Čvrste otopine i tekući kristali. Tekući kristali u tehnologiji

Tekući kristali nazivaju se anizotropne tekućine, koje se sastoje od molekula koje održavaju određeni poredak u svom međusobnom rasporedu. (Anizotropija je ovisnost fizikalnih svojstava tvari o smjeru.) Na primjer, atomi u molekulama mogu biti smješteni duž određene osi, a takve izdužene molekule usmjerene su u tekućem kristalu, kao iu čvrstom kristalu, duž posebne osi. smjer. Posebni pravci u tekućim i čvrstim kristalima nazivaju se optičkim osima, budući da je njihovo postojanje povezano s izvanrednim optičkim svojstvima tih materijala (dvolom, rotacija ravnine polarizacije svjetlosti itd.). Za razliku od čvrstih kristala, gdje su optičke osi kruto fiksirane, u tekućim kristalima smjer optičkih osi može se lako mijenjati pomoću električnog polja. Za kontrolu optičkih svojstava tekućih kristala potrebni su vrlo niski naponi.

Električni dipol nastaje duž duge osi puno lakše nego duž kratke osi, tj. drugim riječima, elektronski oblak se lako pomiče u odnosu na pozitivnu jezgru duž molekule, a teško preko nje. Tako nastaje par sila, stvarajući zakretni moment, koji okreće molekulu tako da je njezina duža os usmjerena duž polja E.

Kad bi se tekući kristalni medij protezao neograničeno u svim smjerovima, tada bi optička os bila rotirana proizvoljno slabim poljem. U stvarnosti, sloj tekućeg kristala ima konačnu debljinu (oko 0,01 mm) i relativno krutu orijentaciju molekula na čvrstoj površini koja definira sloj. Stoga otklonsko djelovanje polja dolazi u sukob sa stabilizirajućim djelovanjem elastičnih sila. Zapravo, odstupanje optičke osi u sloju tekućeg kristala počinje kada okretni moment električnih sila postane veći od povratnog momenta elastičnih sila. Postoji određeni prag potencijalne razlike (oko 1 V), iznad kojeg je već lako kontrolirati optičku os u raznim indikatorima tekućih kristala.

To je zbog činjenice da su sve molekule tekućeg kristala međusobno povezane i usmjerene na isti način, te je dovoljno zarotirati jednu od njih da cijela skupina molekula promijeni svoju orijentaciju.

Upadnu svjetlost polarizira gornji polarizator, prolazi kroz staklenu ploču i ulazi u sloj tekućeg kristala. Ako je električni krug otvoren, kao na putu lijevog snopa svjetlosti, tada je na ovom mjestu očuvana spiralna orijentacija optičke osi. Stoga, dok lijevi snop svjetlosti prolazi, njegova polarizacija rotira u skladu s rotacijom optičke osi. Na izlazu iz sloja i donje staklene ploče ta će rotacija biti 90°, a polarizacija svjetlosti koincidira s osi donjeg polarizatora. Kao rezultat toga, lijeva zraka prolazi kroz polarizator, odbija se od zrcala i putuje cijelim putem u suprotnom smjeru. Ovaj dio indikatora promatraču izgleda svijetlo.

Na susjednom desnom dijelu indikatora, snop svjetlosti prolazi u trenutku kada je strujni krug zatvoren na broj 8. Polarizirano svjetlo, udarajući u sloj tekućeg kristala, susrest će se ovdje s vertikalno orijentiranom optičkom osi. Tako električno polje rotira molekule koje su dobro polarizirane duž duge osi. Dakle, svjetlost će proći kroz sloj ispod segmenta broja 8 bez promjene svoje polarizacije, a dočekat će je donji polarizator čija je os okomita na polarizaciju svjetlosti. Posljedično, ovaj snop svjetlosti neće doći do ogledala, jer će se usput apsorbirati i neće se vratiti do promatrača - broj 8 će izgledati taman na svijetloj pozadini.

Tako su raspoređeni alfanumerički pokazatelji u kalkulatorima, elektroničkim translatorima, ljestvicama mjernih instrumenata i skalama za ugađanje, raznim semaforima itd. Zasloni (zasloni) s tekućim kristalima s velikim brojem segmenata - elektroda i složenim elektroničkim upravljačkim sklopom služe kao televizijski ekrani, pretvarači slike (uređaji za noćno gledanje), sredstva za upravljanje svjetlosnim snopom u brzim elektroničkim računalima.

Neke tvari u stanju tekućeg kristala mogu se međusobno miješati i formirati tekuće kristale različitih struktura i svojstava. Time se širi raspon njihove uporabe u tehnologiji.

NASTAVNI RAD

tekući kristali. Njihova tehnološka primjenaenie

Uvod

Neobična kombinacija riječi "tekući kristali" vjerojatno je već poznata mnogima, iako ne može svatko zamisliti što se krije iza ovog čudnog i naizgled kontradiktornog koncepta. Ove nevjerojatne tvari uspješno kombiniraju anizotropna svojstva kristala i svojstva tečenja tekućina.

Istodobno, vjerojatno svaka druga osoba sa sobom nosi indikatore s tekućim kristalima (LC) i nekoliko desetaka puta dnevno gleda na elektronički sat. LCD - čiji brojčanik točno broji sate, minute, sekunde, a ponekad i djeliće sekunde. Upravo su LCD indikatori osnova modernih kalkulatora, prijenosnih računala, minijaturnih televizora s ravnim ekranom, rječnika prevoditelja, pagera i mnogih drugih suvremenih elektroničkih tehničkih i kućanskih uređaja i uređaja.

Globalna proizvodnja LCD-a i zaslona broji se u milijardama i predviđa se daljnji porast. Već sada se bez pretjerivanja može reći da su napredak i razvoj niza grana znanosti i tehnologije nezamislivi bez razvoja istraživanja na području tekućih kristala. Ništa manje zanimljivi nisu tekući kristali s gledišta biologije i životnih procesa. Funkcioniranje staničnih membrana i DNK, prijenos živčanih impulsa, rad mišića, stvaranje aterosklerotskih plakova - ovo je daleko od potpune liste procesa koji se odvijaju u LC fazi, sa značajkama svojstvenim ovoj fazi - tendencija samoorganizacija i održavanje visoke molekularne pokretljivosti.

1. Vrste i svojstva tekućih kristala

1.1 Povijest otkrića tekućih kristala

Prošlo je više od 100 godina od otkrića tekućih kristala. Prvi ih je otkrio austrijski botaničar Friedrich Reinitzer, promatrajući dvije točke tališta estera kolesterola, kolesteril benzoata (slika 1).

Na temperaturi taljenja (T pl), 145 0 C, kristalna tvar se pretvorila u mutnu tekućinu koja jako raspršuje svjetlost. Uz kontinuirano zagrijavanje, nakon postizanja temperature od 179 °C, tekućina postaje bistra (clear point (T pr)), tj. počinje se ponašati optički kao obična tekućina, poput vode. Neočekivana svojstva kolesteril benzoata pronađena su u mutnoj fazi. Ispitujući ovu fazu pod polarizirajućim mikroskopom, Reinitzer je otkrio da ima dvolom. To znači da je indeks loma svjetlosti, tj. brzina svjetlosti u ovoj fazi ovisi o polarizaciji.

Fenomen dvoloma je tipičan kristalni efekt, koji se sastoji u činjenici da brzina svjetlosti u kristalu ovisi o orijentaciji ravnine polarizacije svjetlosti. Značajno je da ona postiže ekstremne maksimalne i minimalne vrijednosti za dvije međusobno ortogonalne orijentacije ravnine polarizacije. Naravno, polarizacijske orijentacije koje odgovaraju ekstremnim vrijednostima brzine svjetlosti u kristalu određene su anizotropijom svojstava kristala i jedinstveno su određene orijentacijom kristalnih osi u odnosu na smjer svjetlosti razmnožavanje.

