поставена между две стъкла и изследвана с помощта на оптичен поляризационен микроскоп. Всеки тип течен кристал спонтанно образува свои собствени характерни текстури, по които често могат да бъдат идентифицирани. По правило текстурите на течните кристали са толкова "фотогенични", че красивите им микроснимки често пречат на кориците на научни списания и научно-популярни публикации.

Нематичните течни кристали се характеризират с така наречената шлирен текстура (фиг. 3а), която представлява система от тънки нишковидни линии и точки с нишковидни черни "опашки". Тези линии се наричат ​​дисклинации (от гръцки "kline" - наклон). Те представляват места на рязка промяна в посоката на ориентация на дългите оси на молекулите. Характерната текстура на смектиците е ветрилообразна текстура, която в много отношения прилича на кристали от обикновени твърди тела (фиг. 3b), което подчертава най-голямото сходство в структурната организация на двуизмерно подредени смектики и триизмерно подредени кристали. Неориентираните холестерици образуват конфокална текстура, която се състои от отделни и взаимосвързани сложни образувания, наречени конфокални домени (фиг. 3в).

Важно е да се отбележи, че всички разглеждани текстури са изключително лабилни и лесно претърпяват структурни пренареждания под действието на малки външни влияния (механични напрежения, електрически полета, температура и др.).

1.4 Лиотропни течни кристали

За разлика от термотропните течни кристали, лиотропните течни кристали се образуват чрез разтваряне на редица амфифилни съединения в определени разтворители и като правило имат по-сложна структура от термотропните течни кристали. Амфифилните съединения са съставени от молекули, съдържащи хидрофилни и хидрофобни групи. Такива съединения са широко разпространени в природата. Така например всяка мастна киселина е амфифилна. Молекулите му се състоят от две части: полярна "глава" (COOH група) и въглеводородна "опашка" [CH 3 (CH 2) n -]. Такива съединения, когато се разтварят във вода, обикновено образуват мицеларни разтвори, в които полярните глави стърчат при контакт с вода, а въглеводородните опашки, когато са в контакт една с друга, гледат навътре. Такива мицели (фиг. 4, а) са структурните елементи, от които са изградени лиотропните течни кристали, образуващи например цилиндрични или ламеларни форми (фиг. 4, б, в).

За разлика от термотропните течни кристали, където образуването на определен тип мезофаза се определя само от температурата, в лиотропните системи видът на структурната организация вече се определя от два параметъра: концентрацията на веществото и температурата. Лиотропните течни кристали най-често се образуват от биологични системи, работещи във водна среда. Именно в тези системи уникалните характеристики на течните кристали, съчетаващи лабилност с висока склонност към самоорганизация, се проявяват в най-ярка форма. Ограничаваме се само до един пример, свързан с клетки и вътреклетъчни органели, покрити с тънки, силно подредени черупки - мембрани. Съвременните структурни изследвания показват, че мембраните са типични лиотропни ламеларни лабилни LC структури, съставени от двоен слой фосфолипиди, в който са „разтворени“ протеини, полизахарили, холестерол и други жизненоважни компоненти (фиг. 4d). Такава анизотропна структура на мембраната, от една страна, позволява да се защити вътрешната й част от нежелани външни влияния, а от друга страна, нейната „течна“ природа осигурява високи транспортни свойства (пропускливост, транспорт на йони и др.) , което дава на клетката решаваща роля в процесите на жизнената дейност.

1.5 Анизотропия на физичните свойства - основна характеристика на течните кристали

Тъй като основната структурна характеристика на течните кристали е наличието на ориентационен ред поради анизотропната форма на молекулите, естествено е всички техни свойства да се определят по един или друг начин от степента на ориентационно подреждане. Количествено, степента на подреждане на течен кристал се определя от параметъра на поръчка S, въведен от V.I. Цветков през 40-те години:

S = 0,5 (3 cos 2 - 1) (2)

където е ъгълът между оста на отделна течнокристална молекула и преобладаващата посока на целия ансамбъл, определен от директора n (фиг. 2) (ъглови скоби означават усредняване за всички молекулярни ориентации). Лесно е да се разбере, че в напълно неподредена изотропна течна фаза S = 0, а в напълно твърд кристал S = 1. Параметърът на реда на течния кристал варира от 0 до 1. Съществуването на ориентационен ред определя анизотропия на всички физични свойства на течните кристали. По този начин анизотропната форма на каламитните молекули определя появата на двойно пречупване (n) и диелектрична анизотропия (), чиито стойности могат да бъдат изразени, както следва:

n = n - n и = - (3)

където n, n и са съответно показателите на пречупване и диелектричните константи, измерени при успоредни и перпендикулярни ориентации на дългите оси на молекулите спрямо директора. Стойностите на n за LC съединения обикновено са много големи и варират в широки граници в зависимост от тяхната химична структура, понякога достигайки стойности от порядъка на 0,3-0,4. Големината и знакът зависят от връзката между анизотропията на поляризуемостта на молекулата, стойността на постоянния диполен момент, а също и от ъгъла между посоката на диполния момент и дългата молекулна ос. Примери за две LC съединения, характеризиращи се с положителна и отрицателна стойност, са показани по-долу:

Нагряването на течен кристал, понижавайки неговия ориентационен ред, е придружено от монотонно намаляване на стойностите на n и, така че в точката, където LC фазата изчезва при Tp, анизотропията на свойствата напълно изчезва.

