Στερεά διαλύματα και υγροί κρύσταλλοι. Υγροί κρύσταλλοι στην τεχνολογία

Οι υγροί κρύσταλλοι ονομάζονται ανισότροπα υγρά, τα οποία αποτελούνται από μόρια που διατηρούν μια ορισμένη σειρά στη διάταξή τους μεταξύ τους. (Ανισοτροπία είναι η εξάρτηση των φυσικών ιδιοτήτων μιας ουσίας από την κατεύθυνση.) Για παράδειγμα, τα άτομα στα μόρια μπορούν να βρίσκονται κατά μήκος ενός συγκεκριμένου άξονα και τέτοια επιμήκη μόρια προσανατολίζονται σε έναν υγρό κρύσταλλο, όπως σε έναν στερεό κρύσταλλο, κατά μήκος ενός ειδικού κατεύθυνση. Οι ειδικές κατευθύνσεις σε υγρούς και στερεούς κρυστάλλους ονομάζονται οπτικοί άξονες, αφού η ύπαρξή τους συνδέεται με τις αξιοσημείωτες οπτικές ιδιότητες αυτών των υλικών (διθλαση, περιστροφή του επιπέδου πόλωσης του φωτός κ.λπ.). Σε αντίθεση με τους στερεούς κρυστάλλους, όπου οι οπτικοί άξονες είναι σταθερά στερεωμένοι, στους υγρούς κρυστάλλους, οι κατευθύνσεις των οπτικών αξόνων μπορούν εύκολα να αλλάξουν χρησιμοποιώντας ένα ηλεκτρικό πεδίο. Απαιτούνται πολύ χαμηλές τάσεις για τον έλεγχο των οπτικών ιδιοτήτων των υγρών κρυστάλλων.

Ένα ηλεκτρικό δίπολο προκύπτει κατά μήκος του μακρού άξονα πολύ πιο εύκολα από ό,τι κατά μήκος του βραχύ άξονα, δηλαδή, με άλλα λόγια, το νέφος ηλεκτρονίων μετατοπίζεται εύκολα σε σχέση με τον θετικό πυρήνα κατά μήκος του μορίου και με δυσκολία κατά μήκος του. Έτσι, προκύπτει ένα ζεύγος δυνάμεων, δημιουργώντας μια ροπή, η οποία περιστρέφει το μόριο έτσι ώστε ο μακρύς άξονάς του να προσανατολίζεται κατά μήκος του πεδίου Ε.

Εάν το μέσο υγρών κρυστάλλων εκτεινόταν επ 'αόριστον προς όλες τις κατευθύνσεις, τότε ο οπτικός άξονας θα περιστρέφεται από ένα αυθαίρετα ασθενές πεδίο. Στην πραγματικότητα, το στρώμα υγρών κρυστάλλων έχει πεπερασμένο πάχος (περίπου 0,01 mm) και έναν σχετικά άκαμπτο προσανατολισμό των μορίων στη στερεά επιφάνεια που ορίζει το στρώμα. Επομένως, η δράση εκτροπής του πεδίου έρχεται σε σύγκρουση με τη σταθεροποιητική δράση των ελαστικών δυνάμεων. Στην πραγματικότητα, η απόκλιση του οπτικού άξονα στο στρώμα υγρών κρυστάλλων αρχίζει όταν η ροπή των ηλεκτρικών δυνάμεων γίνεται μεγαλύτερη από τη ροπή επαναφοράς των ελαστικών δυνάμεων. Υπάρχει ένα ορισμένο όριο διαφοράς δυναμικού (περίπου 1 V), πάνω από το οποίο είναι ήδη εύκολος ο έλεγχος του οπτικού άξονα σε μια ποικιλία δεικτών υγρών κρυστάλλων.

Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι όλα τα μόρια υγρών κρυστάλλων αλληλοσυνδέονται και προσανατολίζονται με τον ίδιο τρόπο και αρκεί να περιστρέψουμε ένα από αυτά για να αλλάξει ο προσανατολισμός ολόκληρη η ομάδα μορίων.

Το προσπίπτον φως πολώνεται από τον άνω πολωτή, διέρχεται από τη γυάλινη πλάκα και εισέρχεται στο στρώμα υγρών κρυστάλλων. Εάν το ηλεκτρικό κύκλωμα είναι ανοιχτό, όπως στη διαδρομή της αριστερής δέσμης φωτός, τότε σε αυτό το μέρος διατηρείται ο ελικοειδής προσανατολισμός του οπτικού άξονα. Επομένως, καθώς περνά η αριστερή δέσμη φωτός, η πόλωσή της περιστρέφεται σύμφωνα με την περιστροφή του οπτικού άξονα. Στην έξοδο από το στρώμα και την κάτω γυάλινη πλάκα, αυτή η περιστροφή θα είναι 90° και η πόλωση του φωτός συμπίπτει με τον άξονα του κάτω πολωτή. Ως αποτέλεσμα, η αριστερή δέσμη περνά μέσα από τον πολωτή, αντανακλάται από τον καθρέφτη και ταξιδεύει σε όλη τη διαδρομή προς την αντίθετη κατεύθυνση. Αυτό το τμήμα του δείκτη φαίνεται φωτεινό στον παρατηρητή.

Στο διπλανό δεξιό τμήμα του δείκτη, μια δέσμη φωτός περνά τη στιγμή που το κύκλωμα είναι κλειστό στον αριθμό 8. Το πολωμένο φως, που χτυπά το στρώμα υγρών κρυστάλλων, θα συναντήσει εδώ έναν κατακόρυφο οπτικό άξονα. Αυτός είναι ο τρόπος με τον οποίο το ηλεκτρικό πεδίο περιστρέφει μόρια που είναι καλά πολωμένα κατά μήκος του μακρού άξονα. Επομένως, το φως θα περάσει μέσα από το στρώμα κάτω από το τμήμα του αριθμού 8 χωρίς να αλλάξει η πόλωσή του και θα συναντηθεί από τον κάτω πολωτή, ο άξονας του οποίου είναι κάθετος στην πόλωση του φωτός. Κατά συνέπεια, αυτή η δέσμη φωτός δεν θα φτάσει στον καθρέφτη, καθώς θα απορροφηθεί στην πορεία και δεν θα επιστρέψει στον παρατηρητή - ο αριθμός 8 θα φαίνεται σκοτεινός σε ανοιχτό φόντο.

Έτσι διατάσσονται οι αλφαριθμητικοί δείκτες σε αριθμομηχανές, ηλεκτρονικούς μεταφραστές, ζυγαριές οργάνων μέτρησης και ζυγαριές συντονισμού, διάφορους πίνακες βαθμολογίας κ.λπ. μετατροπείς εικόνας (συσκευές νυχτερινής όρασης), μέσα ελέγχου της δέσμης φωτός σε ηλεκτρονικούς υπολογιστές υψηλής ταχύτητας.

Ορισμένες ουσίες σε κατάσταση υγρών κρυστάλλων μπορούν να αναμειχθούν μεταξύ τους και να σχηματίσουν υγρούς κρυστάλλους με διαφορετικές δομές και ιδιότητες. Αυτό διευρύνει το φάσμα της χρήσης τους στην τεχνολογία.

ΕΡΓΑΣΙΑ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ

υγρούς κρυστάλλους. Η τεχνολογική τους εφαρμογήμιόχι

Εισαγωγή

Ο ασυνήθιστος συνδυασμός των λέξεων «υγροί κρύσταλλοι» είναι πιθανώς ήδη γνωστός σε πολλούς, αν και δεν μπορούν όλοι να φανταστούν τι κρύβεται πίσω από αυτή την περίεργη και φαινομενικά αντιφατική έννοια. Αυτές οι εκπληκτικές ουσίες συνδυάζουν με επιτυχία τις ανισότροπες ιδιότητες των κρυστάλλων και τις ιδιότητες ροής των υγρών.

Ταυτόχρονα, πιθανότατα κάθε δεύτερο άτομο φέρει μαζί του δείκτες υγρών κρυστάλλων (LC) και κοιτάζει το ηλεκτρονικό του ρολόι πολλές δεκάδες φορές την ημέρα. LCD - ο επιλογέας της οποίας μετράει με ακρίβεια ώρες, λεπτά, δευτερόλεπτα και μερικές φορές κλάσματα δευτερολέπτων. Είναι οι δείκτες LCD που αποτελούν τη βάση των σύγχρονων αριθμομηχανών, φορητών υπολογιστών Notebook, τηλεοράσεων επίπεδης οθόνης μινιατούρες, λεξικών μεταφραστών, τηλεειδοποιητών και πολλών άλλων σύγχρονων ηλεκτρονικών τεχνικών και οικιακών συσκευών και συσκευών.

Η παγκόσμια παραγωγή LCD και οθονών ανέρχεται σε δισεκατομμύρια και προβλέπεται να αυξηθεί περαιτέρω. Μπορεί ήδη να ειπωθεί χωρίς υπερβολή ότι η πρόοδος και η ανάπτυξη ορισμένων κλάδων της επιστήμης και της τεχνολογίας είναι αδιανόητες χωρίς την ανάπτυξη της έρευνας στον τομέα των υγρών κρυστάλλων. Δεν έχουν λιγότερο ενδιαφέρον οι υγροί κρύσταλλοι από την άποψη της βιολογίας και των διαδικασιών ζωής. Η λειτουργία των κυτταρικών μεμβρανών και του DNA, η μετάδοση των νευρικών ερεθισμάτων, η εργασία των μυών, ο σχηματισμός αθηρωματικών πλακών - αυτός δεν είναι πλήρης κατάλογος των διεργασιών που συμβαίνουν στη φάση LC, με χαρακτηριστικά εγγενή σε αυτήν τη φάση - μια τάση για αυτοοργάνωση και διατήρηση υψηλής μοριακής κινητικότητας.

1. Τύποι και ιδιότητες υγρών κρυστάλλων

1.1 Ιστορία της ανακάλυψης υγρών κρυστάλλων

Έχουν περάσει περισσότερα από 100 χρόνια από την ανακάλυψη των υγρών κρυστάλλων. Ανακαλύφθηκαν για πρώτη φορά από τον Αυστριακό βοτανολόγο Friedrich Reinitzer, παρατηρώντας δύο σημεία τήξης του εστέρα της χοληστερόλης, του βενζοϊκού εστέρα χοληστερόλης (Εικ. 1).

Στη θερμοκρασία τήξης (T pl), 145 0 C, η κρυσταλλική ουσία μετατράπηκε σε ένα θολό υγρό με μεγάλη σκέδαση φωτός. Με συνεχή θέρμανση, όταν φτάσει σε θερμοκρασία 179 ° C, το υγρό γίνεται διαυγές (διαυγές σημείο (T pr)), δηλ. αρχίζει να συμπεριφέρεται οπτικά σαν ένα συνηθισμένο υγρό, όπως το νερό. Απροσδόκητες ιδιότητες της βενζοϊκής χοληστερόλης βρέθηκαν στη θολή φάση. Εξετάζοντας αυτή τη φάση κάτω από ένα πολωτικό μικροσκόπιο, ο Reinitzer διαπίστωσε ότι είχε διπλή διάθλαση. Αυτό σημαίνει ότι ο δείκτης διάθλασης του φωτός, δηλ. η ταχύτητα του φωτός σε αυτή τη φάση εξαρτάται από την πόλωση.

Το φαινόμενο της διπλής διάθλασης είναι ένα τυπικό κρυσταλλικό φαινόμενο, που συνίσταται στο γεγονός ότι η ταχύτητα του φωτός σε έναν κρύσταλλο εξαρτάται από τον προσανατολισμό του επιπέδου πόλωσης του φωτός. Είναι σημαντικό ότι φτάνει σε ακραίες μέγιστες και ελάχιστες τιμές για δύο αμοιβαία ορθογώνιους προσανατολισμούς του επιπέδου πόλωσης. Φυσικά, οι προσανατολισμοί πόλωσης που αντιστοιχούν στις ακραίες τιμές της ταχύτητας του φωτός σε έναν κρύσταλλο καθορίζονται από την ανισοτροπία των ιδιοτήτων του κρυστάλλου και καθορίζονται μοναδικά από τον προσανατολισμό των κρυσταλλικών αξόνων ως προς την κατεύθυνση του φωτός διάδοση.