Dakle, ono što je rečeno objašnjava da postojanje dvoloma u tekućini, koja mora biti izotropna, tj. da bi njegova svojstva trebala biti neovisna o smjeru činilo se paradoksalnim. Najvjerojatnije u to vrijeme moglo se činiti prisustvo u mutnoj fazi neotopljenih malih čestica kristala, kristalita, koji su bili izvor dvoloma. Međutim, detaljnija istraživanja, u koja je Reinitzer uključio poznatog njemačkog fizičara Otta Lehmanna, pokazala su da mutna faza nije dvofazni sustav, već je anizotropan. Budući da su svojstva anizotropije svojstvena čvrstom kristalu, a tvar u mutnoj fazi bila je tekuća, Lehman ju je nazvao tekućim kristalom.

Od tada su tvari koje su sposobne istodobno kombinirati svojstva tekućina (tekućina, sposobnost stvaranja kapljica) i svojstva kristalnih tijela (anizotropija) u određenom temperaturnom području iznad tališta postale poznate kao tekući kristali ili tekući kristali. LC tvari se često nazivaju mezomorfnim, a LC faza koju one formiraju naziva se mezofaza. Takvo stanje je termodinamički stabilno fazno stanje i s pravom se, uz kruto, tekuće i plinovito, može smatrati četvrtim agregatnim stanjem.

Međutim, razumijevanje prirode LC - stanja tvari, uspostavljanje i proučavanje njihove strukturne organizacije dolazi mnogo kasnije. Ozbiljno nepovjerenje u samu činjenicu postojanja takvih neobičnih spojeva u 20-30-im godinama prošlog stoljeća zamijenjeno je njihovim aktivnim istraživanjem. Rad D. Vorlendera u Njemačkoj uvelike je pridonio sintezi novih LC spojeva. Dovoljno je reći da je pod njegovim vodstvom izrađeno 85 disertacija o tekućim kristalima. U dvadesetim godinama Friedel je predložio da se svi tekući kristali podijele u tri velike skupine. Friedel je grupe tekućih kristala nazvao:

1. nematski

2. smektik

3. kolesterol

Također je predložio opći naziv za tekuće kristale - "mezomorfna faza". Ovaj pojam dolazi od grčke riječi "mesos" (srednje), a uvodeći ga, Friedel je želio naglasiti da tekući kristali zauzimaju međupoložaj između pravih kristala i tekućina i po temperaturi i po svojim fizičkim svojstvima.

Tada su Nizozemac S. Oseen i Čeh H. Zocher stvorili teoriju elastičnosti, ruski znanstvenici V.K. Frederiks i V.N. Tsvetkov u SSSR-u 1930-ih je prvi put istraživao ponašanje tekućih kristala u električnim i magnetskim poljima. Međutim, sve do 1960-ih proučavanje tekućih kristala nije bilo od značajnog praktičnog interesa, a sva su znanstvena istraživanja imala prilično ograničen, čisto akademski interes.

Situacija se dramatično promijenila sredinom 1960-ih, kada su zbog brzog razvoja mikroelektronike i mikrominijaturizacije uređaja bile potrebne tvari koje mogu reflektirati i prenositi informacije uz minimalnu potrošnju energije. I tu su u pomoć priskočili tekući kristali, čija je dvojna priroda (anizotropija svojstava i visoka molekularna pokretljivost) omogućila stvaranje brzih i ekonomičnih LCD indikatora kontroliranih vanjskim električnim poljem, koji su u biti glavni element višemilijunska "armija" satova, kalkulatora, televizora s ravnim ekranom itd.

Procvat tekućih kristala potaknuo je pak aktivnu znanstvenu djelatnost, sazivali su se međunarodni simpoziji i konferencije o tekućim kristalima, organizirale su se škole za mlade znanstvenike, izdavali zbornici i monografije.

Kakvi su to neobični kristali i koja su ih posebna svojstva učinila danas gotovo nezamjenjivima?

1.2 Molekulska struktura i struktura tekućih kristala

Sada je poznato oko sto tisuća organskih tvari koje mogu biti u LC stanju, a broj takvih spojeva stalno raste. Ako su prva desetljeća nakon otkrića tekućih kristala glavni predstavnici ovih spojeva bile samo tvari koje se sastoje od asimetričnih štapićastih molekula, tzv. kalamiti (od grčkog "calamis" - trska), kasnije je utvrđeno da širok izbor tvari koje imaju molekule složenijeg oblika (diskovi, ploče itd.). Molekule LC spojeva vrlo se često nazivaju mezogenima, a skupine ili fragmenti molekula koji doprinose stvaranju LC faze nazivaju se mezogene skupine. Na slici 1a prikazani su primjeri štapićastih mezogena - kalomitika, kao i kemijske formule mezogena u obliku diska (diskota) i mezogena u obliku daske (sanidiki) (od grčkog "sanidis" - daska).

Kao što se može vidjeti na slici 1a, najčešće mezogene skupine su benzenski prstenovi povezani izravno jedni s drugima uz pomoć različitih kemijskih skupina (-CH=CH-, -CH=N-, -NH-CO, itd.). Karakteristična značajka svih LC spojeva je asimetrični maleku oblik, koji osigurava anizotropiju polarizabilnosti i tendenciju da molekule budu pretežno međusobno paralelne duž svoje duge (calamitika i sanidiki) i kratke (diskotične) osi.

1.3 Termotropni tekući kristali

Ovisno o prirodi rasporeda molekula, prema klasifikaciji koju je predložio Friedel, razlikuju se tri glavne vrste struktura LC spojeva: smektička, nematička i kolesterična. Navedene vrste struktura odnose se na takozvane termotropne tekuće kristale, čije se formiranje odvija samo toplinskim djelovanjem na tvar (grijanje ili hlađenje). Na sl. Na slici 2 prikazan je raspored štapićastih i diskolikih molekula u tri navedene strukturne modifikacije tekućih kristala.

Pravim kristalnim tijelima najbliži je smektički tip tekućih kristala (smektika - od grčke riječi "smegma" - sapun). Molekule su raspoređene u slojeve, a njihova su težišta pokretna u dvije dimenzije (na smektičkoj ravnini). U tom slučaju, duge osi molekula u svakom sloju mogu biti smještene i okomito na ravninu sloja (ortogonalni smektici) i pod određenim kutom (kosi smektici). Smjer pretežnog usmjerenja molekularnih osi obično se naziva direktor, koji se obično označava vektorom n (slika 2a).

Nematička vrsta tekućih kristala (nematika od grčke riječi "nema" - nit) karakterizirana je prisutnošću samo jednodimenzionalnog orijentacijskog reda dugih (kalamitskih) ili kratkih (diskotičnih) osi molekula (sl. 2 b i d, odnosno). U ovom slučaju, težišta molekula su nasumično smještena u prostoru, što ukazuje na nepostojanje translatornog reda.

Najsloženiji tip uređenja molekula tekućeg kristala je kolesterički (kolesterici), formiran od kiralnih (optički aktivnih) molekula koje sadrže asimetrični ugljikov atom. To znači da su takve molekule zrcalno asimetrične, za razliku od zrcalno simetričnih molekula nematika. Kolesterična mezofaza je prvi put primijećena za derivate kolesterola, otuda i njezin naziv. Kolesterici su u mnogočemu slični nematicima, u kojima je ostvaren jednodimenzionalni orijentacijski poredak; također nastaju dodavanjem malih količina kiralnih spojeva (1-2 mol.%) nematicima. Kao što se može vidjeti sa sl. 2c, u ovom slučaju se dodatno ostvaruje spiralno uvijanje molekula, a vrlo često se kolesterik naziva upleteni nematik.