В същото време именно анизотропията на всички физически характеристики на течния кристал, съчетана с ниския вискозитет на тези съединения, прави възможно лесното и ефективно ориентиране (и преориентиране) на техните молекули под действието на малки „смущаващи“ ” фактори (електрически и магнитни полета, механично напрежение), променящи съществено тяхната структура и свойства. Ето защо течните кристали се оказаха незаменима електрооптично активна среда, на базата на която беше създадено ново поколение т. нар. LCD индикатори.

2. Технологична методика

2.1 Методи за контрол на течни кристали

контрол на кристална молекулна течност

Основата на всеки LCD индикатор е така наречената електрооптична клетка, чието устройство е показано на фиг. 5. Две плоски стъклени пластини, покрити с прозрачен проводящ слой от калаен оксид или индиев оксид, действащи като електроди, са разделени от тънки разделители, изработени от непроводим материал (полиетилен, тефлон). Получената междина между плочите, която варира от 5 до 50 микрона (в зависимост от предназначението на клетката), се запълва с течен кристал, а цялата "сандвич" структура около периметъра се "запечатва" с уплътнител или друг изолационен материал (фиг. 5). Така получената клетка може да бъде поставена между два много тънкослойни поляризатора, равнините на поляризация на които образуват определен ъгъл, за да се наблюдават ефектите от ориентацията на молекулите под действието на електрическо поле. Прилагането дори на малко електрическо напрежение (1,5-3 V) към тънък LC слой поради относително ниския вискозитет и вътрешното триене на анизотропна течност води до промяна в ориентацията на течния кристал. Тук е важно да се подчертае, че електрическото поле не действа върху отделни молекули, а върху ориентирани групи от молекули (рояци или домени), състоящи се от десетки хиляди молекули, в резултат на което енергията на електростатичното взаимодействие значително надвишава енергията на топлинното движение на молекулите. В резултат на това течният кристал има тенденция да се върти по такъв начин, че посоката на максималната диелектрична константа съвпада с посоката на електрическото поле. И поради голямата стойност на двойното пречупване n, процесът на ориентация води до рязка промяна в структурата и оптичните свойства на течния кристал.

За първи път влиянието на електрическите и магнитните полета върху течните кристали е изследвано от руския физик В.К. Фредерикс, а процесите на тяхната ориентация се наричат ​​електрооптични преходи (или ефекти) на Фредерикс. Една от трите най-често срещани молекулярни ориентации е показана на фиг. 5. а. Това е планарна ориентация, характерна за нематиците с отрицателна диелектрична анизотропия (< 0), когда длинные оси молекул параллельны стеклянным поверхностям ячейки.

Хомеотропна ориентация се реализира за течни кристали с положителна диелектрична анизотропия (> 0) (фиг. 5b). В този случай дългите оси на молекулите с надлъжен диполен момент са разположени по посока на полето, перпендикулярно на клетъчната повърхност. И накрая, възможно е усукване или усукана ориентация на молекулите (фиг. 5в). Тази ориентация се постига чрез специална обработка на стъклени пластини, при която дългите оси на молекулите се завъртат в посока от долното към горното стъкло на електрооптичната клетка. Това обикновено се постига чрез триене на стъклото в различни посоки или чрез използване на специални вещества - ориентанти, които задават посоката на молекулярната ориентация.

Действието на всеки LC индикатор се основава на структурни пренареждания между посочените типове молекулярна ориентация, които се индуцират при прилагане на слабо електрическо поле. Нека разгледаме например как работи LCD циферблатът на електронен часовник. Основата на циферблата е вече познатата ни електрооптична клетка, макар и донякъде допълнена (фиг. 6, a, b). В допълнение към стъкла с разпръснати електроди, два поляризатора, чиито поляризационни равнини са противоположни, но съвпадат с посоката на дългите оси на молекулите на електродите, се добавя и огледало, разположено под долния поляризатор (не е показано на фигура). Долният електрод обикновено се прави плътен, а горният електрод е оформен, състоящ се от седем малки електродни сегмента, с които можете да изобразите всяка цифра или буква (фиг. 6, c). Всеки такъв сегмент се "захранва" с електричество и се включва по зададена програма от миниатюрен генератор. Първоначалната ориентация на нематика е усукана, т.е. имаме така наречената усукваща ориентация на молекулите (виж фиг. 5, c и 6, a). Светлината пада върху горния поляризатор и става равнинно поляризирана в съответствие с неговата поляризация.