Επομένως, όσα ειπώθηκαν εξηγούν ότι η ύπαρξη διπλής διάθλασης σε ένα υγρό, το οποίο πρέπει να είναι ισότροπο, δηλ. ότι οι ιδιότητές του θα έπρεπε να είναι ανεξάρτητες από την κατεύθυνση φαινόταν παράδοξο. Το πιο εύλογο εκείνη την εποχή θα μπορούσε να φαίνεται ότι ήταν η παρουσία στη θολή φάση μη λιωμένων μικρών σωματιδίων του κρυστάλλου, κρυσταλλίτες, που ήταν η πηγή διπλής διάθλασης. Ωστόσο, πιο λεπτομερείς μελέτες, στις οποίες ο Reinitzer συμμετείχε τον διάσημο Γερμανό φυσικό Otto Lehmann, έδειξαν ότι η θολή φάση δεν είναι σύστημα δύο φάσεων, αλλά είναι ανισότροπη. Δεδομένου ότι οι ιδιότητες της ανισοτροπίας είναι εγγενείς σε έναν στερεό κρύσταλλο και η ουσία στη θολή φάση ήταν υγρή, η Lehman την ονόμασε υγρό κρύσταλλο.

Έκτοτε, ουσίες που μπορούν να συνδυάζουν ταυτόχρονα τις ιδιότητες των υγρών (ρευστότητα, ικανότητα σχηματισμού σταγόνων) και τις ιδιότητες των κρυσταλλικών σωμάτων (ανισοτροπία) σε ένα ορισμένο εύρος θερμοκρασίας πάνω από το σημείο τήξης έχουν γίνει γνωστές ως υγροί κρύσταλλοι ή υγροί κρύσταλλοι. Οι ουσίες LC ονομάζονται συχνά μεσομορφικές και η φάση LC που σχηματίζεται από αυτές ονομάζεται μεσόφαση. Μια τέτοια κατάσταση είναι μια θερμοδυναμικά σταθερή κατάσταση φάσης και δικαίως, μαζί με το στερεό, το υγρό και το αέριο, μπορεί να θεωρηθεί ως η τέταρτη κατάσταση της ύλης.

Ωστόσο, η κατανόηση της φύσης των LC - της κατάστασης των ουσιών, η καθιέρωση και η μελέτη της δομικής τους οργάνωσης έρχεται πολύ αργότερα. Η σοβαρή δυσπιστία για το ίδιο το γεγονός της ύπαρξης τέτοιων ασυνήθιστων ενώσεων στη δεκαετία του 20-30 αντικαταστάθηκε από την ενεργό έρευνά τους. Η εργασία του D. Vorlender στη Γερμανία συνέβαλε τα μέγιστα στη σύνθεση νέων ενώσεων LC. Αρκεί να αναφέρουμε ότι με την επίβλεψή του ολοκληρώθηκαν 85 διατριβές για τους υγρούς κρυστάλλους. Στη δεκαετία του '20, ο Friedel πρότεινε να χωριστούν όλοι οι υγροί κρύσταλλοι σε τρεις μεγάλες ομάδες. Ο Friedel ονόμασε τις ομάδες υγρών κρυστάλλων:

1. νηματικός

2. σμηκτικός

3. χοληστερικό

Πρότεινε επίσης έναν γενικό όρο για τους υγρούς κρυστάλλους - «μεσόμορφη φάση». Αυτός ο όρος προέρχεται από την ελληνική λέξη "mesos" (ενδιάμεσος) και εισάγοντάς τον, ο Friedel ήθελε να τονίσει ότι οι υγροί κρύσταλλοι καταλαμβάνουν μια ενδιάμεση θέση μεταξύ αληθινών κρυστάλλων και υγρών τόσο σε θερμοκρασία όσο και σε φυσικές τους ιδιότητες.

Τότε ο Ολλανδός S. Oseen και ο Τσέχος H. Zocher δημιούργησαν τη θεωρία της ελαστικότητας, οι Ρώσοι επιστήμονες V.K. Frederiks και V.N. Ο Τσβέτκοφ στην ΕΣΣΔ τη δεκαετία του 1930 ερεύνησε για πρώτη φορά τη συμπεριφορά των υγρών κρυστάλλων σε ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία. Ωστόσο, μέχρι τη δεκαετία του 1960, η μελέτη των υγρών κρυστάλλων δεν είχε σημαντικό πρακτικό ενδιαφέρον και όλη η επιστημονική έρευνα είχε ένα μάλλον περιορισμένο, καθαρά ακαδημαϊκό ενδιαφέρον.

Η κατάσταση άλλαξε δραματικά στα μέσα της δεκαετίας του 1960, όταν, λόγω της ταχείας ανάπτυξης της μικροηλεκτρονικής και της μικρομικρογραφίας των συσκευών, απαιτήθηκαν ουσίες που θα μπορούσαν να αντανακλούν και να μεταδίδουν πληροφορίες καταναλώνοντας μια ελάχιστη ενέργεια. Και εδώ ήρθαν στη διάσωση οι υγροί κρύσταλλοι, η διπλή φύση των οποίων (ανισοτροπία ιδιοτήτων και υψηλή μοριακή κινητικότητα) επέτρεψε τη δημιουργία υψηλής ταχύτητας και οικονομικών ενδείξεων LCD ελεγχόμενων από ένα εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο, που είναι ουσιαστικά το κύριο στοιχείο του «στρατός» πολλών εκατομμυρίων δολαρίων από ρολόγια, αριθμομηχανές, τηλεοράσεις επίπεδης οθόνης κ.λπ.

Η έκρηξη υγρών κρυστάλλων, με τη σειρά της, τόνωσε την ενεργό επιστημονική δραστηριότητα, συγκλήθηκαν διεθνή συμπόσια και συνέδρια για τους υγρούς κρυστάλλους, οργανώθηκαν σχολεία για νέους επιστήμονες, εκδόθηκαν συλλογές και μονογραφίες.

Ποιοι είναι αυτοί οι ασυνήθιστοι κρύσταλλοι και ποιες είναι οι ιδιαίτερες ιδιότητες που τους έχουν κάνει σχεδόν απαραίτητους σήμερα;

1.2 Μοριακή δομή και δομή υγρών κρυστάλλων

Είναι πλέον γνωστές περίπου εκατό χιλιάδες οργανικές ουσίες που μπορούν να βρίσκονται σε κατάσταση LC και ο αριθμός τέτοιων ενώσεων αυξάνεται συνεχώς. Εάν τις πρώτες δεκαετίες μετά την ανακάλυψη των υγρών κρυστάλλων, οι κύριοι εκπρόσωποι αυτών των ενώσεων ήταν μόνο ουσίες που αποτελούνταν από ασύμμετρα μόρια σε σχήμα ράβδου, τα λεγόμενα calamitics (από το ελληνικό "calamis" - καλάμι), τότε αργότερα διαπιστώθηκε ότι μια μεγάλη ποικιλία ουσιών που έχουν μόρια πιο πολύπλοκου σχήματος (δίσκοι, πλάκες κ.λπ.). Τα μόρια των ενώσεων LC πολύ συχνά ονομάζονται μεσογόνα και οι ομάδες ή θραύσματα μορίων που συμβάλλουν στο σχηματισμό της φάσης LC ονομάζονται μεσογόνες ομάδες. Το σχήμα 1α δείχνει παραδείγματα ραβδόμορφων μεσογόνων - καλομιτικών, καθώς και τους χημικούς τύπους δισκοειδών (δισκοειδών) και σανιδόμορφων μεσογόνων (σανιδική) (από το ελληνικό "σανίδης" - σανίδα).

Όπως φαίνεται από το Σχήμα 1α, οι πιο κοινές μεσογόνες ομάδες είναι οι δακτύλιοι βενζολίου που συνδέονται απευθείας μεταξύ τους με τη βοήθεια διαφόρων χημικών ομάδων (-CH=CH-, -CH=N-, -NH-CO, κ.λπ.). Χαρακτηριστικό γνώρισμα όλων των ενώσεων LC είναι το ασύμμετρο σχήμα maleku, το οποίο παρέχει ανισοτροπία πόλωσης και τάση για τα μόρια να είναι κυρίως παράλληλα μεταξύ τους κατά μήκος των μακριών (καλαμίτικα και σανιδικής) και βραχέων (δισκωτικών) αξόνων τους.

1.3 Θερμοτροπικοί υγροί κρύσταλλοι

Ανάλογα με τη φύση της διάταξης των μορίων, σύμφωνα με την ταξινόμηση που προτείνει ο Friedel, διακρίνονται τρεις κύριοι τύποι δομών των ενώσεων LC: σμηκτική, νηματική και χοληστερική. Οι υποδεικνυόμενοι τύποι δομών αναφέρονται στους λεγόμενους θερμοτροπικούς υγρούς κρυστάλλους, ο σχηματισμός των οποίων πραγματοποιείται μόνο υπό θερμική δράση επί της ουσίας (θέρμανση ή ψύξη). Στο σχ. Το σχήμα 2 δείχνει τη διάταξη των μορίων σε σχήμα ράβδου και δίσκου στις τρεις παρατιθέμενες δομικές τροποποιήσεις υγρών κρυστάλλων.

Ο σμηκτικός τύπος υγρών κρυστάλλων (smectics - από την ελληνική λέξη "smegma" - σαπούνι) είναι πιο κοντά στα αληθινά κρυσταλλικά σώματα. Τα μόρια είναι διατεταγμένα σε στρώματα και τα κέντρα βάρους τους είναι κινητά σε δύο διαστάσεις (στο σμηκτικό επίπεδο). Σε αυτή την περίπτωση, οι μακροί άξονες των μορίων σε κάθε στρώμα μπορούν να βρίσκονται τόσο κάθετα στο επίπεδο του στρώματος (ορθογώνια σμηκτική) όσο και σε κάποια γωνία (λοξή σμηκτική). Η κατεύθυνση του κυρίαρχου προσανατολισμού των μοριακών αξόνων ονομάζεται συνήθως κατευθυντής, ο οποίος συνήθως συμβολίζεται με το διάνυσμα n (Εικ. 2α).

Ο νηματικός τύπος υγρών κρυστάλλων (νηματικά από το ελληνικό "nema" - νήμα) χαρακτηρίζεται από την παρουσία μόνο μονοδιάστατης προσανατολιστικής τάξης μακρών (καλαμιτικών) ή βραχέων (δισκοτικών) αξόνων μορίων (Εικ. 2 b και d, αντίστοιχα). Σε αυτή την περίπτωση, τα κέντρα βάρους των μορίων βρίσκονται τυχαία στο χώρο, γεγονός που υποδηλώνει την απουσία μεταφραστικής σειράς.

Ο πιο πολύπλοκος τύπος ταξινόμησης μορίων υγρών κρυστάλλων είναι τα χοληστερικά (χοληστερικά), που σχηματίζονται από χειρόμορφα (οπτικά ενεργά) μόρια που περιέχουν ένα ασύμμετρο άτομο άνθρακα. Αυτό σημαίνει ότι τέτοια μόρια είναι κατοπτρικά ασύμμετρα, σε αντίθεση με τα κατοπτρικά συμμετρικά μόρια των νηματικών. Η χοληστερική μεσόφαση παρατηρήθηκε για πρώτη φορά για παράγωγα της χοληστερόλης, εξ ου και το όνομά της. Τα χοληστερικά είναι από πολλές απόψεις παρόμοια με τα νηματικά, στα οποία πραγματοποιείται μια μονοδιάστατη προσανατολιστική τάξη. σχηματίζονται επίσης με την προσθήκη μικρών ποσοτήτων χειρόμορφων ενώσεων (1-2 mol.%) σε νηματικά. Όπως φαίνεται από το σχ. 2γ, σε αυτή την περίπτωση, πραγματοποιείται επιπλέον ελικοειδής συστροφή των μορίων, και πολύ συχνά το χοληστερικό ονομάζεται στριμμένο νηματικό.