Periodična spiralna struktura kolesterika određuje njihovu jedinstvenu značajku - sposobnost selektivne refleksije upadne svjetlosti, "radeći" u ovom slučaju kao difrakcijska rešetka. Pri fiksnom kutu refleksije, uvjeti interferencije su zadovoljeni samo za zrake iste boje, a kolesterički sloj (ili film) izgleda kao da je obojen u jednu boju. Ova boja određena je korakom spirale P, koji je, pri normalnom kutu upadanja svjetlosti, jednostavno povezan s maksimalnom valnom duljinom reflektirane svjetlosti max:

P = max / n, (1)

gdje je n indeks loma kolesteričnog. Ovaj učinak selektivne refleksije svjetlosti određene valne duljine od kolesterskog filma naziva se selektivna refleksija. Ovisno o koraku spirale, koji je određen kemijskom prirodom kolesterika, najveća valna duljina reflektirane svjetlosti može se nalaziti u vidljivom, kao iu IR i UV području spektra, određujući široka područja uporabe. optičkih svojstava kolesterika.

Bilo koja od tri vrste mezofaza obično se smatra kontinuiranim anizotropnim medijem, gdje su u malim mikrovolumenima (često zvanim rojevi ili domene), koji se sastoje, u pravilu, od 10 4 -10 5 molekula, molekule usmjerene paralelno jedna prema drugoj .

Razmotrimo sada makroskopsku strukturu tekućih kristala, koja se najčešće naziva teksturom, pod kojom se podrazumijeva ukupnost strukturnih detalja uzorka tekućeg kristala postavljenog između dva stakla i pregledanog optičkim polarizacijskim mikroskopom. Svaki tip tekućeg kristala spontano formira svoje karakteristične teksture, po kojima ih se često može prepoznati. Teksture tekućih kristala u pravilu su toliko "fotogenične" da njihove prekrasne fotomikrografije često smetaju na naslovnicama znanstvenih časopisa i popularno-znanstvenih izdanja.

Nematičke tekuće kristale karakterizira tzv. schlieren tekstura (slika 3a), koja je sustav tankih nitastih linija i točaka s nitastim crnim "repovima". Te se linije nazivaju disklinacijama (od grčkog "kline" - nagib). Oni predstavljaju mjesta oštre promjene smjera orijentacije dugih osi molekula. Karakteristična tekstura smektika je lepezasta tekstura, koja u mnogočemu podsjeća na kristale običnih krutina (sl. 3b), što naglašava najveću sličnost u strukturnoj organizaciji dvodimenzionalno uređenih smektika i trodimenzionalno uređenih kristala. Neorijentirani kolesterici tvore konfokalnu teksturu, koja se sastoji od odvojenih i međusobno povezanih složenih formacija koje se nazivaju konfokalne domene (slika 3c).

Važno je napomenuti da su sve razmatrane teksture izrazito labilne i lako podliježu strukturnim preustrojima pod djelovanjem malih vanjskih utjecaja (mehanička naprezanja, električna polja, temperatura itd.).

1.4 Liotropni tekući kristali

Za razliku od termotropnih tekućih kristala, liotropni tekući kristali nastaju otapanjem niza amfifilnih spojeva u određenim otapalima i u pravilu imaju složeniju strukturu od termotropnih tekućih kristala. Amfifilni spojevi sastoje se od molekula koje sadrže hidrofilne i hidrofobne skupine. Takvi spojevi su široko rasprostranjeni u prirodi. Tako je, na primjer, svaka masna kiselina amfifilna. Njegove se molekule sastoje od dva dijela: polarne "glave" (COOH skupina) i ugljikovodičnog "repa" [CH 3 (CH 2) n -]. Takvi spojevi otopljeni u vodi obično tvore micelarne otopine kod kojih polarne glave strše u dodiru s vodom, a ugljikovodični repovi u međusobnom dodiru gledaju prema unutra. Takve micele (slika 4, a) su strukturni elementi od kojih se grade liotropni tekući kristali, tvoreći, na primjer, cilindrične ili lamelarne oblike (slika 4, b, c).

Za razliku od termotropnih tekućih kristala, gdje je stvaranje određene vrste mezofaze određeno samo temperaturom, u liotropnim sustavima tip strukturne organizacije već je određen s dva parametra: koncentracijom tvari i temperaturom. Liotropne tekuće kristale najčešće stvaraju biološki sustavi koji djeluju u vodenom mediju. Upravo u tim sustavima jedinstvene značajke tekućih kristala, kombinirajući labilnost s visokom sklonošću samoorganizaciji, očituju se u najupečatljivijem obliku. Ograničili smo se na samo jedan primjer, koji se odnosi na stanice i unutarstanične organele prekrivene tankim, visoko uređenim ljuskama - membranama. Suvremena strukturna istraživanja pokazuju da su membrane tipične liotropne lamelarne labilne LC strukture, sastavljene od dvostrukog sloja fosfolipida, u kojem su “otopljeni” proteini, polisaharili, kolesterol i druge vitalne komponente (slika 4d). Takva anizotropna struktura membrane, s jedne strane, omogućuje zaštitu njezinog unutarnjeg dijela od nepoželjnih vanjskih utjecaja, as druge strane, njezina “tekuća” priroda osigurava visoka transportna svojstva (propusnost, transport iona, itd.) , što daje stanici odlučujuću ulogu u procesima vitalne aktivnosti.

1.5 Anizotropija fizikalnih svojstava - glavna značajka tekućih kristala

Budući da je glavna strukturna značajka tekućih kristala prisutnost orijentacijskog reda zbog anizotropnog oblika molekula, prirodno je da su sva njihova svojstva na ovaj ili onaj način određena stupnjem orijentacijskog uređenja. Kvantitativno, stupanj uređenosti tekućeg kristala određen je parametrom reda S koji je uveo V.I. Tsvetkov u 40-ima:

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

gdje je kut između osi pojedine molekule tekućeg kristala i prevladavajućeg smjera cijelog ansambla, određen usmjerivačem n (slika 2) (kutne zagrade znače usrednjavanje po svim orijentacijama molekula). Lako je razumjeti da je u potpuno nesređenoj izotropnoj tekućoj fazi S = 0, au potpuno čvrstom kristalu S = 1. Parametar reda tekućeg kristala kreće se od 0 do 1. Postojanje orijentacijskog reda određuje anizotropija svih fizikalnih svojstava tekućih kristala. Dakle, anizotropni oblik kalamitskih molekula određuje pojavu birefrencije (n) i dielektrične anizotropije (), čije se vrijednosti mogu izraziti na sljedeći način:

n = n - n i = - (3)

gdje su n, n i, indeksi loma odnosno dielektrične konstante, izmjereni pri paralelnim i okomitim orijentacijama dugih osi molekula u odnosu na usmjerivač. Vrijednosti n za LC spojeve obično su vrlo velike i uvelike variraju ovisno o njihovoj kemijskoj strukturi, ponekad dosežući vrijednosti reda veličine 0,3-0,4. Veličina i predznak ovise o odnosu između anizotropije polarizabilnosti molekule, vrijednosti trajnog dipolnog momenta, kao i o kutu između smjera dipolnog momenta i duge osi molekule. Primjeri dva LC spoja karakterizirana pozitivnom i negativnom vrijednošću prikazani su u nastavku:

Zagrijavanje tekućeg kristala, snižavanje njegovog orijentacijskog reda, popraćeno je monotonim smanjenjem vrijednosti n i, tako da na mjestu gdje LC faza nestaje na Tp, anizotropija svojstava potpuno nestaje.

