Larutan pepejal dan hablur cecair. Kristal cecair dalam teknologi

Hablur cecair dipanggil cecair anisotropik, yang terdiri daripada molekul yang mengekalkan susunan tertentu dalam susunannya berbanding satu sama lain. (Anisotropi ialah pergantungan sifat fizikal sesuatu bahan pada arah.) Contohnya, atom dalam molekul boleh terletak di sepanjang paksi tertentu, dan molekul memanjang tersebut berorientasikan dalam kristal cecair, seperti dalam kristal pepejal, di sepanjang arah. Arah khas dalam kristal cecair dan pepejal dipanggil paksi optik, kerana kewujudannya dikaitkan dengan sifat optik yang luar biasa bagi bahan-bahan ini (birefringence, putaran satah polarisasi cahaya, dll.). Tidak seperti kristal pepejal, di mana paksi optik dipasang secara tegar, dalam kristal cecair, arah paksi optik boleh diubah dengan mudah menggunakan medan elektrik. Voltan yang sangat rendah diperlukan untuk mengawal sifat optik kristal cecair.

Dipol elektrik timbul di sepanjang paksi panjang dengan lebih mudah daripada di sepanjang paksi pendek, iaitu, dengan kata lain, awan elektron mudah disesarkan berbanding nukleus positif di sepanjang molekul dan dengan kesukaran merentasinya. Oleh itu, sepasang daya timbul, mencipta tork, yang memutarkan molekul supaya paksi panjangnya berorientasikan sepanjang medan E.

Jika medium kristal cecair dilanjutkan selama-lamanya ke semua arah, maka paksi optik akan diputar oleh medan lemah yang sewenang-wenangnya. Pada hakikatnya, lapisan kristal cecair mempunyai ketebalan terhingga (kira-kira 0.01 mm) dan orientasi molekul yang agak tegar pada permukaan pepejal yang mentakrifkan lapisan. Oleh itu, tindakan pemesongan medan bercanggah dengan tindakan penstabilan daya anjal. Malah, sisihan paksi optik dalam lapisan kristal cecair bermula apabila tork daya elektrik menjadi lebih besar daripada momen pemulihan daya kenyal. Terdapat ambang perbezaan potensi tertentu (kira-kira 1 V), di atasnya sudah mudah untuk mengawal paksi optik dalam pelbagai penunjuk kristal cecair.

Ini disebabkan oleh fakta bahawa semua molekul kristal cecair saling berkaitan dan berorientasikan dengan cara yang sama, dan cukup untuk memutar salah satu daripadanya untuk keseluruhan kumpulan molekul mengubah orientasinya.

Cahaya kejadian dipolarisasi oleh polarizer atas, melalui plat kaca dan memasuki lapisan kristal cecair. Sekiranya litar elektrik terbuka, seperti di laluan pancaran cahaya kiri, maka di tempat ini orientasi heliks paksi optik dipelihara. Oleh itu, apabila pancaran cahaya kiri berlalu, polarisasinya berputar mengikut putaran paksi optik. Di pintu keluar dari lapisan dan plat kaca bawah, putaran ini akan menjadi 90°, dan polarisasi cahaya bertepatan dengan paksi polarizer bawah. Akibatnya, rasuk kiri melepasi polarizer, memantulkan cermin, dan bergerak sepanjang jalan ke arah yang bertentangan. Bahagian penunjuk ini kelihatan terang kepada pemerhati.

Pada bahagian kanan bersebelahan penunjuk, pancaran cahaya melintas pada masa litar ditutup kepada nombor 8. Cahaya terkutub, mengenai lapisan kristal cecair, akan bertemu di sini paksi optik berorientasikan menegak. Beginilah cara medan elektrik memutarkan molekul yang terpolarisasi dengan baik di sepanjang paksi panjang. Oleh itu, cahaya akan melalui lapisan di bawah segmen nombor 8 tanpa mengubah polarisasinya, dan akan dipenuhi oleh polarizer yang lebih rendah, yang paksinya berserenjang dengan polarisasi cahaya. Akibatnya, pancaran cahaya ini tidak akan sampai ke cermin, kerana ia akan diserap di sepanjang jalan, dan tidak akan kembali kepada pemerhati - nombor 8 akan kelihatan gelap dengan latar belakang cahaya.