При отсъствие на електрическо поле (т.е. в изключено състояние), светлината, „следвайки“ усукването - ориентацията на нематика, променя посоката си в съответствие с оптичната ос на нематика и на изхода ще има същата посока на поляризация като долния поляризатор (виж Фиг. 6, а). С други думи, светлината ще се отрази от огледалото и ще видим светъл фон. Когато се включи електрическо поле за нематичен течен кристал с положителна диелектрична анизотропия (> 0), ще настъпи преход от ориентация на усукана усукване към хомеотропна ориентация на молекулите, т.е. дългите оси на молекулите ще се обърнат в посока, перпендикулярна на електродите, и спиралната структура ще се срути (фиг. 6, b). Сега светлината, без да променя посоката на първоначалната поляризация, съвпадаща с поляризацията на горния поляризатор, ще има посока на поляризация, противоположна на долния поляроид, и те, както се вижда на фиг. 6b са в кръстосано положение. В този случай светлината няма да достигне до огледалото и ще видим тъмен фон. С други думи, включително полето, можете да рисувате всякакви тъмни знаци (букви, цифри) на светъл фон, като използвате например проста седемсегментна електродна система (фиг. 6c).

Това е принципът на работа на всеки LCD индикатор. Основните предимства на тези индикатори са ниски управляващи напрежения (1,5-5 V), ниска консумация на енергия (1-10 μW), висок контраст на изображението, лекота на интегриране във всякакви електронни схеми, надеждност и относителна евтиност.

2.2 Начини за управление на холестеричната спирала

Сред разглежданите типове течни кристали холестериците имат може би най-екзотичните оптични свойства. Необичайно фино организираната спирална структура на холестеричните течни кристали (виж фиг. 2, c) е изключително чувствителна към различни външни влияния. Чрез промяна на температурата, налягането, прилагане на електромагнитни полета и механични напрежения е възможно значително да се промени стъпката на холестеричната спирала и в съответствие с уравнение (1) е лесно да се промени цветът на холестеричната. Огромната чувствителност на тези съединения, която позволява "преминаване" през всички цветове на спектъра в диапазона от 0,01 -0,001 ° C. показва какви изключителни възможности открива използването на тези вещества като високоефективни топлинни индикатори.

За повечето холестерици, стъпката на спиралата намалява с повишаване на температурата и, следователно, дължината на вълната на селективно отразената светлина max също намалява (фиг. 7). С други думи, всеки от показаните на фиг. 7 температури - T 0 , T 1 , T 2 и T 3 - съответства на неговия цвят. По този начин, чрез прилагане на холестерични течни кристали върху повърхностите на различни обекти, е възможно да се получи топографията на разпределението на температурата, което ги прави незаменими термични индикатори и визуализатори за различни приложения в инженерството и медицината. Чрез въвеждането на холестерици в полимерни филми, тоест чрез получаване на така наречените капсулирани течни кристали, могат да се създадат много удобни филмови материали, които могат да се използват като термометри, както и за визуализация и "фотография" на топлинни полета.

През последните години бяха разработени смеси от холестерични течни кристали, които драстично променят цвета си (а оттам и стъпката на спиралата) под въздействието на малки, но опасни концентрации на вредни изпарения на различни химични съединения. Такива LCD - индикатори могат да променят цвета си за много кратко време (1-2 минути) при превишаване на допустимата концентрация на вредни пари, като по този начин действат като вид химически сензори.

Един от външните фактори, които могат да се използват за контролиране на стъпката на холестеричната спирала, може да бъде електрическо или магнитно поле. Когато се приложи полето, холестеричната спирала започва постепенно да се развива, докато стъпката на спиралата се увеличава, ясно „проследявайки“ големината на приложеното напрежение. А това означава, че можете непрекъснато да контролирате цвета на холестеричния слой на течния кристал. При известна така наречена критична напрегнатост на полето спиралата може да се развие напълно, като по този начин холестеричният течен кристал се превърне в нематичен (един от видовете ефект на Фридерикс). Процесът на спирално развиване в момента се проучва активно за използване в електронно контролирани цветни плоски екрани.

3. Приложение на течни кристали

3.1 Течни кристали днес и утре

Много оптични ефекти в течните кристали, които бяха обсъдени по-горе, вече са овладени от технологията и се използват в масово произвеждани продукти. Например, всеки знае часовници с индикатор на течни кристали, но не всеки знае, че същите течни кристали се използват за производството на часовници с вграден калкулатор. Тук дори е трудно да се каже как да се нарече такова устройство, часовник или компютър. Но това са продукти, вече овладени от индустрията, въпреки че само преди десетилетия това изглеждаше нереалистично. Перспективите за бъдещи масови и ефективни приложения на течните кристали са още по-изненадващи. Затова си струва да говорим за няколко технически идеи за използването на течни кристали, които все още не са реализирани, но може би през следващите няколко години те ще послужат като основа за създаване на устройства, които ще ни станат толкова познати, колкото , да речем, транзисторните приемници са сега.

3.2 Оптичен микрофон

В системите за оптична обработка на информация и комуникационни системи става необходимо да се преобразуват не само светлинни сигнали в светлинни сигнали, но и голямо разнообразие от други влияния в светлинни сигнали. Такива влияния могат да бъдат налягане, звук, температура, деформация и др. И за преобразуването на тези влияния в оптичен сигнал течнокристалните устройства отново се оказват много удобни и обещаващи елементи на оптичните системи.