Istodobno, anizotropija svih fizičkih karakteristika tekućeg kristala, u kombinaciji s niskom viskoznošću ovih spojeva, omogućuje jednostavno i učinkovito usmjeravanje (i preorijentiranje) njihovih molekula pod djelovanjem malih "ometajućih" ” čimbenici (električna i magnetska polja, mehanička naprezanja), značajno mijenjajući njihovu strukturu i svojstva. Zbog toga su se tekući kristali pokazali nezaobilaznim elektrooptički aktivnim medijima, na temelju kojih je nastala nova generacija tzv. LCD indikatora.

2. Tehnološka metodologija

2.1 Metode kontrole tekućih kristala

kontrola kristalne molekularne tekućine

Osnova bilo kojeg LCD indikatora je takozvana elektrooptička ćelija, čiji je uređaj prikazan na Sl. 5. Dvije ravne staklene ploče presvučene prozirnim vodljivim slojem kositrenog oksida ili indijevog oksida, koje djeluju kao elektrode, odvojene su tankim odstojnicima od nevodljivog materijala (polietilen, teflon). Rezultirajući razmak između ploča, koji se kreće od 5 do 50 mikrona (ovisno o namjeni ćelije), popunjava se tekućim kristalom, a cijela "sendvič" struktura po obodu se "brtvi" brtvilom ili drugim izolacijskim materijalom. (slika 5). Tako dobivena ćelija može se postaviti između dva vrlo tanka filma polarizatora čije ravnine polarizacije tvore određeni kut, kako bi se promatrali učinci orijentacije molekula pod djelovanjem električnog polja. Primjena čak i malog električnog napona (1,5-3 V) na tanki LC sloj zbog relativno niske viskoznosti i unutarnjeg trenja anizotropne tekućine dovodi do promjene orijentacije tekućeg kristala. Ovdje je važno naglasiti da električno polje ne djeluje na pojedinačne molekule, već na usmjerene skupine molekula (rojeve ili domene) koje se sastoje od desetaka tisuća molekula, zbog čega energija elektrostatskog međudjelovanja znatno premašuje energiju toplinskog gibanja molekula. Kao rezultat toga, tekući kristal nastoji rotirati na takav način da se smjer maksimalne dielektrične konstante podudara sa smjerom električnog polja. A zbog velike vrijednosti dvoloma n, proces orijentacije dovodi do oštre promjene strukture i optičkih svojstava tekućeg kristala.

Prvi put je utjecaj električnog i magnetskog polja na tekuće kristale proučavao ruski fizičar V.K. Frederiks, a procesi njihove orijentacije nazivaju se elektrooptički prijelazi (ili efekti) Frederiksa. Jedna od tri najčešće molekularne orijentacije prikazana je na sl. 5. a. Ovo je planarna orijentacija, što je tipično za nematike s negativnom dielektričnom anizotropijom (< 0), когда длинные оси молекул параллельны стеклянным поверхностям ячейки.

Homeotropna orijentacija ostvarena je za tekuće kristale s pozitivnom dielektričnom anizotropijom (> 0) (slika 5b). U ovom slučaju, duge osi molekula s uzdužnim dipolnim momentom nalaze se duž smjera polja okomito na površinu stanice. Naposljetku, moguća je twist ili twisted orijentacija molekula (sl. 5c). Ova orijentacija se postiže posebnom obradom staklenih ploča, kod kojih su duge osi molekula zakrenute u smjeru od donjeg prema gornjem staklu elektrooptičke ćelije. To se obično postiže trljanjem stakla u različitim smjerovima ili korištenjem posebnih tvari – orijentansa koji određuju smjer molekularne orijentacije.

Djelovanje bilo kojeg LC indikatora temelji se na strukturnim preraspodjelama između navedenih tipova molekularne orijentacije, koje se induciraju kada se primijeni slabo električno polje. Razmotrimo, na primjer, kako radi LCD brojčanik elektroničkog sata. Osnova brojčanika nam je već poznata elektrooptička ćelija, iako donekle dopunjena (sl. 6, a, b). Uz stakla s raspršenim elektrodama, dva polarizatora čije su ravnine polarizacije suprotne, ali se podudaraju sa smjerom dugih osi molekula na elektrodama, dodano je i zrcalo smješteno ispod donjeg polarizatora (nije prikazano na lik). Donja elektroda obično je čvrsta, a gornja je oblikovana, sastoji se od sedam malih segmenata elektrode, s kojima možete prikazati bilo koji broj ili slovo (slika 6, c). Svaki takav segment "napaja" se strujom i uključuje se po zadanom programu iz minijaturnog generatora. Početna orijentacija nematika je upletena, odnosno imamo takozvanu twist orijentaciju molekula (vidi sl. 5, c i 6, a). Svjetlost pada na gornji polarizator i postaje ravno polarizirana u skladu sa svojom polarizacijom.

U odsutnosti električnog polja (to jest, u isključenom stanju), svjetlost, "prateći" uvijanje - orijentaciju nematika, mijenja svoj smjer u skladu s optičkom osi nematika i na izlazu će imati isti smjer polarizacije kao niži polarizator (vidi sliku 6, a). Drugim riječima, svjetlost će se odbiti od ogledala i vidjet ćemo svijetlu pozadinu. Kada se uključi električno polje za nematski tekući kristal s pozitivnom dielektričnom anizotropijom (> 0), doći će do prijelaza iz orijentacije upletenog uvijanja u homeotropnu orijentaciju molekula, odnosno, duge osi molekula će se okrenuti u smjeru okomitom na elektrode, a spiralna struktura će se srušiti (slika 6, b). Sada će svjetlost, bez promjene smjera početne polarizacije, koja se podudara s polarizacijom gornjeg polarizatora, imati smjer polarizacije suprotan donjem polaroidu, a oni, kao što se vidi na Sl. 6b su u prekriženom položaju. U tom slučaju svjetlost neće doći do zrcala i vidjet ćemo tamnu pozadinu. Drugim riječima, uključujući polje, možete nacrtati bilo koje tamne znakove (slova, brojke) na svijetloj pozadini, koristeći, na primjer, jednostavan sustav elektroda sa sedam segmenata (slika 6c).

Ovo je princip rada bilo kojeg LCD indikatora. Glavne prednosti ovih indikatora su niski upravljački naponi (1,5-5 V), niska potrošnja energije (1-10 μW), visok kontrast slike, jednostavnost integracije u bilo koje elektroničke sklopove, pouzdanost i relativna jeftinost.

2.2 Načini kontrole kolesterične spirale

Među razmatranim vrstama tekućih kristala, kolesterici imaju možda najegzotičnija optička svojstva. Neobično fino organizirana spiralna struktura kolesteričnih tekućih kristala (vidi sliku 2, c) izuzetno je osjetljiva na razne vanjske utjecaje. Promjenom temperature, tlaka, djelovanjem elektromagnetskih polja i mehaničkih naprezanja moguće je značajno promijeniti uspon kolesterične spirale, a sukladno jednadžbi (1) lako je promijeniti i boju kolesterika. Ogromna osjetljivost ovih spojeva, koja omogućuje "prolaženje" kroz sve boje spektra u rasponu od 0,01 -0,001 ° C. pokazuje kakve izvanredne mogućnosti otvara uporaba ovih tvari kao visoko učinkovitih toplinskih indikatora.

Za većinu kolesterika, uspon spirale se smanjuje s povećanjem temperature, a posljedično se smanjuje i valna duljina selektivno reflektirane svjetlosti max (slika 7). Drugim riječima, svaki od onih prikazanih na Sl. 7 temperatura - T 0 , T 1 , T 2 i T 3 - odgovara njegovoj boji. Tako je nanošenjem kolesteričnih tekućih kristala na površine različitih objekata moguće dobiti topografiju raspodjele temperature, što ih čini nezaobilaznim toplinskim indikatorima i vizualizatorima za različite primjene u tehnici i medicini. Uvođenjem kolesterika u polimerne filmove, odnosno dobivanjem takozvanih inkapsuliranih tekućih kristala, mogu se stvoriti vrlo zgodni filmski materijali koji se mogu koristiti kao termometri, te za vizualizaciju i "fotografiranje" toplinskih polja.