Η περιοδική ελικοειδής δομή των χοληστερικών καθορίζει το μοναδικό τους χαρακτηριστικό - την ικανότητα επιλεκτικής ανάκλασης του προσπίπτοντος φωτός, «λειτουργώντας» σε αυτή την περίπτωση ως πλέγμα περίθλασης. Σε μια σταθερή γωνία ανάκλασης, οι συνθήκες παρεμβολής ικανοποιούνται μόνο για δέσμες του ίδιου χρώματος και το χοληστερικό στρώμα (ή φιλμ) φαίνεται να είναι χρωματισμένο σε ένα χρώμα. Αυτό το χρώμα καθορίζεται από το βήμα της έλικας P, η οποία, σε μια κανονική γωνία πρόσπτωσης του φωτός, σχετίζεται απλώς με το μέγιστο μήκος κύματος του μέγιστου ανακλώμενου φωτός:

P = max / n, (1)

όπου n είναι ο δείκτης διάθλασης του χοληστερικού. Αυτή η επίδραση της επιλεκτικής ανάκλασης του φωτός με ένα ορισμένο μήκος κύματος από ένα χοληστερικό φιλμ ονομάζεται επιλεκτική ανάκλαση. Ανάλογα με το βήμα της έλικας, που καθορίζεται από τη χημική φύση του χοληστερικού, το μέγιστο μήκος κύματος του ανακλώμενου φωτός μπορεί να εντοπιστεί στο ορατό, καθώς και στις περιοχές IR και UV του φάσματος, καθορίζοντας ευρείες περιοχές χρήσης των οπτικών ιδιοτήτων των χοληστερικών.

Οποιοσδήποτε από τους τρεις τύπους μεσοφάσεων θεωρείται συνήθως ως ένα συνεχές ανισότροπο μέσο, ​​όπου σε μικρούς μικροόγκους (συχνά αποκαλούμενους σμήνη ή περιοχές), που αποτελούνται, κατά κανόνα, από 10 4 - 10 5 μόρια, τα μόρια είναι προσανατολισμένα παράλληλα μεταξύ τους .

Ας εξετάσουμε τώρα τη μακροσκοπική δομή των υγρών κρυστάλλων, η οποία συνήθως ονομάζεται υφή, που σημαίνει με αυτό το σύνολο των δομικών λεπτομερειών ενός δείγματος υγρών κρυστάλλων που τοποθετείται ανάμεσα σε δύο ποτήρια και εξετάζεται χρησιμοποιώντας ένα οπτικό μικροσκόπιο πόλωσης. Κάθε τύπος υγρών κρυστάλλων σχηματίζει αυθόρμητα τις δικές του χαρακτηριστικές υφές, με τις οποίες συχνά μπορούν να αναγνωριστούν. Κατά κανόνα, οι υφές των υγρών κρυστάλλων είναι τόσο «φωτογενείς» που οι όμορφες μικροφωτογραφίες τους συχνά εμποδίζουν τα εξώφυλλα επιστημονικών περιοδικών και δημοφιλών επιστημονικών δημοσιεύσεων.

Οι νηματοειδείς υγροί κρύσταλλοι χαρακτηρίζονται από τη λεγόμενη υφή Schlieren (Εικ. 3α), η οποία είναι ένα σύστημα λεπτών νηματωδών γραμμών και κουκκίδων με νηματώδεις μαύρες «ουρές». Αυτές οι γραμμές ονομάζονται διακρίσεις (από το ελληνικό "κλίνε" - κλίση). Αντιπροσωπεύουν σημεία μιας απότομης αλλαγής στην κατεύθυνση προσανατολισμού των μακρών αξόνων των μορίων. Η χαρακτηριστική υφή του smectics είναι μια υφή βεντάλιας, η οποία από πολλές απόψεις μοιάζει με κρυστάλλους συνηθισμένων στερεών (Εικ. 3β), η οποία υπογραμμίζει τη μεγαλύτερη ομοιότητα στη δομική οργάνωση των δισδιάστατων διατεταγμένων smectics και των τρισδιάστατων διατεταγμένων κρυστάλλων. Τα μη προσανατολισμένα χοληστερικά σχηματίζουν μια ομοεστιακή υφή, η οποία αποτελείται από χωριστούς και διασυνδεδεμένους σύνθετους σχηματισμούς που ονομάζονται ομοεστιακές περιοχές (Εικ. 3γ).

Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι όλες οι εξεταζόμενες υφές είναι εξαιρετικά ασταθείς και υφίστανται εύκολα δομικές ανακατατάξεις υπό τη δράση μικρών εξωτερικών επιρροών (μηχανικές καταπονήσεις, ηλεκτρικά πεδία, θερμοκρασία κ.λπ.).

1.4 Λυοτροπικοί υγροί κρύσταλλοι

Σε αντίθεση με τους θερμοτροπικούς υγρούς κρυστάλλους, οι λυοτροπικοί υγροί κρύσταλλοι σχηματίζονται με τη διάλυση ενός αριθμού αμφιφιλικών ενώσεων σε ορισμένους διαλύτες και, κατά κανόνα, έχουν πιο πολύπλοκη δομή από τους θερμοτροπικούς υγρούς κρυστάλλους. Οι αμφίφιλες ενώσεις αποτελούνται από μόρια που περιέχουν υδρόφιλες και υδρόφοβες ομάδες. Τέτοιες ενώσεις είναι ευρέως διαδεδομένες στη φύση. Έτσι, για παράδειγμα, οποιοδήποτε λιπαρό οξύ είναι αμφίφιλο. Τα μόριά του αποτελούνται από δύο μέρη: μια πολική «κεφαλή» (ομάδα COOH) και μια «ουρά» υδρογονάνθρακα [CH 3 (CH 2) n -]. Τέτοιες ενώσεις, όταν διαλύονται στο νερό, σχηματίζουν συνήθως μικκυλιακά διαλύματα στα οποία οι πολικές κεφαλές προεξέχουν όταν έρχονται σε επαφή με το νερό και οι ουρές υδρογονανθράκων, όταν έρχονται σε επαφή μεταξύ τους, κοιτάζουν προς τα μέσα. Τέτοια μικκύλια (Εικ. 4, α) είναι τα δομικά στοιχεία από τα οποία κατασκευάζονται λυοτροπικοί υγροί κρύσταλλοι, σχηματίζοντας, για παράδειγμα, κυλινδρικά ή ελασματοειδή σχήματα (Εικ. 4, β, γ).

Σε αντίθεση με τους θερμοτροπικούς υγρούς κρυστάλλους, όπου ο σχηματισμός ενός συγκεκριμένου τύπου μεσόφασης καθορίζεται μόνο από τη θερμοκρασία, στα λυοτροπικά συστήματα ο τύπος της δομικής οργάνωσης καθορίζεται ήδη από δύο παραμέτρους: τη συγκέντρωση της ουσίας και τη θερμοκρασία. Οι λυοτροπικοί υγροί κρύσταλλοι σχηματίζονται συχνότερα από βιολογικά συστήματα που λειτουργούν σε υδατικά μέσα. Είναι σε αυτά τα συστήματα που τα μοναδικά χαρακτηριστικά των υγρών κρυστάλλων, που συνδυάζουν την αστάθεια με την υψηλή τάση για αυτοοργάνωση, εκδηλώνονται με την πιο εντυπωσιακή μορφή. Περιοριζόμαστε σε ένα μόνο παράδειγμα, που αφορά κύτταρα και ενδοκυτταρικά οργανίδια καλυμμένα με λεπτά, εξαιρετικά διατεταγμένα κελύφη - μεμβράνες. Σύγχρονες δομικές μελέτες δείχνουν ότι οι μεμβράνες είναι τυπικές λυοτροπικές φυλλώδεις ασταθείς δομές LC, που αποτελούνται από ένα διπλό στρώμα φωσφολιπιδίων, στο οποίο «διαλύονται» πρωτεΐνες, πολυσακχαρύλια, χοληστερόλη και άλλα ζωτικά συστατικά (Εικ. 4δ). Μια τέτοια ανισότροπη δομή της μεμβράνης, αφενός, καθιστά δυνατή την προστασία του εσωτερικού της τμήματος από ανεπιθύμητες εξωτερικές επιδράσεις και, αφετέρου, η «υγρή» φύση της παρέχει υψηλές ιδιότητες μεταφοράς (διαπερατότητα, μεταφορά ιόντων κ.λπ.) , το οποίο δίνει στο κύτταρο έναν αποφασιστικό ρόλο στις διαδικασίες της ζωτικής δραστηριότητας.

1.5 Ανισοτροπία φυσικών ιδιοτήτων - το κύριο χαρακτηριστικό των υγρών κρυστάλλων

Δεδομένου ότι το κύριο δομικό χαρακτηριστικό των υγρών κρυστάλλων είναι η παρουσία προσανατολιστικής τάξης λόγω του ανισότροπου σχήματος των μορίων, είναι φυσικό όλες οι ιδιότητές τους να καθορίζονται με τον ένα ή τον άλλο τρόπο από τον βαθμό προσανατολισμού. Ποσοτικά, ο βαθμός ταξινόμησης ενός υγρού κρυστάλλου καθορίζεται από την παράμετρο τάξης S που εισάγεται από το V.I. Tsvetkov στη δεκαετία του '40:

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

όπου είναι η γωνία μεταξύ του άξονα ενός μεμονωμένου μορίου υγρών κρυστάλλων και της κυρίαρχης κατεύθυνσης ολόκληρου του συνόλου, που καθορίζεται από τον σκηνοθέτη n (Εικ. 2) (οι γωνιακές αγκύλες σημαίνουν τον μέσο όρο για όλους τους μοριακούς προσανατολισμούς). Είναι εύκολο να γίνει κατανοητό ότι σε μια εντελώς διαταραγμένη ισότροπη υγρή φάση S = 0, και σε έναν εντελώς στερεό κρύσταλλο S = 1. Η παράμετρος τάξης ενός υγρού κρυστάλλου κυμαίνεται από 0 έως 1. Είναι η ύπαρξη τάξης προσανατολισμού που καθορίζει το ανισοτροπία όλων των φυσικών ιδιοτήτων των υγρών κρυστάλλων. Έτσι, το ανισότροπο σχήμα των καλαμιτικών μορίων καθορίζει την εμφάνιση της διπλής διάθλασης (n) και της διηλεκτρικής ανισοτροπίας (), οι τιμές των οποίων μπορούν να εκφραστούν ως εξής:

n = n - n και = - (3)

όπου n, n και, είναι οι δείκτες διάθλασης και οι διηλεκτρικές σταθερές, αντίστοιχα, που μετρώνται σε παράλληλους και κάθετους προσανατολισμούς των μακρών αξόνων των μορίων σε σχέση με τον διευθυντή. Οι τιμές του n για τις ενώσεις LC είναι συνήθως πολύ μεγάλες και ποικίλλουν ευρέως ανάλογα με τη χημική τους δομή, φτάνοντας μερικές φορές σε τιμές της τάξης του 0,3-0,4. Το μέγεθος και το πρόσημο εξαρτώνται από τη σχέση μεταξύ της ανισοτροπίας πόλωσης του μορίου, της τιμής της μόνιμης διπολικής ροπής και επίσης από τη γωνία μεταξύ της διεύθυνσης της διπολικής ροπής και του μακρού μοριακού άξονα. Παραδείγματα δύο ενώσεων LC που χαρακτηρίζονται από θετική και αρνητική τιμή φαίνονται παρακάτω:

Η θέρμανση ενός υγρού κρυστάλλου, μειώνοντας τη σειρά προσανατολισμού του, συνοδεύεται από μονοτονική μείωση των τιμών του n και, έτσι ώστε στο σημείο όπου η φάση LC εξαφανίζεται στο Tp, η ανισοτροπία των ιδιοτήτων εξαφανίζεται εντελώς.

Ταυτόχρονα, είναι η ανισοτροπία όλων των φυσικών χαρακτηριστικών ενός υγρού κρυστάλλου, σε συνδυασμό με το χαμηλό ιξώδες αυτών των ενώσεων, που καθιστά δυνατό τον εύκολο και αποτελεσματικό προσανατολισμό (και αναπροσανατολισμό) των μορίων τους υπό τη δράση μικρών «ενοχλητικών παράγοντες (ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία, μηχανική καταπόνηση), αλλάζοντας σημαντικά τη δομή και τις ιδιότητές τους. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι υγροί κρύσταλλοι αποδείχθηκαν απαραίτητα ηλεκτρο-οπτικά ενεργά μέσα, βάσει των οποίων δημιουργήθηκε μια νέα γενιά των λεγόμενων ενδείξεων LCD.