Разбира се, има много методи за преобразуване на изброените ефекти в оптични сигнали, но по-голямата част от тези методи са първо свързани с преобразуване на ефекта в електрически сигнал, с който след това можете да контролирате светлинния поток. Следователно тези методи са двуетапни и следователно не са толкова прости и икономични за изпълнение. Предимството на използването на течни кристали за тази цел е, че с тяхна помощ голямо разнообразие от ефекти могат да бъдат директно преобразувани в оптичен сигнал, което елиминира междинната връзка във веригата ефект-светлинен сигнал и следователно въвежда фундаментално опростяване на управлението на светлинния поток. Друго предимство на LCD елементите е, че те са лесно съвместими с фиброоптични устройства.

За да илюстрираме възможностите за използване на LCD за управление на светлинни сигнали, нека поговорим за принципа на работа на "оптичен микрофон" на LCD устройство, предложен за директно преобразуване на акустичен сигнал в оптичен.

Схемата на оптичния микрофон е много проста. Неговият активен елемент е ориентиран нематичен слой. Звуковите вибрации създават периодични във времето деформации на слоя, които също предизвикват преориентация на молекулите и модулиране на поляризацията (интензитета) на преминаващия поляризиран светлинен поток.

Изследванията на характеристиките на оптичен микрофон на LCD показаха, че неговите параметри не са по-ниски от съществуващите образци и могат да се използват в оптични комуникационни линии, позволяващи директно преобразуване на аудио сигнали в оптични. Оказа се също, че в почти целия температурен диапазон на съществуване на нематичната фаза нейните акустооптични характеристики остават практически непроменени.

3.3 Как да си направим стерео телевизор

Като друга примамлива, неочаквана и засягаща почти всички приложения на течните кристали, заслужава да се спомене идеята за създаване на стерео телевизионна система, използваща течни кристали. Освен това, което изглежда особено примамливо, такава система за "стерео телевизия на течни кристали" може да бъде реализирана с цената на много проста модификация на предавателната телевизионна камера и добавяне на обикновени телевизионни приемници със специални стъкла, стъклата на които са оборудвани с течнокристални филтри.

Идеята зад тази стерео телевизионна система е изключително проста. Ако вземем предвид, че рамката на изображението на телевизионния екран се формира ред по ред и по такъв начин, че първо се показват нечетните редове, а след това четните, тогава с помощта на очила с филтри от течни кристали е лесно да го направите така че дясното око например вижда само четни редове, а лявото – нечетни . За да направите това, достатъчно е да синхронизирате включването и изключването на течнокристалните филтри, т.е. способността да се възприема изображението на екрана последователно с едното или другото око, правейки последователно прозрачно едно или друго стъкло на очила с подчертани четни и нечетни линии.

Сега е съвсем ясно каква сложност на предавателната телевизионна камера ще даде на зрителя стерео ефект. Необходимо е предавателната телевизионна камера да е стерео, т.е. за да има две лещи, съответстващи на възприемането на обект от лявото и дясното око на човек, четните линии на екрана са формирани с помощта на дясната, а нечетните линии с помощта на лявата леща на предавателната камера.

Система от очила с течнокристални затворни филтри, синхронизирани с работата на телевизора, може да не е практична за масово използване. Възможно е стерео система, в която очилата са оборудвани с обикновени полароиди, да се окаже по-конкурентна. В този случай всяко от стъклените стъкла пропуска линейно поляризирана светлина, чиято равнина на поляризация е перпендикулярна на равнината на поляризация на светлината, предавана от второто стъкло. Стерео ефектът в този случай се постига с помощта на филм от течни кристали, нанесен върху телевизионния екран и предаващ светлина от четни линии на една линейна поляризация и от нечетни линии друга линейна поляризация, перпендикулярна на първата.

Коя от описаните стерео телевизионни системи ще бъде внедрена или ще оцелее съвсем различна система, ще покаже бъдещето.

3.4 Очила за астронавти

Запознавайки се по-рано с маска за електрозаварчик, а сега и с очила за стерео телевизия, ще забележите, че в тези устройства контролиран течнокристален филтър веднага блокира цялото зрително поле на едното или двете очи. Междувременно има ситуации, когато е невъзможно да се блокира цялото зрително поле на човек и в същото време е необходимо да се блокират отделни участъци от зрителното поле.

Например, такава нужда може да възникне при космонавтите в условията на тяхната работа в космоса при изключително ярка слънчева светлина, която не е отслабена нито от атмосферата, нито от облаците. Тази задача, както в случая с маска за електрозаварчик или очила за стерео телевизия, може да бъде решена с контролирани течнокристални филтри.

Усложнението на очилата в този случай е, че зрителното поле на всяко око вече трябва да покрива не един филтър, а няколко независимо контролирани филтъра. Например, филтрите могат да бъдат направени под формата на концентрични пръстени, центрирани върху стъклата на очилата или под формата на ленти върху стъклото на очилата, всяка от които, когато е включена, покрива само част от зрителното поле на окото.