Posljednjih godina razvijene su mješavine kolesteričnih tekućih kristala koje dramatično mijenjaju boju (a time i korak spirale) pod utjecajem malih, ali opasnih koncentracija štetnih para raznih kemijskih spojeva. Ovakvi LCD - indikatori mogu promijeniti boju u vrlo kratkom vremenu (1-2 minute) kada se prekorači dopuštena koncentracija štetnih para, te tako djeluju kao svojevrsni kemijski senzori.

Jedan od vanjskih čimbenika koji se može koristiti za kontrolu koraka kolesterične spirale može biti električno ili magnetsko polje. Kada se polje primijeni, kolesterična spirala počinje se postupno odmotavati, dok se korak spirale povećava, jasno "prateći" veličinu primijenjenog napona. A to znači da možete kontinuirano kontrolirati boju kolesteričkog sloja tekućeg kristala. Pri nekoj takozvanoj kritičnoj jakosti polja, spirala se može potpuno odmotati, pretvarajući kolesterički tekući kristal u nematički (jedan od tipova Freederickszovog efekta). Proces odmotavanja spirale trenutno se aktivno istražuje za korištenje u elektronski kontroliranim ravnim ekranima u boji.

3. Primjena tekućih kristala

3.1 Tekući kristali danas i sutra

Mnogi optički efekti u tekućim kristalima, o kojima je gore bilo riječi, već su ovladani tehnologijom i koriste se u proizvodima masovne proizvodnje. Na primjer, svi znaju satove s indikatorom na tekućim kristalima, ali ne znaju svi da se isti tekući kristali koriste za proizvodnju satova s ​​ugrađenim kalkulatorom. Ovdje je čak teško reći kako nazvati takav uređaj, bilo sat ili računalo. Ali to su proizvodi koje je industrija već ovladala, iako se prije samo nekoliko desetljeća to činilo nerealnim. Izgledi za buduće masovne i učinkovite primjene tekućih kristala još su iznenađujući. Stoga je vrijedno govoriti o nekoliko tehničkih ideja za korištenje tekućih kristala, koje još nisu implementirane, ali će možda u sljedećih nekoliko godina poslužiti kao osnova za stvaranje uređaja koji će nam postati jednako poznati kao , recimo, tranzistorski prijemnici su sada.

3.2 Optički mikrofon

U sustavima za optičku obradu informacija i komunikaciju postaje neophodno pretvoriti ne samo svjetlosne signale u svjetlosne signale, već i široku lepezu drugih utjecaja u svjetlosne signale. Takvi utjecaji mogu biti tlak, zvuk, temperatura, deformacija itd. A za pretvaranje tih utjecaja u optički signal, uređaji s tekućim kristalima ponovno se pokazuju kao vrlo prikladni i obećavajući elementi optičkih sustava.

Naravno, postoje mnoge metode za pretvaranje navedenih efekata u optičke signale, ali velika većina tih metoda je prvo povezana s pretvaranjem efekta u električni signal, s kojim se zatim može kontrolirati svjetlosni tok. Dakle, ove metode su dvostupanjske i stoga nisu tako jednostavne i ekonomične za provedbu. Prednost korištenja tekućih kristala za ovu namjenu je u tome što se uz njihovu pomoć širok raspon efekata može izravno pretvoriti u optički signal, čime se eliminira međukarika u lancu efekt-svjetlosni signal, te se stoga uvodi temeljno pojednostavljenje u upravljanju svjetlosnog toka. Još jedna prednost LCD elemenata je što su lako kompatibilni sa sklopovima uređaja s optičkim vlaknima.

Da bismo ilustrirali mogućnosti korištenja LCD-a za upravljanje svjetlosnim signalima, razgovarajmo o principu rada "optičkog mikrofona" na LCD uređaju, predloženom za izravnu pretvorbu akustičnog signala u optički.

Dijagram strujnog kruga optičkog mikrofona vrlo je jednostavan. Njegov aktivni element je orijentirani nematički sloj. Zvučne vibracije stvaraju vremenski periodične deformacije sloja, koje također uzrokuju preorijentaciju molekula i modulaciju polarizacije (intenziteta) prolaznog polariziranog svjetlosnog toka.

Studije karakteristika optičkog mikrofona na LCD-u pokazale su da njegovi parametri nisu inferiorni u odnosu na postojeće uzorke i da se mogu koristiti u optičkim komunikacijskim linijama, omogućujući izravnu pretvorbu audio signala u optičke. Također se pokazalo da u gotovo cijelom temperaturnom području postojanja nematičke faze njezine akustooptičke karakteristike ostaju praktički nepromijenjene.

3.3 Kako napraviti stereo TV

Kao još jednu primamljivu, neočekivanu i koja se tiče gotovo svih primjena tekućih kristala, vrijedi spomenuti ideju stvaranja stereo televizijskog sustava pomoću tekućih kristala. Štoviše, što se čini posebno primamljivim, takav sustav "stereo televizije na tekućim kristalima" moguće je implementirati po cijenu vrlo jednostavne preinake odašiljačke televizijske kamere i dodavanja običnih televizijskih prijamnika s posebnim staklima, čija su stakla opremljen filtrima s tekućim kristalima.

Ideja iza ovog stereo televizijskog sustava krajnje je jednostavna. Ako uzmemo u obzir da se okvir slike na TV ekranu formira red po red, i to na način da se prvo prikazuju neparni redovi, a zatim parni, onda je pomoću naočala s filtrima od tekućih kristala to lako postići da desno oko, na primjer, vidi samo parne linije, a lijevo - neparne . Da biste to učinili, dovoljno je sinkronizirati uključivanje i isključivanje filtara s tekućim kristalima, tj. sposobnost percipiranja slike na ekranu naizmjenično jednim ili drugim okom, čineći naizmjenično prozirnim jedno ili drugo staklo naočala s istaknutim parnim i neparnim linijama.

Sada je posve jasno koja će komplikacija televizijske kamere za odašiljanje gledatelju dati stereo efekt. Potrebno je da odašiljačka televizijska kamera bude stereo, tj. kako bi imao dvije leće koje odgovaraju percepciji objekta lijevim i desnim okom osobe, parne linije na ekranu formirane su desnom, a neparne lijevom lećom odašiljačke kamere.

Sustav naočala s tekućim kristalnim zatvaračem sinkroniziranim s radom TV-a možda nije praktičan za masovnu upotrebu. Moguće je da će se stereo sustav u kojem su naočale opremljene običnim polaroidima pokazati konkurentnijim. U ovom slučaju, svako od staklenih stakala propušta linearno polariziranu svjetlost, čija je ravnina polarizacije okomita na ravninu polarizacije svjetlosti koju propušta drugo staklo. Stereo efekt u ovom slučaju postiže se pomoću filma tekućeg kristala koji se nanosi na TV ekran i prenosi svjetlost iz parnih linija jedne linearne polarizacije, a iz neparnih linija druge linearne polarizacije okomito na prvu.

Koji će od opisanih stereotelevizijskih sustava biti implementiran ili će preživjeti neki sasvim drugačiji sustav, pokazat će budućnost.

3.4 Naočale za astronaute

Upoznavajući se ranije s maskom za elektrozavarivača, a sada s naočalama za stereo televiziju, primijetili biste da u ovim uređajima kontrolirani filtar s tekućim kristalima odmah blokira cijelo vidno polje jednog ili oba oka. U međuvremenu, postoje situacije kada je nemoguće blokirati cijelo vidno polje osobe, a istovremeno je potrebno blokirati pojedine dijelove vidnog polja.