2. Τεχνολογική μεθοδολογία

2.1 Μέθοδοι ελέγχου υγρών κρυστάλλων

έλεγχος κρυσταλλικού μοριακού υγρού

Η βάση οποιουδήποτε δείκτη LCD είναι το λεγόμενο ηλεκτρο-οπτικό στοιχείο, η συσκευή του οποίου φαίνεται στο Σχ. 5. Δύο επίπεδες γυάλινες πλάκες επικαλυμμένες με διαφανές αγώγιμο στρώμα οξειδίου του κασσιτέρου ή οξειδίου του ινδίου, που λειτουργούν ως ηλεκτρόδια, χωρίζονται με λεπτούς διαχωριστές από μη αγώγιμο υλικό (πολυαιθυλένιο, τεφλόν). Το κενό που προκύπτει μεταξύ των πλακών, το οποίο κυμαίνεται από 5 έως 50 μικρά (ανάλογα με τον σκοπό της κυψέλης), γεμίζεται με υγρό κρύσταλλο και ολόκληρη η δομή "σάντουιτς" γύρω από την περίμετρο "σφραγίζεται" με σφραγιστικό ή άλλο μονωτικό υλικό. (Εικ. 5). Το κύτταρο που λαμβάνεται με αυτόν τον τρόπο μπορεί να τοποθετηθεί ανάμεσα σε δύο πολωτές πολύ λεπτής μεμβράνης, τα επίπεδα πόλωσης των οποίων σχηματίζουν μια ορισμένη γωνία, προκειμένου να παρατηρηθούν τα αποτελέσματα του προσανατολισμού των μορίων υπό τη δράση ενός ηλεκτρικού πεδίου. Η εφαρμογή ακόμη και μικρής ηλεκτρικής τάσης (1,5-3 V) σε ένα λεπτό στρώμα LC λόγω του σχετικά χαμηλού ιξώδους και της εσωτερικής τριβής ενός ανισότροπου υγρού οδηγεί σε αλλαγή του προσανατολισμού του υγρού κρυστάλλου. Είναι σημαντικό εδώ να τονίσουμε ότι το ηλεκτρικό πεδίο δεν δρα σε μεμονωμένα μόρια, αλλά σε προσανατολισμένες ομάδες μορίων (σμήνη ή περιοχές) που αποτελούνται από δεκάδες χιλιάδες μόρια, με αποτέλεσμα η ενέργεια της ηλεκτροστατικής αλληλεπίδρασης να υπερβαίνει σημαντικά την ενέργεια της θερμικής κίνησης των μορίων. Ως αποτέλεσμα, ο υγρός κρύσταλλος τείνει να περιστρέφεται με τέτοιο τρόπο ώστε η κατεύθυνση της μέγιστης διηλεκτρικής σταθεράς να συμπίπτει με την κατεύθυνση του ηλεκτρικού πεδίου. Και λόγω της μεγάλης τιμής της διπλής διάθλασης n, η διαδικασία προσανατολισμού οδηγεί σε απότομη αλλαγή στη δομή και τις οπτικές ιδιότητες του υγρού κρυστάλλου.

Για πρώτη φορά, η επίδραση των ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων στους υγρούς κρυστάλλους μελετήθηκε από τον Ρώσο φυσικό V.K. Frederiks, και οι διαδικασίες του προσανατολισμού τους ονομάζονται ηλεκτρο-οπτικές μεταβάσεις (ή εφέ) του Frederiks. Ένας από τους τρεις πιο συνηθισμένους μοριακούς προσανατολισμούς φαίνεται στο Σχ. 5. α. Αυτός είναι ένας επίπεδος προσανατολισμός, ο οποίος είναι τυπικός για νηματικούς με αρνητική διηλεκτρική ανισοτροπία (< 0), когда длинные оси молекул параллельны стеклянным поверхностям ячейки.

Ο ομοιοτροπικός προσανατολισμός πραγματοποιείται για υγρούς κρυστάλλους με θετική διηλεκτρική ανισοτροπία (> 0) (Εικ. 5β). Σε αυτή την περίπτωση, οι μακροί άξονες των μορίων με μια διαμήκη διπολική ροπή βρίσκονται κατά μήκος της κατεύθυνσης του πεδίου κάθετα στην επιφάνεια του κυττάρου. Τέλος, είναι δυνατός ένας συστρεφόμενος ή στριμμένος προσανατολισμός των μορίων (Εικ. 5γ). Αυτός ο προσανατολισμός επιτυγχάνεται με ειδική επεξεργασία γυάλινων πλακών, κατά τις οποίες οι μακροί άξονες των μορίων περιστρέφονται προς την κατεύθυνση από το κάτω προς το πάνω γυαλί του ηλεκτρο-οπτικού στοιχείου. Αυτό συνήθως επιτυγχάνεται με τρίψιμο του γυαλιού σε διαφορετικές κατευθύνσεις ή με χρήση ειδικών ουσιών - προσανατολιστών που καθορίζουν την κατεύθυνση του μοριακού προσανατολισμού.

Η δράση οποιουδήποτε δείκτη LC βασίζεται σε δομικές αναδιατάξεις μεταξύ των υποδεικνυόμενων τύπων μοριακού προσανατολισμού, οι οποίες προκαλούνται όταν εφαρμόζεται ασθενές ηλεκτρικό πεδίο. Ας εξετάσουμε, για παράδειγμα, πώς λειτουργεί το καντράν LCD ενός ηλεκτρονικού ρολογιού. Η βάση του επιλογέα είναι ήδη γνωστή σε εμάς ηλεκτρο-οπτική κυψέλη, αν και κάπως συμπληρωμένη (Εικ. 6, α, β). Εκτός από γυαλιά με επιμεταλλωμένα ηλεκτρόδια, δύο πολωτές, τα επίπεδα πόλωσης των οποίων είναι αντίθετα, αλλά συμπίπτουν με την κατεύθυνση των μακρών αξόνων των μορίων στα ηλεκτρόδια, προστίθεται επίσης ένας καθρέφτης που βρίσκεται κάτω από τον κάτω πολωτή (δεν φαίνεται στο εικόνα). Το κάτω ηλεκτρόδιο είναι συνήθως συμπαγές και το άνω ηλεκτρόδιο έχει σχήμα, που αποτελείται από επτά μικρά τμήματα ηλεκτροδίων, με τα οποία μπορείτε να απεικονίσετε οποιονδήποτε αριθμό ή γράμμα (Εικ. 6, γ). Κάθε τέτοιο τμήμα «τροφοδοτείται» από ηλεκτρισμό και ενεργοποιείται σύμφωνα με ένα δεδομένο πρόγραμμα από μια μικροσκοπική γεννήτρια. Ο αρχικός προσανατολισμός του νηματικού είναι στριμμένος, δηλαδή έχουμε τον λεγόμενο προσανατολισμό συστροφής των μορίων (βλ. Εικ. 5, γ και 6, α). Το φως πέφτει στον επάνω πολωτή και γίνεται επίπεδο πόλωση σύμφωνα με την πόλωσή του.

Ελλείψει ηλεκτρικού πεδίου (δηλαδή σε κατάσταση απενεργοποίησης), το φως, «ακολουθώντας» τη συστροφή - προσανατολισμό του νηματικού, αλλάζει την κατεύθυνσή του σύμφωνα με τον οπτικό άξονα του νηματικού και στην έξοδο θα έχει ίδια κατεύθυνση πόλωσης με τον κάτω πολωτή (βλ. Εικ. 6, α). Με άλλα λόγια, το φως θα αναπηδήσει από τον καθρέφτη και θα δούμε ένα ανοιχτόχρωμο φόντο. Όταν ένα ηλεκτρικό πεδίο είναι ενεργοποιημένο για έναν νηματικό υγρό κρύσταλλο με θετική διηλεκτρική ανισοτροπία (> 0), θα συμβεί μια μετάβαση από έναν προσανατολισμό στριμμένης συστροφής σε έναν ομοιοτροπικό προσανατολισμό μορίων, δηλαδή, οι μεγάλοι άξονες των μορίων θα στραφούν στο κατεύθυνση κάθετη στα ηλεκτρόδια, και η ελικοειδής δομή θα καταρρεύσει (Εικ. 6, β). Τώρα το φως, χωρίς να αλλάξει την κατεύθυνση της αρχικής πόλωσης, που συμπίπτει με την πόλωση του άνω πολωτή, θα έχει κατεύθυνση πόλωσης αντίθετη από το κάτω πολαροειδές, και αυτά, όπως φαίνεται στο Σχ. 6β βρίσκονται σε σταυρωτή θέση. Σε αυτή την περίπτωση, το φως δεν θα φτάσει στον καθρέφτη και θα δούμε ένα σκούρο φόντο. Με άλλα λόγια, συμπεριλαμβανομένου του πεδίου, μπορείτε να σχεδιάσετε οποιουσδήποτε σκοτεινούς χαρακτήρες (γράμματα, αριθμούς) σε ανοιχτόχρωμο φόντο, χρησιμοποιώντας, για παράδειγμα, ένα απλό σύστημα ηλεκτροδίων επτά τμημάτων (Εικ. 6γ).

Αυτή είναι η αρχή λειτουργίας οποιασδήποτε ένδειξης LCD. Τα κύρια πλεονεκτήματα αυτών των δεικτών είναι οι χαμηλές τάσεις ελέγχου (1,5-5 V), η χαμηλή κατανάλωση ισχύος (1-10 μW), η υψηλή αντίθεση εικόνας, η ευκολία ενσωμάτωσης σε οποιαδήποτε ηλεκτρονικά κυκλώματα, η αξιοπιστία και η σχετική φθηνότητα.

2.2 Τρόποι ελέγχου της χοληστερικής σπείρας

Μεταξύ των τύπων υγρών κρυστάλλων που εξετάζονται, τα χοληστερικά έχουν ίσως τις πιο εξωτικές οπτικές ιδιότητες. Η ασυνήθιστα λεπτά οργανωμένη ελικοειδής δομή των χοληστερικών υγρών κρυστάλλων (βλ. Εικ. 2, γ) είναι εξαιρετικά ευαίσθητη σε μια ποικιλία εξωτερικών επιδράσεων. Μεταβάλλοντας τη θερμοκρασία, την πίεση, την εφαρμογή ηλεκτρομαγνητικών πεδίων και μηχανικών καταπονήσεων, είναι δυνατό να αλλάξει σημαντικά το βήμα της χοληστερικής έλικας και σύμφωνα με την εξίσωση (1) είναι εύκολο να αλλάξει το χρώμα της χοληστερικής. Η τεράστια ευαισθησία αυτών των ενώσεων, η οποία επιτρέπει να «τρέχουν» όλα τα χρώματα του φάσματος στην περιοχή 0,01 -0,001 ° C. δείχνει τι εξαιρετικές δυνατότητες ανοίγει η χρήση αυτών των ουσιών ως εξαιρετικά αποτελεσματικοί θερμικοί δείκτες.

Για τους περισσότερους χοληστερικούς, το βήμα της έλικας μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας και, κατά συνέπεια, το μήκος κύματος του επιλεκτικά ανακλώμενου φωτός max επίσης μειώνεται (Εικ. 7). Με άλλα λόγια, καθένα από αυτά που φαίνονται στο Σχ. 7 θερμοκρασίες - T 0 , T 1 , T 2 και T 3 - αντιστοιχεί στο χρώμα του. Έτσι, με την εφαρμογή χοληστερικών υγρών κρυστάλλων στις επιφάνειες διαφόρων αντικειμένων, είναι δυνατό να ληφθεί η τοπογραφία της κατανομής της θερμοκρασίας, η οποία τους καθιστά απαραίτητους θερμικούς δείκτες και οπτικοποιητές για διάφορες εφαρμογές στη μηχανική και την ιατρική. Με την εισαγωγή χοληστερικών σε πολυμερή φιλμ, δηλαδή με τη λήψη των λεγόμενων εγκλωβισμένων υγρών κρυστάλλων, μπορεί κανείς να δημιουργήσει πολύ βολικά υλικά φιλμ που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως θερμόμετρα, καθώς και για οπτικοποίηση και «φωτογράφηση» θερμικών πεδίων.