Такива очила могат да бъдат полезни не само за космонавти, но и за хора от други професии, чиято работа може да бъде свързана не само с ярко неразсеяно осветление, но и с необходимостта да се възприема голямо количество визуална информация.

Например в пилотската кабина на модерен самолет има огромен брой приборни табла. Не всички обаче са необходими на пилота едновременно. Следователно използването от пилота на очила, които ограничават зрителното поле, може да бъде полезно и да улесни работата му, тъй като помага да се съсредоточи вниманието му само върху част от инструментите, които са необходими в момента и елиминира разсейващото влияние на информацията което не е необходимо в този момент.

Такива очила ще бъдат много полезни и при биомедицински изследвания на работата на оператора, свързана с възприемането на голямо количество визуална информация. В резултат на такива изследвания е възможно да се определи скоростта на реакция на оператора към визуални сигнали, да се определят най-трудните и досадни етапи в работата му и в крайна сметка да се намери начин за оптимална организация на работата му. Последното означава определяне на най-добрия начин за подреждане на арматурните табла, вида на приборните индикатори, цвета и характера на сигналите с различна степен на важност.

Филтри от този тип и индикатори на течни кристали несъмнено ще намерят (и вече намират) широко приложение във филмовата и фотографската техника. За тази цел те са привлекателни с това, че изискват незначително количество енергия за управлението им, а в някои случаи позволяват да се изключат от оборудването части, които извършват механични движения. И както знаете, механичните системи често са най-тромавите и ненадеждни.

Какви механични части на филмово и фотографско оборудване имате предвид? На първо място, това са диафрагми, филтри - атенюатори на светлинния поток и накрая, прекъсвачи на светлинния поток във филмовата камера, синхронизирани с движението на филма и осигуряващи неговата експонация кадър по кадър.

Принципите на дизайна на такива LCD елементи са ясни от предишния. Като прекъсвачи и затихващи филтри е естествено да се използват LC клетки, в които под действието на електрически сигнал светлопропускливостта се променя по цялата им площ. За диафрагми без механични части, система от клетки под формата на концентрични пръстени, които могат да променят площта на прозрачен прозорец, който предава светлина под действието на електрически сигнал. Трябва също да се отбележи, че слоестите структури, съдържащи течен кристал и фотополупроводник, т.е. елементи като контролирани оптични прозрачни фолиа могат да се използват не само като индикатори, например експозиция, но и за автоматична настройка на диафрагмата във филмово и фотографско оборудване.

Въпреки фундаменталната простота на обсъжданите устройства, тяхното широко въвеждане в масовото производство зависи от редица технологични проблеми, свързани с осигуряването на дълъг живот на LCD елементите, тяхната работа в широк температурен диапазон и накрая, конкуренцията с традиционните и утвърдени технически решения и др. Решението на всички тези проблеми обаче е само въпрос на време и скоро вероятно ще бъде трудно да си представим перфектен фотоапарат без LCD устройство.

Заключение

И така, течните кристали имат двойни свойства, съчетавайки свойството на течности (флуидност) и свойството на кристални тела (анизотропия). Тяхното поведение не винаги е възможно да се опише с помощта на обичайните методи и концепции. Но именно в това се състои тяхната привлекателност за изследователите, търсещи опознаване на все още неизвестното.

Напоследък бяха открити и интензивно изследвани течнокристални полимери, появиха се полимерни LC сегнетоелектрици и активно се изследват гъвкави верижни органоелементи и металосъдържащи LC съединения, които образуват нови видове мезофази. Светът на течните кристали е безкрайно голям и обхваща най-широка гама от природни и синтетични обекти, привличайки вниманието не само на учени - физици, химици и биолози, но и на практически изследователи, работещи в голямо разнообразие от отрасли на съвременните технологии (електроника, оптоелектроника, компютърни науки, холография и др.).

Библиография

1. Шибаев В.П. Необичайни кристали или мистериозни течности // Soros Educational Journal. 1996. N11. стр. 37-46.

2. Чандрасекар С. Течни кристали - М.: Мир, 1980 стр. 344

3. Титов В.В., Севостьянов В.П., Кузмин Н.Г., Семенов А.М. Течнокристални дисплеи: структура, синтез, свойства на течните кристали. - Минск: Издателство на NPOOO "Microvideosystems", 1998 p. 238

Подобни документи

Историята на откриването на течните кристали. Тяхната класификация, молекулярна структура и структура. Термотропни течни кристали: смектичен, нематичен и холестеричен тип. Лиотропни LCD. Анизотропия на физичните свойства. Как да управляваме течни кристали.

резюме, добавено на 27.05.2010 г


Обща характеристика на повърхностните явления в течните кристали. Разглеждане на отличителните черти на смектичните течни кристали, различни степени на тяхното подреждане. Изследване на анизотропията на физичните свойства на мезофазата, степента на подреждане.

резюме, добавено на 10.10.2015 г


Твърди кристали: структура, растеж, свойства. „Наличието на ред“ в пространствената ориентация на молекулите като свойство на течните кристали. Линейно поляризирана светлина. Нематични, смектични и холестерични кристали. Общо понятие за сегнетоелектрици.