Beginilah cara penunjuk alfanumerik disusun dalam kalkulator, penterjemah elektronik, skala alat pengukur dan skala penalaan, pelbagai papan skor, dsb. Skrin kristal cecair (paparan) dengan sejumlah besar segmen - elektrod dan litar kawalan elektronik yang kompleks berfungsi sebagai skrin televisyen, penukar imej (peranti penglihatan malam), cara mengawal pancaran cahaya dalam komputer elektronik berkelajuan tinggi.

Sesetengah bahan dalam keadaan hablur cecair mampu bercampur antara satu sama lain dan membentuk hablur cecair dengan struktur dan sifat yang berbeza. Ini memperluaskan julat penggunaannya dalam teknologi.

KERJA KURSUS

hablur cecair. Aplikasi teknologi merekaenie

pengenalan

Gabungan luar biasa perkataan "kristal cecair" mungkin sudah biasa bagi ramai, walaupun tidak semua orang dapat membayangkan apa yang ada di sebalik konsep yang aneh dan kelihatan bercanggah ini. Bahan yang menakjubkan ini berjaya menggabungkan sifat anisotropik kristal dan sifat mengalir cecair.

Pada masa yang sama, mungkin setiap orang kedua membawa penunjuk kristal cecair (LC) bersamanya dan melihat jam elektroniknya beberapa dozen kali sehari. LCD - dail yang mengira jam, minit, saat, dan kadangkala pecahan saat dengan tepat. Penunjuk LCD yang menjadi asas kepada kalkulator moden, komputer mudah alih Notebook, TV skrin rata miniatur, kamus penterjemah, alat kelui dan banyak lagi peralatan dan peranti elektronik moden serta peralatan rumah tangga.

Pengeluaran global LCD dan paparan adalah berbilion-bilion dan dijangka meningkat lagi. Sudah boleh dikatakan tanpa keterlaluan bahawa kemajuan dan perkembangan beberapa cabang sains dan teknologi tidak dapat dibayangkan tanpa pembangunan penyelidikan dalam bidang kristal cecair. Tidak kurang yang menarik adalah kristal cecair dari sudut pandangan biologi dan proses kehidupan. Fungsi membran sel dan DNA, penghantaran impuls saraf, kerja otot, pembentukan plak aterosklerotik - ini jauh dari senarai lengkap proses yang berlaku dalam fasa LC, dengan ciri-ciri yang wujud dalam fasa ini - kecenderungan untuk penyusunan diri dan mengekalkan mobiliti molekul yang tinggi.

1. Jenis dan sifat hablur cecair

1.1 Sejarah penemuan hablur cecair

Lebih daripada 100 tahun telah berlalu sejak penemuan kristal cecair. Mereka pertama kali ditemui oleh ahli botani Austria Friedrich Reinitzer, memerhatikan dua takat lebur ester kolesterol, kolesterol benzoat (Rajah 1).

Pada suhu lebur (T pl), 145 0 C, bahan hablur bertukar menjadi cecair keruh dan berserakan sangat ringan. Dengan pemanasan berterusan, apabila mencapai suhu 179 ° C, cecair menjadi jernih (titik jernih (T pr)), i.e. mula berkelakuan optik seperti cecair biasa, seperti air. Sifat kolesteril benzoat yang tidak dijangka ditemui dalam fasa keruh. Memeriksa fasa ini di bawah mikroskop polarisasi, Reinitzer mendapati bahawa ia mempunyai birefringence. Ini bermakna bahawa indeks biasan cahaya, i.e. kelajuan cahaya dalam fasa ini bergantung kepada polarisasi.

Fenomena birefringence adalah kesan kristal tipikal, yang terdiri daripada fakta bahawa kelajuan cahaya dalam kristal bergantung pada orientasi satah polarisasi cahaya. Adalah penting bahawa ia mencapai nilai maksimum dan minimum yang melampau untuk dua orientasi ortogonal satah polarisasi. Sudah tentu, orientasi polarisasi yang sepadan dengan nilai ekstrem kelajuan cahaya dalam kristal ditentukan oleh anisotropi sifat-sifat kristal dan secara unik ditentukan oleh orientasi paksi kristal berkenaan dengan arah cahaya. pembiakan.