Τα τελευταία χρόνια, έχουν αναπτυχθεί μείγματα χοληστερικών υγρών κρυστάλλων που αλλάζουν δραματικά το χρώμα (και επομένως το βήμα της έλικας) υπό την επίδραση μικρών αλλά επικίνδυνων συγκεντρώσεων επιβλαβών ατμών διαφόρων χημικών ενώσεων. Τέτοιες ενδείξεις LCD μπορούν να αλλάξουν χρώμα σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα (1-2 λεπτά) όταν ξεπεραστεί η επιτρεπόμενη συγκέντρωση επιβλαβών ατμών, λειτουργώντας έτσι ως ένα είδος χημικών αισθητήρων.

Ένας από τους εξωτερικούς παράγοντες που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον έλεγχο του βήματος μιας χοληστερικής έλικας μπορεί να είναι ένα ηλεκτρικό ή μαγνητικό πεδίο. Όταν εφαρμόζεται το πεδίο, η χοληστερική έλικα αρχίζει σταδιακά να ξετυλίγεται, ενώ το βήμα της έλικας αυξάνεται, «παρακολουθώντας» σαφώς το μέγεθος της εφαρμοζόμενης τάσης. Και αυτό σημαίνει ότι μπορείτε να ελέγχετε συνεχώς το χρώμα του χοληστερικού στρώματος του υγρού κρυστάλλου. Σε κάποια λεγόμενη ένταση κρίσιμου πεδίου, η έλικα μπορεί να ξεδιπλωθεί εντελώς, μετατρέποντας έτσι έναν χοληστερικό υγρό κρύσταλλο σε νηματικό (ένας από τους τύπους του φαινομένου Freedericksz). Η διαδικασία σπειροειδούς ξετυλίγματος ερευνάται ενεργά για χρήση σε ηλεκτρονικά ελεγχόμενες έγχρωμες επίπεδες οθόνες.

3. Εφαρμογή υγρών κρυστάλλων

3.1 Υγροί κρύσταλλοι σήμερα και αύριο

Πολλά οπτικά εφέ σε υγρούς κρυστάλλους, τα οποία συζητήθηκαν παραπάνω, έχουν ήδη κατακτηθεί από την τεχνολογία και χρησιμοποιούνται σε προϊόντα μαζικής παραγωγής. Για παράδειγμα, όλοι γνωρίζουν ρολόγια με ένδειξη σε υγρούς κρυστάλλους, αλλά δεν γνωρίζουν όλοι ότι οι ίδιοι υγροί κρύσταλλοι χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ρολογιών με ενσωματωμένη αριθμομηχανή. Εδώ είναι ακόμη δύσκολο να πούμε πώς να ονομάσουμε μια τέτοια συσκευή, είτε ρολόι είτε υπολογιστή. Αλλά αυτά είναι προϊόντα που έχουν ήδη κατακτηθεί από τη βιομηχανία, αν και μόλις πριν από δεκαετίες αυτό φαινόταν μη ρεαλιστικό. Οι προοπτικές για μελλοντικές μαζικές και αποτελεσματικές εφαρμογές υγρών κρυστάλλων είναι ακόμη πιο εκπληκτικές. Ως εκ τούτου, αξίζει να μιλήσουμε για αρκετές τεχνικές ιδέες για τη χρήση υγρών κρυστάλλων, οι οποίες δεν έχουν ακόμη εφαρμοστεί, αλλά, ίσως, τα επόμενα χρόνια θα χρησιμεύσουν ως βάση για τη δημιουργία συσκευών που θα μας γίνουν τόσο γνωστές όσο ας πούμε, οι δέκτες τρανζίστορ είναι τώρα.

3.2 Οπτικό μικρόφωνο

Στα συστήματα οπτικής επεξεργασίας πληροφοριών και επικοινωνίας, καθίσταται απαραίτητη η μετατροπή όχι μόνο των φωτεινών σημάτων σε φωτεινά σήματα, αλλά και μιας μεγάλης ποικιλίας άλλων επιρροών σε φωτεινά σήματα. Τέτοιες επιρροές μπορεί να είναι η πίεση, ο ήχος, η θερμοκρασία, η παραμόρφωση κ.λπ. Και για τη μετατροπή αυτών των επιρροών σε οπτικό σήμα, οι συσκευές υγρών κρυστάλλων αποδεικνύονται και πάλι πολύ βολικά και πολλά υποσχόμενα στοιχεία οπτικών συστημάτων.

Φυσικά, υπάρχουν πολλές μέθοδοι για τη μετατροπή των αναφερόμενων εφέ σε οπτικά σήματα, αλλά η συντριπτική πλειοψηφία αυτών των μεθόδων σχετίζεται πρώτα με τη μετατροπή του εφέ σε ηλεκτρικό σήμα, με το οποίο μπορείτε στη συνέχεια να ελέγξετε τη ροή φωτός. Έτσι, αυτές οι μέθοδοι είναι δύο σταδίων και, επομένως, δεν είναι τόσο απλές και οικονομικές στην εφαρμογή τους. Το πλεονέκτημα της χρήσης υγρών κρυστάλλων για το σκοπό αυτό είναι ότι με τη βοήθειά τους μια μεγάλη ποικιλία εφέ μπορεί να μετατραπεί απευθείας σε οπτικό σήμα, το οποίο εξαλείφει τον ενδιάμεσο κρίκο στην αλυσίδα σήματος εφέ-φωτός και επομένως εισάγει μια θεμελιώδη απλοποίηση στον έλεγχο της φωτεινής ροής. Ένα άλλο πλεονέκτημα των στοιχείων LCD είναι ότι είναι εύκολα συμβατά με συγκροτήματα συσκευών οπτικών ινών.

Για να δείξουμε τις δυνατότητες χρήσης LCD για τον έλεγχο των φωτεινών σημάτων, ας μιλήσουμε για την αρχή λειτουργίας ενός "οπτικού μικροφώνου" σε μια συσκευή LCD, που προτείνεται για την άμεση μετατροπή ενός ακουστικού σήματος σε οπτικό.

Το διάγραμμα κυκλώματος ενός οπτικού μικροφώνου είναι πολύ απλό. Το ενεργό στοιχείο του είναι ένα προσανατολισμένο νηματικό στρώμα. Οι ηχητικές δονήσεις δημιουργούν χρονικές περιοδικές παραμορφώσεις του στρώματος, οι οποίες επίσης προκαλούν επαναπροσανατολισμό των μορίων και διαμόρφωση της πόλωσης (έντασης) της διερχόμενης πολωμένης ροής φωτός.

Μελέτες των χαρακτηριστικών ενός οπτικού μικροφώνου σε LCD έδειξαν ότι οι παράμετροί του δεν είναι κατώτερες από τα υπάρχοντα δείγματα και μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε οπτικές γραμμές επικοινωνίας, επιτρέποντας την άμεση μετατροπή των σημάτων ήχου σε οπτικά. Αποδείχθηκε επίσης ότι σε όλο σχεδόν το εύρος θερμοκρασίας της ύπαρξης της νηματικής φάσης, τα ακουστικο-οπτικά χαρακτηριστικά της παραμένουν πρακτικά αμετάβλητα.

3.3 Πώς να φτιάξετε μια στερεοφωνική τηλεόραση

Ως άλλο ένα δελεαστικό, απροσδόκητο και που αφορά σχεδόν όλες τις εφαρμογές υγρών κρυστάλλων, αξίζει να αναφερθεί η ιδέα της δημιουργίας ενός στερεοφωνικού συστήματος τηλεόρασης με χρήση υγρών κρυστάλλων. Επιπλέον, κάτι που φαίνεται ιδιαίτερα δελεαστικό, ένα τέτοιο σύστημα «στερεοφωνικής τηλεόρασης σε υγρούς κρυστάλλους» μπορεί να εφαρμοστεί με το κόστος μιας πολύ απλής τροποποίησης της κάμερας εκπομπής της τηλεόρασης και της προσθήκης συνηθισμένων τηλεοπτικών δεκτών με ειδικά γυαλιά, τα γυαλιά των οποίων είναι εξοπλισμένο με φίλτρα υγρών κρυστάλλων.

Η ιδέα πίσω από αυτό το στερεοφωνικό σύστημα τηλεόρασης είναι εξαιρετικά απλή. Αν λάβουμε υπόψη ότι το πλαίσιο εικόνας στην οθόνη της τηλεόρασης σχηματίζεται γραμμή προς γραμμή και με τέτοιο τρόπο ώστε να εμφανίζονται πρώτα οι περιττές γραμμές και μετά οι ζυγές, τότε χρησιμοποιώντας γυαλιά με φίλτρα υγρών κρυστάλλων είναι εύκολο να το κάνετε ότι το δεξί μάτι, για παράδειγμα, βλέπει μόνο ζυγές γραμμές και το αριστερό - περιττό . Για να γίνει αυτό, αρκεί να συγχρονίσετε την ενεργοποίηση και απενεργοποίηση των φίλτρων υγρών κρυστάλλων, δηλ. την ικανότητα αντίληψης της εικόνας στην οθόνη εναλλάξ με το ένα ή το άλλο μάτι, κάνοντας εναλλάξ διαφανές το ένα ή το άλλο ποτήρι γυαλιών με τονισμένες ζυγές και περιττές γραμμές.

Τώρα είναι αρκετά σαφές ποια επιπλοκή της τηλεοπτικής κάμερας εκπομπής θα δώσει στον θεατή ένα στερεοφωνικό εφέ. Είναι απαραίτητο η τηλεοπτική κάμερα εκπομπής να είναι στερεοφωνική, δηλ. Για να έχει δύο φακούς που αντιστοιχούν στην αντίληψη ενός αντικειμένου από το αριστερό και το δεξί μάτι ενός ατόμου, σχηματίστηκαν άρτιες γραμμές στην οθόνη χρησιμοποιώντας το δεξί και περιττές γραμμές χρησιμοποιώντας τον αριστερό φακό της κάμερας εκπομπής.

Ένα σύστημα γυαλιών με φίλτρα κλείστρου υγρών κρυστάλλων που συγχρονίζονται με τη λειτουργία της τηλεόρασης ενδέχεται να μην είναι πρακτικό για μαζική χρήση. Είναι πιθανό ότι ένα στερεοφωνικό σύστημα στο οποίο τα γυαλιά είναι εξοπλισμένα με συνηθισμένα polaroid θα αποδειχθεί πιο ανταγωνιστικό. Σε αυτή την περίπτωση, κάθε ένα από τα γυαλιά γυαλιού εκπέμπει γραμμικά πολωμένο φως, το επίπεδο πόλωσης του οποίου είναι κάθετο στο επίπεδο πόλωσης του φωτός που μεταδίδεται από το δεύτερο γυαλί. Το στερεοφωνικό εφέ σε αυτή την περίπτωση επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας ένα φιλμ υγρών κρυστάλλων που εναποτίθεται στην οθόνη της τηλεόρασης και μεταδίδει φως από ζυγές γραμμές μιας γραμμικής πόλωσης και από περιττές γραμμές μια άλλη γραμμική πόλωση κάθετη στην πρώτη.

Ποιο από τα περιγραφόμενα στερεοφωνικά συστήματα τηλεόρασης θα εφαρμοστεί ή θα επιβιώσει ένα εντελώς διαφορετικό σύστημα, θα δείξει το μέλλον.

3.4 Γυαλιά για αστροναύτες

Γνωρίζοντας νωρίτερα μια μάσκα για έναν ηλεκτροσυγκολλητή και τώρα με τα γυαλιά για στερεοφωνική τηλεόραση, θα παρατηρήσετε ότι σε αυτές τις συσκευές ένα ελεγχόμενο φίλτρο υγρών κρυστάλλων μπλοκάρει αμέσως ολόκληρο το οπτικό πεδίο του ενός ή και των δύο ματιών. Εν τω μεταξύ, υπάρχουν καταστάσεις όπου είναι αδύνατο να αποκλειστεί ολόκληρο το οπτικό πεδίο ενός ατόμου και ταυτόχρονα είναι απαραίτητο να αποκλειστούν μεμονωμένα τμήματα του οπτικού πεδίου.