курсова работа, добавена на 17.11.2012 г


Течнокристално (мезоморфно) състояние на материята. Образуване на нова фаза. Видове течни кристали: смектични, нематични и холестерични. Термотропни и лиотропни течни кристали. Работи на D. Forlender, допринасящи за синтеза на съединения.

презентация, добавена на 27.12.2010 г


Основните видове кристали. Естествен и изкуствен растеж на кристали. Отглеждане на кристали като физико-химичен процес, необходимото оборудване. Методи за образуване на кристали. Отглеждане на монокристали от стопилка, разтвори и парна фаза.

резюме, добавено на 06/07/2013


Изучаване на концепцията, видовете и методите за образуване на кристали - твърди тела, в които атомите са подредени редовно, образувайки триизмерно периодично пространствено разположение - кристална решетка. Образуване на кристали от стопилка, разтвор, пара.

презентация, добавена на 08.04.2012 г


Причини и условия за кристализация на материални частици. Теории за произхода и растежа на идеалните кристали в трудовете на Гибс, Волмер, Косел и Странски. Описание на точкови, линейни, двумерни и обемни дефекти. Историята на получаването на изкуствени кристали.

резюме, добавено на 18.11.2010 г


Концепцията за структурата на материята и основните фактори, влияещи върху нейното образуване. Основните характеристики на аморфната и кристалната материя, видовете кристални решетки. Влияние на типа връзка върху структурата и свойствата на кристалите. Същност на изоморфизма и полиморфизма.

тест, добавен на 26.10.2010 г


Структура на въглеродни наноструктури. История на откритието, геометрична структура и методи за получаване на фулерени. Техните физични, химични, сорбционни, оптични, механични и трибологични свойства. Перспективи за практическо използване на фулерени.

курсова работа, добавена на 13.11.2011 г


Историята на откриването на водорода. Обща характеристика на веществото. Местоположението на елемента в периодичната система, структурата на неговия атом, химични и физични свойства, съществуващи в природата. Практическото използване на газа за полезни и вредни цели.

Течните кристали са вещества, които са в мезоморфно (средно, междинно) състояние между изотропна течност и твърдо кристално състояние. Тези елементи са течни, могат да бъдат под формата на капки. Наред с проявата на тези свойства, течните кристали проявяват анизотропия на магнитни, електрически, оптични и други свойства, дължащи се на подредеността в молекулярната ориентация. С други думи, веществата имат многопосочни характеристики. При отсъствие на външно влияние топлопроводимостта, електропроводимостта и магнитната чувствителност са анизотропни в течните кристали, а при веществата се наблюдава дихроизъм и двойно пречупване.

Смектични течни кристали

За първи път те са открити в сапуна (оттук и името - "smegma" - сапун). Краищата на молекулите изглеждат фиксирани в равнини, перпендикулярни на техните надлъжни оси. Смектичните течни кристали се характеризират със слоеста структура. Тези вещества включват водни разтвори на сапуни, етилов естер на азоксибензоена киселина.

Смектиците се считат за най-широкия клас течни кристали. Установено е също, че някои от техните разновидности са сегнетоелектрични (наличие на спонтанна поляризация в определен температурен диапазон). Високият вискозитет възпрепятства широкото приложение на смектични течни кристали в технологиите.

Нематици

Нематичните течни кристали се различават по ориентацията на надлъжните молекулни оси в определена посока. С други думи, те се характеризират с ориентационен ред на далечни разстояния. Името на кристалите идва от гръцката дефиниция на „нема” – нишка. Дезинклинациите (нишките) са силно подвижни и ясно видими на естествена светлина.

Холестерични течни кристали и тяхното приложение

Молекулната форма на вещества от този тип е успоредна продълговата плоча. Холестериците дават пропил холестерол естер, холестерил цинамат и други производни на холестерола.

Термичните индикатори на течни кристали от холестеричен тип се използват широко в медицинската и техническата диагностика. Чувствителността на тези вещества към температурата дава възможност да се визуализира разпределението на температурата върху повърхността. Това от своя страна се използва в интроскопията (наблюдение на процесите вътре в телата, които са оптически непрозрачни), при откриването на определени заболявания, а също така в тези кристали се образува температурна картина под формата на цветна диаграма. Холестериците могат да се използват и при визуализиране на микровълнови полета. За производството на индикатори се използва ефектът на динамично разсейване на светлината. Дисплеите с течни кристали използват околна светлина. Това позволява значително намаляване на консумацията на енергия. По този начин мощността е с порядък по-ниска, отколкото при филмови и прахови фосфори, светодиоди и газоразрядни индикатори. Холестериците се използват в основата на преобразуването във видимото инфрачервено изображение.

В холестеричния течен кристал (за разлика от нематичния), динамичното разсейване на светлината може да има памет - състоянието, което разсейва светлината, може да продължи дори след премахване на полето. В същото време някои свойства на холестерола влияят върху продължителността на състоянието. Така паметта може да продължи от няколко минути до няколко години. Променливото напрежение води до първоначалното състояние (неразсейване) на холестерика. Посоченото свойство се използва при формирането на клетки с памет.