Oleh itu, apa yang telah dikatakan menjelaskan bahawa kewujudan birefringence dalam cecair, yang mesti isotropik, i.e. bahawa sifatnya harus bebas dari arah yang kelihatan paradoks. Yang paling munasabah pada masa itu nampaknya adalah kehadiran dalam fasa keruh zarah kecil kristal yang tidak cair, kristal, yang merupakan sumber birefringence. Walau bagaimanapun, kajian yang lebih terperinci, yang mana Reinitzer melibatkan ahli fizik Jerman terkenal Otto Lehmann, menunjukkan bahawa fasa keruh bukanlah sistem dua fasa, tetapi bersifat anisotropik. Oleh kerana sifat anisotropi adalah wujud dalam kristal pepejal, dan bahan dalam fasa keruh adalah cecair, Lehman memanggilnya kristal cecair.

Sejak itu, bahan yang mampu menggabungkan sifat cecair secara serentak (kececairan, keupayaan untuk membentuk titisan) dan sifat jasad kristal (anisotropi) dalam julat suhu tertentu di atas takat lebur telah dikenali sebagai hablur cecair atau hablur cecair. Bahan LC sering dipanggil mesomorphic, dan fasa LC yang terbentuk oleh mereka dipanggil mesophase. Keadaan sedemikian adalah keadaan fasa yang stabil secara termodinamik dan sewajarnya, bersama-sama dengan pepejal, cecair dan gas, ia boleh dianggap sebagai keadaan jirim keempat.

Walau bagaimanapun, pemahaman tentang sifat LC - keadaan bahan, penubuhan dan kajian organisasi struktur mereka datang jauh kemudian. Ketidakpercayaan yang serius terhadap fakta kewujudan sebatian luar biasa itu pada tahun 20-30an telah digantikan oleh penyelidikan aktif mereka. Hasil kerja D. Vorlender di Jerman banyak menyumbang kepada sintesis sebatian LC baharu. Cukuplah untuk mengatakan bahawa 85 disertasi mengenai kristal cecair telah disiapkan di bawah pengawasannya. Pada tahun dua puluhan, Friedel mencadangkan untuk membahagikan semua kristal cecair kepada tiga kumpulan besar. Friedel memanggil kumpulan kristal cecair:

1. nematik

2. smectic

3. kolesterik

Beliau juga mencadangkan istilah umum untuk kristal cecair - "fasa mesomorfik". Istilah ini berasal dari perkataan Yunani "mesos" (perantaraan), dan memperkenalkannya, Friedel ingin menekankan bahawa kristal cecair menempati kedudukan pertengahan antara kristal sebenar dan cecair kedua-duanya dalam suhu dan sifat fizikalnya.

Kemudian orang Belanda S. Oseen dan Czech H. Zocher mencipta teori keanjalan, saintis Rusia V.K. Frederiks dan V.N. Tsvetkov di USSR pada tahun 1930-an buat pertama kalinya menyiasat kelakuan kristal cecair dalam medan elektrik dan magnet. Walau bagaimanapun, sehingga tahun 1960-an, kajian tentang kristal cecair tidak mempunyai kepentingan praktikal yang ketara, dan semua penyelidikan saintifik mempunyai minat akademik yang agak terhad, semata-mata.

Keadaan berubah secara dramatik pada pertengahan 1960-an, apabila, disebabkan perkembangan pesat mikroelektronik dan mikrominiaturisasi peranti, bahan diperlukan yang boleh mencerminkan dan menghantar maklumat sambil menggunakan tenaga minimum. Dan di sini kristal cecair datang untuk menyelamatkan, sifat dwinya (anisotropi sifat dan mobiliti molekul tinggi) memungkinkan untuk mencipta penunjuk LCD berkelajuan tinggi dan ekonomik yang dikawal oleh medan elektrik luaran, yang pada asasnya merupakan elemen utama "tentera" berjuta-juta dolar jam tangan, kalkulator, TV skrin rata dan lain-lain.

Ledakan kristal cecair, seterusnya, merangsang aktiviti saintifik aktif, simposium antarabangsa dan persidangan mengenai kristal cecair telah diadakan, sekolah untuk saintis muda telah dianjurkan, koleksi dan monograf telah diterbitkan.