Για παράδειγμα, μια τέτοια ανάγκη μπορεί να προκύψει για κοσμοναύτες στις συνθήκες της εργασίας τους στο διάστημα κάτω από εξαιρετικά έντονο ηλιακό φως, που δεν εξασθενεί ούτε από την ατμόσφαιρα ούτε από τα σύννεφα. Αυτή η εργασία, όπως στην περίπτωση μιας μάσκας για ηλεκτρικό συγκολλητή ή γυαλιών για στερεοφωνική τηλεόραση, μπορεί να λυθεί με ελεγχόμενα φίλτρα υγρών κρυστάλλων.

Η επιπλοκή των γυαλιών σε αυτή την περίπτωση είναι ότι το οπτικό πεδίο κάθε ματιού πρέπει τώρα να επικαλύπτει όχι ένα φίλτρο, αλλά πολλά ανεξάρτητα ελεγχόμενα φίλτρα. Για παράδειγμα, τα φίλτρα μπορούν να κατασκευαστούν με τη μορφή ομόκεντρων δακτυλίων με κέντρο τα γυαλιά των γυαλιών ή με τη μορφή λωρίδων στο γυαλί των γυαλιών, καθένα από τα οποία, όταν είναι ενεργοποιημένο, καλύπτει μόνο ένα μέρος του οπτικού πεδίου του ματιού.

Τέτοια γυαλιά μπορούν να είναι χρήσιμα όχι μόνο για κοσμοναύτες, αλλά και για άτομα άλλων επαγγελμάτων, των οποίων η εργασία μπορεί να σχετίζεται όχι μόνο με έντονο μη διάσπαρτο φωτισμό, αλλά και με την ανάγκη αντίληψης μεγάλης ποσότητας οπτικών πληροφοριών.

Για παράδειγμα, στο πιλοτήριο ενός σύγχρονου αεροσκάφους, υπάρχει ένας τεράστιος αριθμός ταμπλό οργάνων. Ωστόσο, δεν χρειάζονται όλα ταυτόχρονα στον πιλότο. Ως εκ τούτου, η χρήση από τον πιλότο γυαλιών που περιορίζουν το οπτικό πεδίο μπορεί να είναι χρήσιμη και να διευκολύνει την εργασία του, καθώς βοηθά να εστιάσει την προσοχή του μόνο σε ένα μέρος των οργάνων που χρειάζονται αυτή τη στιγμή και εξαλείφει την αποσπώντας την προσοχή των πληροφοριών. που δεν χρειάζεται εκείνη τη στιγμή.

Τέτοια γυαλιά θα είναι επίσης πολύ χρήσιμα σε βιοϊατρικές μελέτες της εργασίας του χειριστή που σχετίζεται με την αντίληψη μεγάλου όγκου οπτικών πληροφοριών. Ως αποτέλεσμα τέτοιων μελετών, είναι δυνατό να προσδιοριστεί η ταχύτητα της αντίδρασης του χειριστή στα οπτικά σήματα, να προσδιοριστούν τα πιο δύσκολα και κουραστικά στάδια στην εργασία του και τελικά να βρεθεί ένας τρόπος για τη βέλτιστη οργάνωση της εργασίας του. Το τελευταίο σημαίνει καθορισμό του καλύτερου τρόπου διάταξης των ταμπλό οργάνων, του τύπου των ενδείξεων οργάνων, του χρώματος και της φύσης των σημάτων διαφορετικού βαθμού σημασίας.

Τα φίλτρα αυτού του τύπου και οι δείκτες σε υγρούς κρυστάλλους αναμφίβολα θα βρουν (και ήδη βρίσκουν) ευρεία εφαρμογή σε φιλμ και φωτογραφικό εξοπλισμό. Για το σκοπό αυτό, είναι ελκυστικά καθώς απαιτούν ασήμαντη ποσότητα ενέργειας για τον έλεγχό τους και σε ορισμένες περιπτώσεις καθιστούν δυνατό τον αποκλεισμό από τον εξοπλισμό εξαρτημάτων που εκτελούν μηχανικές κινήσεις. Και όπως γνωρίζετε, τα μηχανικά συστήματα είναι συχνά τα πιο δυσκίνητα και αναξιόπιστα.

Ποια μηχανικά μέρη φιλμ και φωτογραφικού εξοπλισμού εννοείτε; Πρώτα απ 'όλα, πρόκειται για διαφράγματα, φίλτρα - εξασθενητές της ροής φωτός και, τέλος, διακόπτες της ροής φωτός στην κάμερα φιλμ, που συγχρονίζονται με την κίνηση του φιλμ και παρέχουν την έκθεσή του καρέ-καρέ.

Οι αρχές του σχεδιασμού τέτοιων στοιχείων LCD είναι σαφείς από την προηγούμενη. Ως διακόπτες και φίλτρα εξασθένησης, είναι φυσικό να χρησιμοποιούνται κύτταρα LC, στα οποία, υπό τη δράση ενός ηλεκτρικού σήματος, η μετάδοση του φωτός αλλάζει σε ολόκληρη την περιοχή τους. Για διαφράγματα χωρίς μηχανικά μέρη, ένα σύστημα κυψελών με τη μορφή ομόκεντρων δακτυλίων, που μπορεί να αλλάξει την περιοχή ενός διαφανούς παραθύρου που μεταδίδει φως υπό τη δράση ενός ηλεκτρικού σήματος. Θα πρέπει επίσης να σημειωθεί ότι οι πολυεπίπεδες δομές που περιέχουν έναν υγρό κρύσταλλο και έναν ημιαγωγό φωτογραφίας, δηλ. στοιχεία όπως ελεγχόμενες οπτικές διαφάνειες μπορούν να χρησιμοποιηθούν όχι μόνο ως δείκτες, για παράδειγμα, έκθεση, αλλά και για αυτόματη ρύθμιση διαφράγματος σε φιλμ και φωτογραφικό εξοπλισμό.

Παρά τη θεμελιώδη απλότητα των συσκευών που συζητήθηκαν, η ευρεία εισαγωγή τους στη μαζική παραγωγή εξαρτάται από μια σειρά τεχνολογικών ζητημάτων που σχετίζονται με τη διασφάλιση μεγάλης διάρκειας ζωής των στοιχείων LCD, τη λειτουργία τους σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών και, τέλος, τον ανταγωνισμό με τις παραδοσιακές και καθιερωμένες τεχνικές λύσεις κλπ.. Ωστόσο, η λύση όλων αυτών των προβλημάτων είναι μόνο θέμα χρόνου και σύντομα μάλλον θα είναι δύσκολο να φανταστεί κανείς μια τέλεια κάμερα χωρίς συσκευή LCD.

συμπέρασμα

Άρα, οι υγροί κρύσταλλοι έχουν διπλές ιδιότητες, συνδυάζοντας την ιδιότητα των υγρών (ρευστότητα) και την ιδιότητα των κρυσταλλικών σωμάτων (ανισοτροπία). Η συμπεριφορά τους δεν είναι πάντα δυνατό να περιγραφεί χρησιμοποιώντας τις συνήθεις μεθόδους και έννοιες. Αλλά ακριβώς σε αυτό βρίσκεται η ελκυστικότητά τους για τους ερευνητές που αναζητούν να γνωρίσουν το ακόμα άγνωστο.

Πρόσφατα, ανακαλύφθηκαν και μελετήθηκαν εντατικά υγρά κρυσταλλικά πολυμερή, εμφανίστηκαν σιδηροηλεκτρικά πολυμερή LC και μελετώνται ενεργά οργανοστοιχεία εύκαμπτης αλυσίδας και ενώσεις LC που περιέχουν μέταλλα που σχηματίζουν νέους τύπους μεσοφάσεων. Ο κόσμος των υγρών κρυστάλλων είναι απείρως μεγάλος και καλύπτει το ευρύτερο φάσμα φυσικών και συνθετικών αντικειμένων, προσελκύοντας την προσοχή όχι μόνο επιστημόνων - φυσικών, χημικών και βιολόγων, αλλά και πρακτικών ερευνητών που εργάζονται σε μια μεγάλη ποικιλία κλάδων της σύγχρονης τεχνολογίας (ηλεκτρονική, οπτοηλεκτρονική, πληροφορική, ολογραφία κ.λπ.).

Βιβλιογραφία

1. Shibaev V.P. Ασυνήθιστοι κρύσταλλοι ή μυστηριώδη υγρά // Soros Educational Journal. 1996. Ν11. σελ. 37-46.

2. Chandrasekhar S. Liquid crystals - M.: Mir, 1980 p. 344

3. Titov V.V., Sevostyanov V.P., Kuzmin N.G., Semenov A.M. Οθόνες υγρών κρυστάλλων: δομή, σύνθεση, ιδιότητες υγρών κρυστάλλων. - Μινσκ: Εκδοτικός Οίκος NPOOO "Microvideosystems", 1998 σελ. 238

Παρόμοια Έγγραφα

Η ιστορία της ανακάλυψης υγρών κρυστάλλων. Η ταξινόμηση, η μοριακή δομή και η δομή τους. Θερμοτροπικοί υγροί κρύσταλλοι: σμηκτικοί, νηματικοί και χοληστερικοί τύποι. Lyotropic LCD. Ανισοτροπία φυσικών ιδιοτήτων. Πώς να διαχειριστείτε τους υγρούς κρυστάλλους.

περίληψη, προστέθηκε 27/05/2010


Γενικά χαρακτηριστικά επιφανειακών φαινομένων σε υγρούς κρυστάλλους. Εξέταση των διακριτικών χαρακτηριστικών των smectic υγρών κρυστάλλων, διάφοροι βαθμοί παραγγελίας τους. Μελέτη της ανισοτροπίας των φυσικών ιδιοτήτων της μεσόφασης, ο βαθμός διάταξης.

περίληψη, προστέθηκε 10/10/2015


Στερεοί κρύσταλλοι: δομή, ανάπτυξη, ιδιότητες. «Η παρουσία τάξης» στον χωρικό προσανατολισμό των μορίων ως ιδιότητα των υγρών κρυστάλλων. Γραμμικά πολωμένο φως. Νηματικοί, σμηκτικοί και χοληστερικοί κρύσταλλοι. Γενική έννοια των σιδηροηλεκτρικών.

θητεία, προστέθηκε 17/11/2012


Υγροί κρύσταλλοι (μεσόμορφη) κατάσταση της ύλης. Διαμόρφωση νέας φάσης. Τύποι υγρών κρυστάλλων: σμεκτικοί, νηματικοί και χοληστερικοί. Θερμοτροπικοί και λυοτροπικοί υγροί κρύσταλλοι. Έργα του D. Forlender, συμβάλλοντας στη σύνθεση ενώσεων.

παρουσίαση, προστέθηκε 27/12/2010


Οι κύριοι τύποι κρυστάλλων. Φυσική και τεχνητή ανάπτυξη κρυστάλλων. Η καλλιέργεια κρυστάλλων ως φυσική και χημική διαδικασία, ο απαιτούμενος εξοπλισμός. Μέθοδοι σχηματισμού κρυστάλλων. Ανάπτυξη μονοκρυστάλλων από τήγμα, διαλύματα και φάση ατμού.

περίληψη, προστέθηκε 06/07/2013


Η μελέτη της έννοιας, των τύπων και των μεθόδων σχηματισμού κρυστάλλων - στερεών στα οποία τα άτομα διατάσσονται τακτικά, σχηματίζοντας μια τρισδιάστατη περιοδική χωρική διάταξη - ένα κρυσταλλικό πλέγμα. Σχηματισμός κρυστάλλων από τήγμα, διάλυμα, ατμό.

παρουσίαση, προστέθηκε 04/08/2012


Αιτίες και συνθήκες κρυστάλλωσης σωματιδίων υλικού. Θεωρίες για την προέλευση και την ανάπτυξη των ιδανικών κρυστάλλων στα έργα των Gibbs, Volmer, Kossel και Stranski. Περιγραφή σημειακών, γραμμικών, δισδιάστατων και ογκομετρικών ελαττωμάτων. Η ιστορία της απόκτησης τεχνητών κρυστάλλων.

περίληψη, προστέθηκε 18/11/2010


Η έννοια της δομής της ύλης και οι κύριοι παράγοντες που επηρεάζουν το σχηματισμό της. Τα κύρια χαρακτηριστικά της άμορφης και κρυσταλλικής ύλης, τύποι κρυσταλλικών δικτυωμάτων. Επίδραση του τύπου δεσμού στη δομή και τις ιδιότητες των κρυστάλλων. Ουσία ισομορφισμού και πολυμορφισμού.