Na primjer, takva potreba može se pojaviti kod kozmonauta u uvjetima njihovog rada u svemiru pod izuzetno jakim sunčevim svjetlom, koje ne oslabljuje ni atmosfera ni oblaci. Ovaj zadatak, kao iu slučaju maske za elektrozavarivača ili naočala za stereo televiziju, mogu riješiti kontrolirani filtri s tekućim kristalima.

Komplikacija naočala u ovom slučaju je da se vidno polje svakog oka sada ne mora preklapati s jednim filtrom, već s nekoliko neovisno kontroliranih filtara. Na primjer, filtri mogu biti izrađeni u obliku koncentričnih prstenova centriranih na staklima naočala ili u obliku traka na staklu naočala, od kojih svaka kada je uključena pokriva samo dio vidnog polja oka.

Takve naočale mogu biti korisne ne samo za kozmonaute, već i za ljude drugih profesija, čiji rad može biti povezan ne samo sa svijetlim neraspršenim osvjetljenjem, već i s potrebom da se uoči velika količina vizualnih informacija.

Na primjer, u kokpitu modernog zrakoplova postoji ogroman broj ploča s instrumentima. Međutim, nisu svi oni potrebni pilotu u isto vrijeme. Stoga korištenje naočala koje ograničavaju vidno polje od strane pilota može biti korisno i olakšati mu rad, jer pomaže usredotočiti njegovu pozornost samo na dio instrumenata koji su u tom trenutku potrebni i eliminira ometajući utjecaj informacija koja u tom trenutku nije potrebna.

Takve će naočale također biti vrlo korisne u biomedicinskim studijama rada operatera povezanog s percepcijom velike količine vizualnih informacija. Kao rezultat takvih istraživanja moguće je odrediti brzinu operaterove reakcije na vizualne signale, odrediti najteže i najteže faze u njegovom radu, te u konačnici pronaći način za optimalnu organizaciju njegovog rada. Potonje znači određivanje najboljeg načina rasporeda ploča s instrumentima, vrste pokazivača instrumenata, boje i prirode signala različitog stupnja važnosti.

Ovakvi filtri i indikatori na tekućim kristalima nedvojbeno će naći (i već nalaze) široku primjenu u filmskoj i fotografskoj opremi. U tu su svrhu atraktivni jer zahtijevaju neznatnu količinu energije za upravljanje, au nekim slučajevima omogućuju isključivanje iz opreme dijelova koji izvode mehaničke pokrete. A kao što znate, mehanički sustavi često su najglomazniji i najnepouzdaniji.

Na koje mehaničke dijelove filmske i fotografske opreme mislite? Prije svega, to su dijafragme, filtri - prigušivači svjetlosnog toka, i konačno, prekidi svjetlosnog toka u filmskoj kameri, sinkronizirani s kretanjem filma i osiguravaju njegovu ekspoziciju okvir po kadar.

Načela dizajna takvih LCD elemenata jasna su iz prethodnog. Kao prekidače i prigušne filtre prirodno je koristiti LC ćelije, kod kojih se pod djelovanjem električnog signala mijenja prijenos svjetlosti po cijeloj njihovoj površini. Za dijafragme bez mehaničkih dijelova, sustav ćelija u obliku koncentričnih prstenova, koji mogu mijenjati područje prozirnog prozora koji propušta svjetlost pod djelovanjem električnog signala. Također treba napomenuti da slojevite strukture koje sadrže tekući kristal i fotopoluvodič, tj. elementi poput kontroliranih optičkih prozirnih folija mogu se koristiti ne samo kao indikatori, na primjer, ekspozicije, već i za automatsko podešavanje otvora blende u filmskoj i fotografskoj opremi.

Unatoč temeljnoj jednostavnosti razmatranih uređaja, njihovo široko uvođenje u masovnu proizvodnju ovisi o nizu tehnoloških problema vezanih uz osiguranje dugog vijeka trajanja LCD elemenata, njihov rad u širokom temperaturnom rasponu i konačno, konkurencija s tradicionalnim i etabliranim tehničkim rješenja itd. No, rješenje svih ovih problema samo je pitanje vremena, a uskoro će vjerojatno biti teško zamisliti savršenu kameru bez LCD uređaja.

Zaključak

Dakle, tekući kristali imaju dvostruka svojstva, kombinirajući svojstvo tekućine (fluidnost) i svojstvo kristalnih tijela (anizotropiju). Njihovo ponašanje nije uvijek moguće opisati uobičajenim metodama i konceptima. No, upravo je u tome njihova privlačnost za istraživače koji žele spoznati još nepoznato.

Nedavno su otkriveni i intenzivno proučavani polimeri s tekućim kristalima, pojavili su se polimerni LC feroelektrici, a aktivno se proučavaju fleksibilni lančani organoelementi i LC spojevi koji sadrže metale koji tvore nove vrste mezofaza. Svijet tekućih kristala je beskonačno velik i pokriva najširi raspon prirodnih i sintetskih objekata, privlačeći pažnju ne samo znanstvenika – fizičara, kemičara i biologa, već i praktičnih istraživača koji rade u najrazličitijim granama moderne tehnologije (elektronika, optoelektronika, informatika, holografija, itd.).

Bibliografija

1. Shibaev V.P. Neobični kristali ili misteriozne tekućine // Soros Educational Journal. 1996. N11. str. 37-46.

2. Chandrasekhar S. Tekući kristali - M.: Mir, 1980 str. 344

3. Titov V.V., Sevostyanov V.P., Kuzmin N.G., Semenov A.M. Zasloni s tekućim kristalima: struktura, sinteza, svojstva tekućih kristala. - Minsk: Izdavačka kuća NPOOO "Microvideosystems", 1998 str. 238

Slični dokumenti

Povijest otkrića tekućih kristala. Njihova klasifikacija, molekularna struktura i struktura. Termotropni tekući kristali: smektički, nematski i kolesterični tipovi. Liotropni LCD. Anizotropija fizikalnih svojstava. Kako upravljati tekućim kristalima.

sažetak, dodan 27.05.2010


Opće karakteristike površinskih pojava u tekućim kristalima. Razmatranje posebnosti smektičkih tekućih kristala, različiti stupnjevi njihove uređenosti. Proučavanje anizotropije fizikalnih svojstava mezofaze, stupanj uređenosti.

sažetak, dodan 10.10.2015


Čvrsti kristali: struktura, rast, svojstva. "Prisutnost reda" u prostornoj orijentaciji molekula kao svojstvo tekućih kristala. Linearno polarizirano svjetlo. Nematski, smektički i kolesterični kristali. Opći pojam feroelektrika.

seminarski rad, dodan 17.11.2012


Tekući kristal (mezomorfno) agregatno stanje. Formiranje nove faze. Vrste tekućih kristala: smektički, nematski i kolesterični. Termotropni i liotropni tekući kristali. Radovi D. Forlendera, doprinosi sintezi spojeva.

prezentacija, dodano 27.12.2010


Glavne vrste kristala. Prirodni i umjetni rast kristala. Uzgoj kristala kao fizikalno-kemijski proces, potrebna oprema. Metode za stvaranje kristala. Uzgoj monokristala iz taline, otopine i parne faze.

sažetak, dodan 07.06.2013


Proučavanje pojmova, vrsta i načina nastanka kristala - krutina u kojima su atomi pravilno raspoređeni tvoreći trodimenzionalno periodični prostorni raspored - kristalnu rešetku. Stvaranje kristala iz taline, otopine, pare.

prezentacija, dodano 08.04.2012


Uzroci i uvjeti kristalizacije materijalnih čestica. Teorije o postanku i rastu idealnih kristala u djelima Gibbsa, Volmera, Kossela i Stranskog. Opis točkastih, linearnih, dvodimenzionalnih i volumetrijskih defekata. Povijest dobivanja umjetnih kristala.

sažetak, dodan 18.11.2010


Pojam strukture tvari i glavni čimbenici koji utječu na njezin nastanak. Glavne značajke amorfne i kristalne tvari, vrste kristalnih rešetki. Utjecaj vrste veze na strukturu i svojstva kristala. Bit izomorfizma i polimorfizma.

test, dodan 26.10.2010


Struktura ugljikovih nanostruktura. Povijest otkrića, geometrijska struktura i metode dobivanja fulerena. Njihova fizikalna, kemijska, sorpcijska, optička, mehanička i tribološka svojstva. Mogućnosti praktične primjene fulerena.

seminarski rad, dodan 13.11.2011


Povijest otkrića vodika. Opće karakteristike tvari. Položaj elementa u periodnom sustavu, struktura njegovog atoma, kemijska i fizikalna svojstva, postojanje u prirodi. Praktična uporaba plina za korisne i štetne svrhe.