Apakah kristal yang luar biasa ini, dan apakah sifat istimewa yang menjadikannya hampir tidak boleh diketepikan hari ini?

1.2 Struktur molekul dan struktur hablur cecair

Kira-kira seratus ribu bahan organik kini diketahui yang boleh berada dalam keadaan LC, dan bilangan sebatian tersebut sentiasa berkembang. Jika dekad pertama selepas penemuan kristal cecair, wakil utama sebatian ini hanyalah bahan yang terdiri daripada molekul berbentuk batang asimetri, yang dipanggil calamitics (dari bahasa Yunani "calamis" - buluh), maka kemudiannya didapati bahawa pelbagai jenis bahan yang mempunyai molekul bentuk yang lebih kompleks (cakera, plat, dll.). Molekul sebatian LC sering dipanggil mesogen, dan kumpulan atau serpihan molekul yang menyumbang kepada pembentukan fasa LC dipanggil kumpulan mesogenik. Rajah 1a menunjukkan contoh mesogens berbentuk batang - calomitics, serta formula kimia mesogens berbentuk cakera (diskotik) dan papan (sanidiki) (daripada bahasa Yunani "sanidis" - papan).

Seperti yang dapat dilihat daripada Rajah 1a, kumpulan mesogenik yang paling biasa ialah gelang benzena yang dihubungkan terus antara satu sama lain dengan bantuan pelbagai kumpulan kimia (-CH=CH-, -CH=N-, -NH-CO, dsb.). Ciri ciri semua sebatian LC ialah bentuk maleku yang tidak simetri, yang memberikan anisotropi kebolehpolaran dan kecenderungan untuk molekul menjadi selari antara satu sama lain di sepanjang paksi panjang (calamitika dan sanidiki) dan pendek (diskotik).

1.3 Hablur cecair termotropik

Bergantung pada sifat susunan molekul, mengikut klasifikasi yang dicadangkan oleh Friedel, tiga jenis struktur utama sebatian LC dibezakan: smectic, nematic, dan cholesteric. Jenis struktur yang ditunjukkan merujuk kepada kristal cecair termotropik yang dipanggil, pembentukannya hanya dilakukan di bawah tindakan terma pada bahan (pemanasan atau penyejukan). Pada rajah. Rajah 2 menunjukkan susunan molekul berbentuk rod dan cakera dalam tiga pengubahsuaian struktur yang disenaraikan bagi hablur cecair.

Jenis kristal cecair smectics (smectics - dari perkataan Greek "smegma" - sabun) adalah paling hampir dengan badan kristal sebenar. Molekul disusun dalam lapisan, dan pusat gravitinya adalah mudah alih dalam dua dimensi (pada satah smectic). Dalam kes ini, paksi panjang molekul dalam setiap lapisan boleh terletak berserenjang dengan satah lapisan (smectics ortogonal) dan pada beberapa sudut (smectics serong). Arah orientasi utama paksi molekul biasanya dipanggil pengarah, yang biasanya dilambangkan dengan vektor n (Rajah 2a).

Jenis kristal cecair nematik (nematics dari bahasa Yunani "nema" - benang) dicirikan oleh kehadiran hanya susunan orientasi satu dimensi bagi paksi molekul panjang (kalamitik) atau pendek (diskotik) (Rajah 2 b dan d, masing-masing). Dalam kes ini, pusat graviti molekul terletak secara rawak di angkasa, yang menunjukkan ketiadaan susunan translasi.

Jenis susunan molekul kristal cecair yang paling kompleks ialah kolesterik (kolesterik), dibentuk oleh molekul kiral (aktif optik) yang mengandungi atom karbon tidak simetri. Ini bermakna molekul sedemikian adalah cermin-asimetri, berbeza dengan molekul cermin simetri nematik. Mesophase kolesterik pertama kali diperhatikan untuk derivatif kolesterol, oleh itu namanya. Kolesterik dalam banyak aspek serupa dengan nematik, di mana susunan orientasi satu dimensi direalisasikan; ia juga terbentuk dengan menambahkan sejumlah kecil sebatian kiral (1-2 mol.%) kepada nematik. Seperti yang dapat dilihat dari rajah. 2c, dalam kes ini, pemisahan heliks molekul juga direalisasikan, dan selalunya kolesterik dipanggil nematik berpintal.