Течни кристали – графична визуализация

Течният кристал е фазово състояние, по време на което веществото едновременно притежава свойствата на течности и свойства на кристали. Тоест те имат течливост и в същото време се характеризират с анизотропия - разликата в свойствата на дадена среда в зависимост от посоката вътре в нея (например коефициент на пречупване, скорост на звука или топлопроводимост).

Течните кристали имат вискозна течна структура, която се състои от дисковидни молекули. Ориентацията на тези молекули може да се промени при взаимодействие с електрически полета.

През 1888 г. австрийският ботаник Фридрих Райницер установява, че някои видове кристали имат две точки на топене, което предполага, че има две различни течни състояния, в едното от които веществото е прозрачно, а в другото е мътна.

И въпреки че през 1904 г. немският физик Ото Леман предостави редица научни доказателства в полза на течните кристали в своята книга със същото име, течните кристали не бяха признати за отделни състояния на материята дълго време. През 1963 г. американският изобретател Джеймс Фъргюсън намира приложение за едно от свойствата на LC - промяна на цвета в зависимост от температурата. Американец получи патент за изобретение, което може да открива невидими за окото топлинни полета. Оттогава популярността на течните кристали започва да расте.

Групи течни кристали и техните свойства

Течните кристали обикновено се разделят на две групи:

1. Лиотропни - се образуват в смеси, състоящи се от пръчковидни молекули на дадено вещество и полярни разтворители (например вода).

Приложения на течни кристали

LCD дисплеи

На първо място, трябва да се отбележи не най-полезното, но най-известното приложение на LCD дисплеите - течнокристалните дисплеи. Понякога те се наричат ​​LCD дисплеи, което е съкращение от английския "дисплей с течни кристали". В ерата на джаджите такива дисплеи присъстват в почти всяко електронно устройство: телевизори, компютърни монитори, цифрови фотоапарати, навигатори, калкулатори, електронни книги, таблети, телефони, електронни часовници, плейъри и др.

Устройството на LCD дисплеите е доста сложно, но като цяло това е набор от стъклени плочи, между които са разположени течни кристали (LCD матрица), и много източници на светлина. Матричният LCD пиксел включва двойка прозрачни електроди, които ви позволяват да промените ориентацията на молекулите на течните кристали, както и двойка поляризационни филтри, които регулират степента на прозрачност и т.н.

термография

По-малко популярно, но по-важно приложение на LCD е термографията. Термографията ви позволява да получите термично изображение на обект, в резултат на регистриране на инфрачервено лъчение - топлина. Инфрачервените уреди за нощно виждане се използват от пожарникарите, в случай на дим в помещението, за да открият жертви на пожар. Те намериха приложение и в службите за сигурност и военните служби.

Термичното изображение ви позволява да откривате горещи точки, дефекти на топлоизолацията или други аварийни зони по време на поддръжка или строителство на електропроводи.

Термографията се използва и в медицинската образна диагностика, главно за наблюдение на млечните жлези. Това ви позволява да откриете различни онкологични заболявания, като рак на гърдата.

Електронни индикатори

Електронните индикатори, създадени с помощта на течни кристали, реагират на различни температури, в резултат на което могат да информират за повреди и нарушения в електрониката. Например, LC под формата на филм се прилага върху печатни платки и интегрални схеми, както и транзистори. Дефектните електронни сегменти се разграничават лесно с този индикатор.

В допълнение, LCD индикаторите, разположени върху кожата на пациента, позволяват да се открият възпаления и тумори при хора.

Индикаторите с течни кристали се използват и за откриване на изпарения на различни вредни химични съединения, както и за откриване на ултравиолетово и гама лъчение. LC се използват за разработване на ултразвукови детектори и измерватели на налягане.

В допълнение към директното приложение на LC в областите, изброени по-горе, трябва да се отбележи, че течните кристали са в много отношения подобни на някои клетъчни структури и понякога присъстват в тях. Благодарение на своите диелектрични свойства, течните кристали регулират взаимоотношенията в клетката, между клетките и тъканите и между клетката и околната среда. По този начин изследването на природата и поведението на течните кристали може да допринесе за молекулярната биология.

Св. в (оптичен, електрически, магнитен и др.) при липса на триизмерен ред на дълги разстояния в подреждането на частиците ( , ). Следователно течен кристал състоянието често се нарича също мезоморфен (мезофаза). Температурният интервал за съществуване на течност е ограничен до твърдо и т.нар. t-рояк на просветлението, с рояк течен кристал. мътните проби стават прозрачни поради мезофазата и превръщането й в изотропна. течен кристал конн. имат прътовидна или дисковидна форма и са склонни да бъдат разположени предимно. успоредни една на друга. Т. наз. термотропните течности се образуват по време на терм. въздействие върху в-в. Такива течности образуват например ароматни производни. Комуникация, съдържаща редуващи се линейни и циклични. групи (бензенови пръстени). LCD фазата се образува най-често, ако заместителите в са разположени в пара позиция. Голям брой термотропни течни кристали. конн. м. б. представена с общата формула:

X обикновено -CH=N-, - CH 2 -CH 2 -, - HC \u003d CH-,, -C (O) -NH-. Крайни групи Y и Z m. алкилни и алкоксилни групи, циано-, нитро- и др. Примери за някои течни са дадени в таблицата. Често твърди фрагменти, например циклични. групировки, които обуславят съществуването на мезофазата, т.нар. "мезогенен". Наличието на разклонения в води до стесняване на температурния интервал за съществуване на мезофазата.