δοκιμή, προστέθηκε στις 26/10/2010


Δομή νανοδομών άνθρακα. Ιστορία ανακάλυψης, γεωμετρική δομή και μέθοδοι λήψης φουλερενίων. Οι φυσικές, χημικές, προσροφητικές, οπτικές, μηχανικές και τριβολογικές τους ιδιότητες. Προοπτικές πρακτικής χρήσης φουλερενίων.

θητεία, προστέθηκε 13/11/2011


Η ιστορία της ανακάλυψης του υδρογόνου. Γενικά χαρακτηριστικά της ουσίας. Η θέση του στοιχείου στο περιοδικό σύστημα, η δομή του ατόμου του, οι χημικές και φυσικές του ιδιότητες, η ύπαρξη στη φύση. Η πρακτική χρήση του αερίου για ωφέλιμες και επιβλαβείς χρήσεις.

Οι υγροί κρύσταλλοι είναι ουσίες που βρίσκονται σε μεσόμορφη (μέση, ενδιάμεση) κατάσταση μεταξύ ισοτροπικού υγρού και στερεού κρυσταλλικού. Αυτά τα στοιχεία είναι ρευστά, ικανά να έχουν τη μορφή σταγόνων. Μαζί με την εκδήλωση αυτών των ιδιοτήτων, οι υγροί κρύσταλλοι εμφανίζουν ανισοτροπία μαγνητικών, ηλεκτρικών, οπτικών και άλλων ιδιοτήτων λόγω της τάξης στον μοριακό προσανατολισμό. Με άλλα λόγια, οι ουσίες έχουν πολυκατευθυντικά χαρακτηριστικά. Ελλείψει εξωτερικής επιρροής, η θερμική αγωγιμότητα, η ηλεκτρική αγωγιμότητα και η μαγνητική επιδεκτικότητα είναι ανισότροπες στους υγρούς κρυστάλλους.Ο διχρωμισμός και η διπλή διάθλαση σημειώνονται στις ουσίες.

Υγροί κρύσταλλοι smectic

Για πρώτη φορά βρέθηκαν σε σαπούνι (εξ ου και το όνομα - "smegma" - σαπούνι). Τα άκρα των μορίων φαίνεται να είναι σταθερά σε επίπεδα κάθετα στους διαμήκους άξονές τους. Οι Smectic υγροί κρύσταλλοι χαρακτηρίζονται από μια πολυεπίπεδη δομή. Αυτές οι ουσίες περιλαμβάνουν υδατικά διαλύματα σαπουνιών, αιθυλεστέρα αζοξυβενζοϊκού οξέος.

Τα "Smectics" θεωρούνται η πιο εκτεταμένη κατηγορία υγρών κρυστάλλων. Ορισμένες από τις ποικιλίες τους βρέθηκαν επίσης να είναι σιδηροηλεκτρικές (παρουσία αυθόρμητης πόλωσης σε ένα συγκεκριμένο εύρος θερμοκρασίας). Το υψηλό ιξώδες εμπόδισε την ευρεία εφαρμογή των smectic υγρών κρυστάλλων στην τεχνολογία.

Νηματικά

Οι νηματικοί υγροί κρύσταλλοι διαφέρουν ως προς τον προσανατολισμό των διαμήκων μοριακών αξόνων σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση. Χαρακτηρίζονται δηλαδή από προσανατολισμό μεγάλης εμβέλειας. Το όνομα των κρυστάλλων προέρχεται από τον ελληνικό ορισμό του "nema" - ένα νήμα. Οι αποκλίσεις (νημάτια) είναι ιδιαίτερα ευκίνητες και είναι ευδιάκριτες στο φυσικό φως.

Χοληστερικοί υγροί κρύσταλλοι και οι εφαρμογές τους

Η μοριακή μορφή ουσιών αυτού του τύπου είναι μια παράλληλη επιμήκης πλάκα. Τα χοληστερικά δίνουν προπυλεστέρα χοληστερόλης, κινναμιδική χοληστερίνη, άλλα παράγωγα χοληστερόλης.

Οι θερμικοί δείκτες υγρών κρυστάλλων χοληστερικού τύπου χρησιμοποιούνται ευρέως στην ιατρική και τεχνική διάγνωση. Η ευαισθησία αυτών των ουσιών στη θερμοκρασία καθιστά δυνατή την οπτικοποίηση της κατανομής της θερμοκρασίας στην επιφάνεια. Αυτό, με τη σειρά του, χρησιμοποιείται στην ενδοσκόπηση (παρατήρηση διεργασιών μέσα σε σώματα που είναι οπτικά αδιαφανή), στην ανίχνευση ορισμένων ασθενειών και επίσης σε αυτούς τους κρυστάλλους σχηματίζουν μια εικόνα θερμοκρασίας με τη μορφή χρωματικού χάρτη. Τα χοληστερικά μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν στην απεικόνιση πεδίων μικροκυμάτων. Για την παραγωγή δεικτών, χρησιμοποιείται η επίδραση της δυναμικής σκέδασης φωτός. Οι οθόνες υγρών κρυστάλλων χρησιμοποιούν φως περιβάλλοντος. Αυτό επιτρέπει σημαντική μείωση της κατανάλωσης ενέργειας. Έτσι, η ισχύς είναι μια τάξη μεγέθους χαμηλότερη από ό,τι στο φιλμ και τους φωσφόρους σε σκόνη, τις διόδους εκπομπής φωτός και τους δείκτες εκκένωσης αερίου. Τα χοληστερικά χρησιμοποιούνται στη βάση της μετατροπής στην ορατή υπέρυθρη εικόνα.

Σε έναν χοληστερικό υγρό κρύσταλλο (σε αντίθεση με έναν νηματικό), η δυναμική σκέδαση φωτός μπορεί να έχει μνήμη - η κατάσταση που διασκορπίζει το φως μπορεί να παραμείνει ακόμη και μετά την αφαίρεση του πεδίου. Ταυτόχρονα, ορισμένες ιδιότητες του χοληστερικού επηρεάζουν τη διάρκεια της κατάστασης. Έτσι, η μνήμη μπορεί να διαρκέσει από λίγα λεπτά έως αρκετά χρόνια. Μια εναλλασσόμενη τάση οδηγεί στην αρχική κατάσταση (μη διαλυόμενη) του χοληστερικού. Η καθορισμένη ιδιότητα χρησιμοποιείται για το σχηματισμό κυψελών μνήμης.

Υγροί κρύσταλλοι - γραφική απεικόνιση

Ένας υγρός κρύσταλλος είναι μια κατάσταση φάσης κατά την οποία μια ουσία έχει ταυτόχρονα και τις ιδιότητες των υγρών και τις ιδιότητες των κρυστάλλων. Δηλαδή, έχουν ρευστότητα και ταυτόχρονα χαρακτηρίζονται από ανισοτροπία - τη διαφορά στις ιδιότητες ενός δεδομένου μέσου ανάλογα με την κατεύθυνση μέσα σε αυτό (για παράδειγμα, ο δείκτης διάθλασης, η ταχύτητα του ήχου ή η θερμική αγωγιμότητα).

Οι υγροί κρύσταλλοι έχουν μια παχύρρευστη υγρή δομή που αποτελείται από μόρια σε σχήμα δίσκου. Ο προσανατολισμός αυτών των μορίων μπορεί να αλλάξει όταν αλληλεπιδρούν με ηλεκτρικά πεδία.

Το 1888, ο Αυστριακός βοτανολόγος Friedrich Reinitzer ανακάλυψε ότι ορισμένοι τύποι κρυστάλλων έχουν δύο σημεία τήξης, πράγμα που σημαίνει ότι υπάρχουν δύο διαφορετικές υγρές καταστάσεις, στη μία από τις οποίες η ουσία είναι διαφανής και στην άλλη είναι θολή.

Και παρόλο που το 1904 ο Γερμανός φυσικός Otto Lehmann παρείχε μια σειρά από επιστημονικά στοιχεία υπέρ των υγρών κρυστάλλων στο ομώνυμο βιβλίο του, οι υγροί κρύσταλλοι δεν αναγνωρίστηκαν ως ξεχωριστές καταστάσεις της ύλης για μεγάλο χρονικό διάστημα. Το 1963, ο Αμερικανός εφευρέτης James Ferguson βρήκε μια χρήση για μια από τις ιδιότητες του LC - αλλαγή χρώματος ανάλογα με τη θερμοκρασία. Ένας Αμερικανός έλαβε δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για μια εφεύρεση που μπορεί να ανιχνεύσει θερμικά πεδία αόρατα στο μάτι. Από τότε, η δημοτικότητα των υγρών κρυστάλλων άρχισε να αυξάνεται.

Ομάδες υγρών κρυστάλλων και οι ιδιότητές τους

Οι υγροί κρύσταλλοι χωρίζονται συνήθως σε δύο ομάδες:

1. Λυοτροπικά - σχηματίζονται σε μείγματα που αποτελούνται από ράβδους μόρια μιας δεδομένης ουσίας και πολικούς διαλύτες (για παράδειγμα, νερό).

Εφαρμογές Υγρών Κρυστάλλων

Οθόνες LCD

Πρώτα απ 'όλα, πρέπει να σημειωθεί όχι η πιο χρήσιμη, αλλά η πιο γνωστή εφαρμογή των LCD - οθόνες υγρών κρυστάλλων. Μερικές φορές ονομάζονται οθόνες LCD, που είναι συντομογραφία του αγγλικού "οθόνη υγρών κρυστάλλων". Στην εποχή των gadget, τέτοιες οθόνες υπάρχουν σχεδόν σε οποιαδήποτε ηλεκτρονική συσκευή: τηλεοράσεις, οθόνες υπολογιστών, ψηφιακές κάμερες, πλοηγοί, αριθμομηχανές, ηλεκτρονικά βιβλία, tablet, τηλέφωνα, ηλεκτρονικά ρολόγια, συσκευές αναπαραγωγής κ.λπ.

Η συσκευή των οθονών LCD είναι αρκετά περίπλοκη, αλλά γενικά είναι ένα σύνολο γυάλινων πλακών, μεταξύ των οποίων βρίσκονται υγροί κρύσταλλοι (LCD matrix) και πολλές πηγές φωτός. Το εικονοστοιχείο μήτρας LCD περιλαμβάνει ένα ζεύγος διαφανών ηλεκτροδίων που σας επιτρέπουν να αλλάξετε τον προσανατολισμό των μορίων υγρών κρυστάλλων, καθώς και ένα ζεύγος πολωτικών φίλτρων που προσαρμόζουν τον βαθμό διαφάνειας κ.λπ.

θερμογραφία

Μια λιγότερο δημοφιλής αλλά πιο σημαντική εφαρμογή των LCD είναι η θερμογραφία. Η θερμογραφία σας επιτρέπει να λάβετε μια θερμική εικόνα ενός αντικειμένου, ως αποτέλεσμα της καταγραφής υπέρυθρης ακτινοβολίας - θερμότητας. Συσκευές νυχτερινής όρασης με υπέρυθρες ακτίνες χρησιμοποιούνται από τους πυροσβέστες, σε περίπτωση καπνού στο δωμάτιο, για τον εντοπισμό θυμάτων πυρκαγιάς. Βρήκαν επίσης εφαρμογή στις υπηρεσίες ασφαλείας και στις στρατιωτικές υπηρεσίες.

Η θερμική απεικόνιση σάς επιτρέπει να ανιχνεύσετε καυτά σημεία, αστοχίες θερμομόνωσης ή άλλες περιοχές έκτακτης ανάγκης κατά τη συντήρηση ή την κατασκευή του ηλεκτρικού δικτύου.

Η θερμογραφία χρησιμοποιείται και στην ιατρική απεικόνιση, κυρίως για την παρατήρηση των μαστικών αδένων. Αυτό σας επιτρέπει να ανιχνεύσετε διάφορες ογκολογικές ασθένειες, όπως ο καρκίνος του μαστού.