Tekući kristali su tvari koje se nalaze u mezomorfnom (srednjem, srednjem) stanju između izotropne tekućine i krutog kristala. Ovi elementi su tekući, mogu biti u obliku kapljica. Uz manifestaciju ovih svojstava, tekući kristali pokazuju anizotropiju magnetskih, električnih, optičkih i drugih svojstava zbog uređenosti molekularne orijentacije. Drugim riječima, tvari imaju višesmjerna svojstva. U nedostatku vanjskog utjecaja, toplinska vodljivost, električna vodljivost i magnetska susceptibilnost su anizotropni u tekućim kristalima.Dikroizam i dvolomnost su zabilježeni u tvarima.

Tekući kristali smektik

Po prvi put su pronađeni u sapunu (otuda naziv - "smegma" - sapun). Čini se da su krajevi molekula fiksirani u ravninama okomitima na njihove uzdužne osi. Smektične tekuće kristale karakterizira slojevita struktura. Ove tvari uključuju vodene otopine sapuna, etil ester azoksibenzojeve kiseline.

"Smectics" se smatraju najopsežnijom klasom tekućih kristala. Neke od njihovih varijanti su također feroelektrične (prisutnost spontane polarizacije u određenom temperaturnom rasponu). Visoka viskoznost spriječila je široku primjenu smektičkih tekućih kristala u tehnologiji.

Nematici

Nematski tekući kristali razlikuju se po orijentaciji uzdužnih molekularnih osi u određenom smjeru. Drugim riječima, karakterizira ih dalekometni orijentacijski poredak. Ime kristala dolazi od grčke definicije "nema" - nit. Disinklinacije (filamenti) su vrlo pokretljive i jasno vidljive na prirodnom svjetlu.

Kolesterski tekući kristali i njihova primjena

Molekularni oblik tvari ove vrste je paralelna duguljasta ploča. Kolesterici daju propil ester kolesterola, kolesteril cinamat, druge derivate kolesterola.

Toplinski indikatori tekućih kristala kolesteričkog tipa naširoko se koriste u medicinskoj i tehničkoj dijagnostici. Osjetljivost ovih tvari na temperaturu omogućuje vizualizaciju raspodjele temperature na površini. To se pak koristi u introskopiji (promatranje procesa unutar tijela koja su optički neprozirna), u detekciji određenih bolesti, a također ti kristali tvore temperaturnu sliku u obliku karte boja. Kolesterici se također mogu koristiti u vizualizaciji mikrovalnih polja. Za izradu indikatora koristi se učinak dinamičkog raspršenja svjetlosti. Zasloni s tekućim kristalima koriste ambijentalno svjetlo. To omogućuje značajno smanjenje potrošnje energije. Dakle, snaga je red veličine niža nego u filmskim i praškastim fosforima, svjetlosnim diodama i indikatorima pražnjenja u plinu. Kolesterici se koriste u osnovi pretvorbe u vidljivu infracrvenu sliku.

U kolesteričnom tekućem kristalu (za razliku od nematičkog), dinamičko raspršenje svjetlosti može imati pamćenje - stanje raspršenja svjetlosti može postojati čak i nakon uklanjanja polja. Istodobno, određena svojstva kolesterola utječu na trajanje stanja. Dakle, pamćenje može trajati od nekoliko minuta do nekoliko godina. Izmjenični napon dovodi do početnog stanja (neraspadanja) kolesterija. Navedeno svojstvo koristi se u formiranju memorijskih ćelija.

Tekući kristali - grafička vizualizacija

Tekući kristal je fazno stanje tijekom kojeg tvar istovremeno posjeduje i svojstva tekućina i svojstva kristala. Odnosno, imaju fluidnost, a istodobno ih karakterizira anizotropija - razlika u svojstvima određenog medija ovisno o smjeru unutar njega (na primjer, indeks loma, brzina zvuka ili toplinska vodljivost).

Tekući kristali imaju strukturu viskozne tekućine koja se sastoji od molekula u obliku diska. Orijentacija ovih molekula može se promijeniti u interakciji s električnim poljima.

Godine 1888. austrijski botaničar Friedrich Reinitzer utvrdio je da neke vrste kristala imaju dva tališta, što implicira da postoje dva različita tekuća stanja, u jednom od kojih je tvar prozirna, a u drugom zamućena.

I premda je 1904. godine njemački fizičar Otto Lehmann u svojoj istoimenoj knjizi iznio brojne znanstvene dokaze u korist tekućih kristala, tekući kristali dugo nisu bili prepoznati kao zasebna stanja materije. Godine 1963. američki izumitelj James Ferguson pronašao je primjenu za jedno od svojstava LC-a - mijenjanje boje ovisno o temperaturi. Amerikanac je dobio patent za izum koji može detektirati oku nevidljiva toplinska polja. Od tada je popularnost tekućih kristala počela rasti.

Skupine tekućih kristala i njihova svojstva

Tekući kristali se obično dijele u dvije skupine:

1. Liotropni - nastaju u smjesama koje se sastoje od štapićastih molekula dane tvari i polarnih otapala (na primjer, vode).

Primjene tekućih kristala

LCD zasloni

Prije svega treba istaknuti ne najkorisniju, već najpoznatiju primjenu LCD-a - zaslone s tekućim kristalima. Ponekad se nazivaju LCD zasloni, što je skraćenica od engleskog "liquid crystal display". U doba gadgeta, takvi zasloni prisutni su u gotovo svim elektroničkim uređajima: televizorima, računalnim monitorima, digitalnim fotoaparatima, navigatorima, kalkulatorima, e-knjigama, tabletima, telefonima, elektroničkim satovima, playerima itd.

Uređaj LCD zaslona prilično je kompliciran, ali općenito je to skup staklenih ploča, između kojih se nalaze tekući kristali (LCD matrica) i puno izvora svjetlosti. LCD matrični piksel uključuje par prozirnih elektroda koje vam omogućuju promjenu orijentacije molekula tekućeg kristala, kao i par polarizirajućih filtara koji podešavaju stupanj prozirnosti itd.

termografija

Manje popularna, ali važnija primjena LCD-a je termografija. Termografija omogućuje dobivanje toplinske slike objekta, kao rezultat registriranja infracrvenog zračenja - topline. Infracrvene uređaje za noćno gledanje koriste vatrogasci, u slučaju dima u prostoriji, kako bi otkrili žrtve požara. Također su našli primjenu u sigurnosnim službama i vojnim službama.

Toplinsko snimanje vam omogućuje otkrivanje vrućih točaka, kvarova toplinske izolacije ili drugih hitnih područja tijekom održavanja ili izgradnje dalekovoda.

Termografija se također koristi u medicinskom snimanju, uglavnom za promatranje mliječnih žlijezda. To vam omogućuje otkrivanje raznih onkoloških bolesti, poput raka dojke.