К - твърд кристален. състояние, I - изотропни (), N - нематици, S(SA, S B, S F - смектици, D - дискотици, Ch - холестерици. Лиотропните течности се образуват с определени вещества в определени разтворители. Например водните разтвори и др. образуват течност в определен интервал и т-р. Структурни единици на лиотропните течности са надмолекулни образувания разг. видове, разпределени в средата р-разтворител и имащи цилиндр., сферич. или друга форма. В зависимост от естеството на местоположението на пръчковидната форма има три основни. течни видове - смектични, нематични и холестерични. В смектиката течност (те се наричат ​​смектици, обозначени с S) са разположени на слоеве. Центровете на тежестта на удължените са в еднакво раздалечени равнини и са подвижни в две измерения (на смектична равнина). Дългите оси могат да бъдат разположени или перпендикулярно на смектичната равнина. слой (ортогонални смектики, фиг. 1, а) и под определен ъгъл спрямо слоя (коси смектики, фиг. 1, б).


Ориз. 1. Структура на смектична (a и b) и нематична (c) течност (a - ортогонална, b - наклонена подредба).

Освен това е възможно подредено и неподредено разположение в самите слоеве. Всичко това обуславя възможността за образование декомп. полиморфни модификации. Известен на Св. дузина полиморфен смектик. модификации, обозначени с латински букви, смектици A, B, C и т.н. (или S A, S B, S C и т.н.). Образуването на смектика фази, характерни за течния кристал. Comm., to-rykh съдържа дълги крайни алкилови или алкокси групи Y и Z с номера/ 4-6. Нематичен течност (нематика N) се характеризират с наличието на ориентационен ред, с Krom дългите оси са разположени еднопосочно с произволно разположение на центровете на тежестта (фиг. 1, c). Нематичен вид съединения в течна форма, в които има къси алкилови или алкокси групи (брой[ 3).

Ориз. 2. Структура на холестеричните течности; пунктираната линия показва стъпката; стрелките показват посоката на дългите оси.

Холестеричен типът мезофаза (Chol холестерици) се образува от две групи съединения: оптично активни производни, гл. обр. (оттук и името) и нестероидни съединения, принадлежащи към същите класове съединения, които образуват нематични. течни, но притежаващи (алкил-, алкокси-, ацилокси-заместени азометини, производни на канела до-ти, азо- и др.). В холестеричния течните са разположени по същия начин, както при нематичните, но във всеки слой са завъртяни спрямо местоположението си в съседния слой на определен ъгъл. Като цяло се реализира структура, описана от спирала (фиг. 2). V-va с дисковидна форма (диско D) могат да образуват течност, в която са опаковани в колони (има ред на дълги разстояния в ориентацията на дискообразните равнини) или подредени по същия начин, както в нематиките (там не е ред на далечни разстояния) (фиг. 3, a и b). Особената структура на течния кристал. Comm., осигурявайки комбинация от подреденост в подредбата с високата им мобилност, определя широка гама от практични. използване на течност. Посока на ползите. ориентация, характеризираща се с аксиална единица или директор, може лесно да се промени под въздействието на разлагане. вътр. фактори - т-ри, мех. напрежение, електрическо напрежение. и магн. полета.

Ориз. 3. Структура на дискотични течности: а - колонна фаза; b - нематична фаза.

Пряката причина за ориентацията или преориентацията на директора - вискоеластичен, оптичен, електрически. или магн. Света сряда. На свой ред, промяна на ползите. ориентация предизвиква промяна в оптични, електрически. и други св. в течност, т.е. създава възможност за контролиране на тези св. вие чрез относително слаби външни. въздействия, а също така ви позволява да регистрирате тези въздействия. Електрооптичен св. нематик. течност намират широко приложение в системи за обработка и изобразяване на информация, в буквено-цифрови (електронни часовници, калкулатори, дисплеи и др.), опт. порти и други светлинни клапани. Предимствата на тези устройства са ниска консумация на енергия (от порядъка на 0,1 mW / cm 2), ниско захранващо напрежение (няколко V), което прави възможно например комбинирането на течен кристал. дисплеи с интегрални схеми и по този начин осигуряват миниатюризацията на индикаторните устройства (плоски телевизионни екрани). Спиралната структура на холестериците определя тяхната висока оптика. (ръбовете са с няколко порядъка по-високи от тези на конвенционалните орг. и плътни) и способността за селективно отразяване на кръгово поляризирана светлина във видимия, IR и UV диапазони. При промяна на t-ry, състава на околната среда, интензитета на електромагн. полето променя височината на тона, което е придружено от промяна в опт. sv-in, по-специално цветове. Това ви позволява да измервате температурата на тялото чрез промяна на цвета на течността