Ηλεκτρονικοί δείκτες

Οι ηλεκτρονικοί δείκτες που δημιουργούνται με χρήση υγρών κρυστάλλων αντιδρούν σε διάφορες θερμοκρασίες, με αποτέλεσμα να μπορούν να ενημερώνουν για βλάβες και παραβιάσεις στα ηλεκτρονικά. Για παράδειγμα, το LC με τη μορφή φιλμ εφαρμόζεται σε πλακέτες τυπωμένων κυκλωμάτων και ολοκληρωμένα κυκλώματα, καθώς και σε τρανζίστορ. Τα ελαττωματικά τμήματα ηλεκτρονικών είναι εύκολο να διακριθούν με αυτόν τον δείκτη.

Επιπλέον, οι δείκτες LCD που βρίσκονται στο δέρμα του ασθενούς καθιστούν δυνατό τον εντοπισμό φλεγμονών και όγκων στον άνθρωπο.

Οι δείκτες υγρών κρυστάλλων χρησιμοποιούνται επίσης για την ανίχνευση ατμών διαφόρων επιβλαβών χημικών ενώσεων, καθώς και για την ανίχνευση υπεριώδους ακτινοβολίας και ακτινοβολίας γάμμα. Τα LC χρησιμοποιούνται για την ανάπτυξη ανιχνευτών υπερήχων και μετρητών πίεσης.

Εκτός από την άμεση εφαρμογή των LC στις περιοχές που αναφέρονται παραπάνω, θα πρέπει να σημειωθεί ότι οι υγροί κρύσταλλοι είναι από πολλές απόψεις παρόμοιοι με ορισμένες κυτταρικές δομές και μερικές φορές υπάρχουν σε αυτές. Λόγω των διηλεκτρικών τους ιδιοτήτων, οι υγροί κρύσταλλοι ρυθμίζουν τις σχέσεις μέσα στο κύτταρο, μεταξύ κυττάρων και ιστών και μεταξύ του κυττάρου και του περιβάλλοντος. Έτσι, η μελέτη της φύσης και της συμπεριφοράς των υγρών κρυστάλλων μπορεί να συμβάλει στη μοριακή βιολογία.

St. in (οπτικό, ηλεκτρικό, μαγνητικό κ.λπ.) απουσία τρισδιάστατης τάξης μεγάλης εμβέλειας στη διάταξη των σωματιδίων ( , ). Επομένως, υγρός κρύσταλλος η κατάσταση ονομάζεται συχνά επίσης μεσομορφική (μεσόφαση). Το διάστημα θερμοκρασίας για την ύπαρξη υγρού περιορίζεται σε ένα στερεό και τα λεγόμενα. t-swarm της φώτισης, με ένα σμήνος υγρών κρυστάλλων. τα θολά δείγματα γίνονται διαφανή λόγω της μεσόφασης και της μετατροπής της σε ισότροπη. υγρό κρύσταλλο συν. έχουν σχήμα ράβδου ή δισκοειδούς και τείνουν να εντοπίζονται κατά κύριο λόγο. παράλληλα μεταξύ τους. Τ. ναζ. θερμοτροπικά υγρά σχηματίζονται κατά τη διάρκεια της θερμικής. αντίκτυπο στο in-in. Τέτοια υγρά σχηματίζουν, για παράδειγμα, αρωματικά παράγωγα. Κοιν. που περιέχει εναλλασσόμενες γραμμικές και κυκλικές. ομάδες (δακτύλιοι βενζολίου). οθόνη υγρού κρυστάλλου η φάση σχηματίζεται πιο συχνά εάν οι υποκαταστάτες στο βρίσκονται στη θέση παρα. Ένας μεγάλος αριθμός θερμοτροπικών υγρών κρυστάλλων. συν. μ. β. αντιπροσωπεύεται από τον γενικό τύπο:

X συνήθως -CH=N-, - CH 2 -CH 2 -, - HC \u003d CH-,, -C (O) -NH-. Τελικές ομάδες Y και Z m. ομάδες αλκυλίου και αλκοξυλίου, κυανο-, νιτρο-, κ.λπ. Παραδείγματα μερικών υγρών δίδονται στον πίνακα. Συχνά άκαμπτα θραύσματα, για παράδειγμα, κυκλικά. ομαδοποιήσεις που καθορίζουν την ύπαρξη της μεσόφασης, που ονομάζονται. «μεσογονική». Η παρουσία κλαδιών μέσα οδηγεί σε στένωση του διαστήματος θερμοκρασίας για την ύπαρξη της μεσόφασης.

Κ - στερεό κρυσταλλικό. κατάσταση, Ι - ισοτροπικά (), Ν - νηματικά, S(S A , S B , S F - smectics, D - δισκοτικά, Ch - χοληστερικά. Τα λυοτροπικά υγρά σχηματίζονται με ορισμένες ουσίες σε ορισμένους διαλύτες. Για παράδειγμα, υδατικά διαλύματα κ.λπ. σχηματίζουν υγρό σε ορισμένο διάστημα και t-r. Οι δομικές μονάδες των λυοτροπικών υγρών είναι υπερμοριακούς σχηματισμούς που αποσυντίθενται. τύπους, που κατανέμονται στο μέσο p-διαλύτης και έχουν ένα κυλινδρικό., σφαιρικό. ή άλλης μορφής. Ανάλογα με τη φύση της θέσης του σχήματος ράβδου, υπάρχουν τρεις κύριες. υγροί τύποι - σμηκτικός, νηματικός και χοληστερικός. Στη σμηκτική υγρό (ονομάζονται smectics, που συμβολίζονται με S) βρίσκονται σε στρώματα. Τα κέντρα βάρους των επιμήκων είναι σε ίσα απέχοντα επίπεδα και είναι κινητά σε δύο διαστάσεις (στο σμηκτικό επίπεδο). Οι μακρύι άξονες μπορούν να βρίσκονται είτε κάθετα στο σμηκτικό επίπεδο. στρώμα (ορθογώνια smectics, Σχ. 1, a), και σε μια ορισμένη γωνία προς το στρώμα (λοξή smectics, Σχ. 1, β).


Ρύζι. 1. Δομή σμεκτικού (α και β) και νηματικού (γ) υγρού (α - ορθογώνια, β - λοξή διάταξη).

Επιπλέον, είναι δυνατό διατεταγμένη και μη τακτοποιημένη διάταξη στα ίδια τα στρώματα. Όλα αυτά καθορίζουν την πιθανότητα αποσύνθεσης της εκπαίδευσης. πολυμορφικές τροποποιήσεις. Γνωστός στον Στ. μια ντουζίνα πολυμορφική σμηκτική. τροποποιήσεις που υποδηλώνονται με λατινικά γράμματα, smectics A, B, C, κ.λπ. (ή S A, S B, S C, κ.λπ.). Ο σχηματισμός σμηκτικού φάσεις χαρακτηριστικές του υγρού κρυστάλλου. Το Comm., to-rykh περιέχουν μακριές τερματικές αλκυλικές ή αλκοξυ ομάδες Υ και Ζ με τον αριθμό/ 4-6. Νηματικός υγρά (νηματικά Ν) χαρακτηρίζονται από την παρουσία προσανατολιστικής τάξης, με τους μακρούς άξονες Krom να βρίσκονται μονόδρομα με μια τυχαία διάταξη των κέντρων βάρους (Εικ. 1, γ). Νηματικός τύπος ενώσεων υγρής μορφής, στις οποίες υπάρχουν μικρές αλκυλικές ή αλκοξυ ομάδες (αριθμός[ 3).

Ρύζι. 2. Δομή των χοληστερικών υγρών. η διακεκομμένη γραμμή δείχνει το βήμα. τα βέλη δείχνουν την κατεύθυνση των μακριών αξόνων.

Χοληστερικό ο τύπος της μεσόφασης (Chol cholesterics) σχηματίζεται από δύο ομάδες ενώσεων: οπτικά ενεργά παράγωγα, κεφ. αρ. (εξ ου και το όνομα), και οι μη στεροειδείς ενώσεις που ανήκουν στις ίδιες κατηγορίες ενώσεων, το to-rye σχηματίζουν νηματικές. υγρό, αλλά κατέχον (αλκυλ-, αλκοξυ-, ακυλοξυ-υποκατεστημένες αζωμεθίνες, παράγωγα κανέλας to-you, αζω- κ.λπ.). Στο χοληστερικό Τα υγρά βρίσκονται με τον ίδιο τρόπο όπως στα νηματικά, αλλά σε κάθε στρώμα περιστρέφονται σε σχέση με τη θέση τους στο παρακείμενο στρώμα κατά μια ορισμένη γωνία. Συνολικά, υλοποιείται μια δομή που περιγράφεται από μια έλικα (Εικ. 2). Το V-va με σχήμα δίσκου (disco D) μπορεί να σχηματίσει υγρό, στο οποίο συσκευάζονται σε στήλες (υπάρχει σειρά μεγάλης εμβέλειας στον προσανατολισμό των επιπέδων σε σχήμα δίσκου) ή διατάσσονται με τον ίδιο τρόπο όπως στα νηματικά (εκεί δεν είναι σειρά μεγάλης εμβέλειας) (Εικ. 3, α και β). Η ιδιόμορφη δομή του υγρού κρυστάλλου. Η Comm., παρέχοντας έναν συνδυασμό τακτικότητας στη διάταξη με την υψηλή κινητικότητά τους, ορίζει ένα ευρύ φάσμα πρακτικών. χρήση υγρού. Κατεύθυνση παροχών. Ο προσανατολισμός, που χαρακτηρίζεται από μια αξονική μονάδα ή σκηνοθέτη, μπορεί εύκολα να αλλάξει υπό την επίδραση της αποσυμπίεσης. εσωτ. παράγοντες - t-ry, γούνα. τάση, ηλεκτρική τάση. και μεγ. χωράφια.

Ρύζι. 3. Δομή δισκοτικών υγρών: α - φάση στήλης. β - νηματική φάση.

Η άμεση αιτία του προσανατολισμού ή του επαναπροσανατολισμού του διευθυντή - ιξωδοελαστικό, οπτικό, ηλεκτρικό. ή μεγ. Αγία Τετάρτη. Με τη σειρά του, αλλάζουν τα οφέλη. ο προσανατολισμός προκαλεί αλλαγή στα οπτικά, ηλεκτρικά. και άλλα Αγ. σε υγρό, δηλ. δημιουργεί τη δυνατότητα ελέγχου αυτών των Αγίων σας μέσω σχετικά αδύναμων εξωτερικών. επιπτώσεις, και σας επιτρέπει επίσης να καταγράψετε αυτές τις επιπτώσεις. Ηλεκτρο-οπτική Άγιος νηματικός. υγρά χρησιμοποιούνται ευρέως σε συστήματα επεξεργασίας και εμφάνισης πληροφοριών, σε αλφαριθμητικά (ηλεκτρονικά ρολόγια, αριθμομηχανές, οθόνες κ.λπ.), οπτικά. πύλες και άλλες συσκευές φωτοβαλβίδας. Τα πλεονεκτήματα αυτών των συσκευών είναι η χαμηλή κατανάλωση ενέργειας (της τάξης των 0,1 mW / cm 2), η χαμηλή τάση τροφοδοσίας (αρκετά V), η οποία καθιστά δυνατό, για παράδειγμα, το συνδυασμό υγρών κρυστάλλων. οθόνες με ολοκληρωμένα κυκλώματα και έτσι διασφαλίζουν τη σμίκρυνση των συσκευών ενδείξεων (επίπεδες οθόνες τηλεόρασης). Η σπειροειδής δομή των χοληστερικών καθορίζει την υψηλή οπτική τους. (οι άκρες είναι αρκετές τάξεις μεγέθους υψηλότερες από αυτές των συμβατικών οργανικών και στερεών) και την ικανότητα επιλεκτικής ανάκλασης κυκλικά πολωμένου φωτός στο ορατό, IR και UV εύρος. Κατά την αλλαγή του t-ry, η σύνθεση του περιβάλλοντος, η ένταση του ηλεκτρομαγνήτη. το πεδίο αλλάζει τον τόνο, το οποίο συνοδεύεται από αλλαγή στο οπτικό. sv-in, συγκεκριμένα χρώματα. Αυτό σας επιτρέπει να μετρήσετε τη θερμοκρασία του σώματος αλλάζοντας το χρώμα του υγρού