Elektronički indikatori

Elektronički indikatori stvoreni pomoću tekućih kristala reagiraju na različite temperature, zbog čega mogu obavijestiti o kvarovima i kršenjima u elektronici. Na primjer, LC u obliku filma primjenjuje se na tiskane ploče i integrirane krugove, kao i na tranzistore. Pomoću ovog indikatora lako je razlikovati neispravne segmente elektronike.

Osim toga, LCD indikatori smješteni na koži pacijenta omogućuju otkrivanje upala i tumora kod ljudi.

Indikatori s tekućim kristalima također se koriste za detekciju para raznih štetnih kemijskih spojeva, kao i za detekciju ultraljubičastog i gama zračenja. LC se koriste za razvoj ultrazvučnih detektora i mjerača tlaka.

Uz izravnu primjenu LC-a u gore navedenim područjima, treba napomenuti da su tekući kristali u mnogočemu slični nekim staničnim strukturama, a ponekad ih ima iu njima. Zbog svojih dielektričnih svojstava tekući kristali reguliraju odnose unutar stanice, između stanica i tkiva te između stanice i okoliša. Stoga proučavanje prirode i ponašanja tekućih kristala može doprinijeti molekularnoj biologiji.

St. u (optički, električni, magnetski itd.) u nedostatku trodimenzionalnog dalekodometnog reda u rasporedu čestica ( , ). Dakle, tekući kristal stanje se često naziva također mezomorfni (mezofaza). Temperaturni interval za postojanje tekućine ograničen je na krutinu i tzv. t-roj prosvjetljenja, s rojem tekućih kristala. mutni uzorci postaju prozirni zbog mezofaze i njenog prelaska u izotropnu. tekući kristal veza imaju oblik štapića ili diska i uglavnom se nalaze. međusobno paralelni. T. naz. termotropne tekućine nastaju tijekom toplinske. utjecaj na u-u. Takve tekućine tvore, na primjer, aromatske derivate. Komunikacija koja sadrži izmjenične linearne i cikličke. skupine (benzenski prstenovi). LCD faza nastaje najčešće ako se supstituenti u nalaze u para položaju. Veliki broj termotropnih tekućih kristala. veza m. b. predstavljen općom formulom:

X obično -CH=N-, - CH 2 -CH 2 -, - HC \u003d CH-,, -C(O)-NH-. Krajnje skupine Y i Z m. alkilne i alkoksilne skupine, cijano-, nitro- itd. Primjeri nekih tekućih dani su u tablici. Često kruti fragmenti, na primjer, ciklički. grupacije koje određuju postojanje mezofaze, tzv. "mezogeni". Prisutnost ogranaka dovodi do sužavanja temperaturnog intervala za postojanje mezofaze.

K - čvrsti kristalni. stanje, I - izotropni (), N - nematici, S(S A , S B , S F - smektici, D - diskotici, Ch - kolesterici. Liotropne tekućine nastaju s određenim tvarima u određenim otapalima. Npr., vodene otopine i sl. stvaraju tekućinu u određenom intervalu i t-r. Strukturne jedinice liotropnih tekućina su supramolekularne tvorevine razg. vrste, raspoređeni u mediju p-otapalo i imaju cilindr., sfer. ili drugom obliku. Ovisno o prirodi položaja šipkastog oblika, postoje tri glavna. tekući tipovi - smektički, nematski i kolesterični. U smektičkom tekućina (nazivaju se smektici, označavaju se sa S) nalaze se u slojevima. Težišta izduženih su u jednako razmaknutim ravninama i pomična su u dvije dimenzije (na smektičkoj ravnini). Duge osi mogu biti smještene ili okomito na smektičku ravninu. sloju (ortogonalni smektici, slika 1, a), i pod određenim kutom u odnosu na sloj (kosi smektici, slika 1, b).


Riža. 1. Struktura smektičke (a i b) i nematičke (c) tekućine (a - ortogonalni, b - kosi raspored).

Osim toga, moguće je uređen i nesređen raspored u samim slojevima. Sve to određuje mogućnost obrazovanja dekomp. polimorfne modifikacije. Poznato sv. desetak polimorfnih smektika. modifikacije označene latiničnim slovima, smektici A, B, C itd. (ili S A, S B, S C itd.). Stvaranje smektika faze karakteristične za tekući kristal. Comm., to-rykh sadrže duge terminalne alkilne ili alkoksi skupine Y i Z s brojem/ 4-6. Nematic tekućine (nematics N) karakteriziraju prisutnost orijentacijskog reda, s Krom duge osi smještene su jednosmjerno s nasumičnim rasporedom težišta (slika 1, c). Nematic vrsta spojeva u tekućem obliku, u kojima postoje kratke alkilne ili alkoksi skupine (broj[ 3).

Riža. 2. Struktura kolesteričnih tekućina; isprekidana linija prikazuje korak; strelice pokazuju smjer dugih osi.

Kolesteričan tip mezofaze (Chol kolesterici) tvore dvije skupine spojeva: optički aktivni derivati, gl. arr. (otuda naziv), i nesteroidni spojevi koji pripadaju istim klasama spojeva, to-rye tvore nematik. tekućine, ali posjeduju (alkil-, alkoksi-, aciloksi-supstituirani azometini, derivati ​​cimetove to-ti, azo- i dr.). U holesteričnom tekuće se nalaze na isti način kao i nematičke, ali su u svakom sloju zakrenute u odnosu na svoj položaj u susjednom sloju za određeni kut. U cjelini, ostvarena je struktura opisana spiralom (slika 2). V-va s diskolikim (disko D) mogu tvoriti tekućinu, u kojoj su pakirane u stupce (postoji dalekometni poredak u orijentaciji diskolika ravnina) ili raspoređene na isti način kao kod nematika (tu nije dalekosežni poredak) (sl. 3, a i b). Neobična struktura tekućeg kristala. Comm., pružajući kombinaciju urednosti u uređenju s njihovom velikom mobilnošću, definira širok raspon praktičnih. korištenje tekućine. Smjer beneficija. orijentacija, karakterizirana aksijalnom jedinicom, ili direktorom, može se lako promijeniti pod utjecajem razgradnje. ekst. čimbenici - t-ry, krzno. napon, električni napon. i magn. polja.

Riža. 3. Struktura diskotičnih tekućina: a - stupnasta faza; b - nematička faza.

Izravni uzrok orijentacije ili preusmjeravanja direktora - viskoelastični, optički, električni. ili magn. Sveta srijeda. Zauzvrat, mijenjanje koristi. orijentacije uzrokuje promjenu optičkih, električnih. i druge sv u tekućini, tj. stvara mogućnost kontrole tih sv ti kroz relativno slabe vanjske. utjecaje, a također vam omogućuje registraciju tih utjecaja. Elektro-optički sv.nematik. tekućine naširoko se koriste u sustavima za obradu i prikaz informacija, u alfanumeričkim (elektronički satovi, kalkulatori, zasloni itd.), optičkim. vrata i drugih svjetlosnih ventila. Prednosti ovih uređaja su mala potrošnja energije (reda od 0,1 mW / cm 2), nizak napon napajanja (nekoliko V), što omogućuje, na primjer, kombiniranje tekućeg kristala. zaslone s integriranim krugovima i time osigurati minijaturizaciju indikatorskih uređaja (ravni TV ekrani). Spiralna struktura kolesterika određuje njihovu visoku optičku. (rubovi su nekoliko redova veličine viši od onih konvencionalnih org. i čvrstih) i sposobnost selektivne refleksije cirkularno polarizirane svjetlosti u vidljivom, IR i UV rasponu. Pri promjeni t-ry, sastava okoline, intenziteta elektromagnet. polje mijenja visinu tona, što je popraćeno promjenom optič. sv-in, osobito boja. To vam omogućuje mjerenje temperature tijela promjenom boje tekućine