Struktur heliks berkala cholesterics menentukan ciri unik mereka - keupayaan untuk selektif mencerminkan cahaya kejadian, "bekerja" dalam kes ini sebagai parut difraksi. Pada sudut pantulan tetap, keadaan gangguan dipenuhi hanya untuk rasuk dengan warna yang sama, dan lapisan kolesterik (atau filem) kelihatan berwarna dalam satu warna. Warna ini ditentukan oleh pic heliks P, yang, pada sudut tuju biasa cahaya, hanya berkaitan dengan panjang gelombang maksimum maks cahaya yang dipantulkan:

P = maks / n, (1)

di mana n ialah indeks biasan bagi kolesterik. Kesan pantulan terpilih cahaya dengan panjang gelombang tertentu oleh filem kolesterik ini dipanggil pantulan terpilih. Bergantung pada padang heliks, yang ditentukan oleh sifat kimia kolesterik, panjang gelombang maksimum cahaya yang dipantulkan boleh terletak di bahagian yang boleh dilihat, serta di kawasan IR dan UV spektrum, menentukan kawasan penggunaan yang luas. sifat optik kolesterik.

Mana-mana daripada tiga jenis mesophase biasanya dianggap sebagai medium anisotropik berterusan, di mana dalam mikrovolum kecil (sering dipanggil kawanan atau domain), yang terdiri, sebagai peraturan, daripada 10 4 -10 5 molekul, molekul berorientasikan selari antara satu sama lain. .

Sekarang mari kita pertimbangkan struktur makroskopik kristal cecair, yang paling kerap dipanggil tekstur, bermakna dengan ini keseluruhan butiran struktur sampel kristal cecair diletakkan di antara dua gelas dan diperiksa menggunakan mikroskop polarisasi optik. Setiap jenis hablur cecair secara spontan membentuk tekstur cirinya sendiri, yang mana ia selalunya boleh dikenal pasti. Sebagai peraturan, tekstur kristal cecair sangat "fotogenik" sehingga fotomikrograf yang cantik sering menghalang kulit jurnal saintifik dan penerbitan sains popular.

Hablur cecair nematik dicirikan oleh apa yang dipanggil tekstur schlieren (Rajah 3a), iaitu sistem garisan dan titik berfilamen nipis dengan "ekor" hitam berfilamen. Garis-garis ini dipanggil disklinasi (dari bahasa Yunani "kline" - cerun). Mereka mewakili tempat-tempat perubahan mendadak dalam arah orientasi paksi panjang molekul. Tekstur ciri smectics ialah tekstur kipas, yang dalam banyak aspek menyerupai kristal pepejal biasa (Rajah 3b), yang menekankan persamaan terbesar dalam organisasi struktur smectics tersusun dua dimensi dan kristal tersusun tiga dimensi. Kolesterik tidak berorientasikan membentuk tekstur confocal, yang terdiri daripada formasi kompleks yang berasingan dan saling berkaitan yang dipanggil domain confocal (Rajah 3c).

Adalah penting untuk diperhatikan bahawa semua tekstur yang dipertimbangkan adalah sangat labil dan mudah mengalami penyusunan semula struktur di bawah tindakan pengaruh luaran yang kecil (tegasan mekanikal, medan elektrik, suhu, dll.).

1.4 Hablur cecair liotropik

Tidak seperti kristal cecair termotropik, kristal cecair liotropik terbentuk dengan melarutkan sejumlah sebatian amphiphilic dalam pelarut tertentu dan, sebagai peraturan, mempunyai struktur yang lebih kompleks daripada kristal cecair termotropik. Sebatian amfifilik terdiri daripada molekul yang mengandungi kumpulan hidrofilik dan hidrofobik. Sebatian sedemikian diedarkan secara meluas dalam alam semula jadi. Jadi, sebagai contoh, mana-mana asid lemak adalah amphiphilic. Molekulnya terdiri daripada dua bahagian: "kepala" polar (kumpulan COOH) dan "ekor" hidrokarbon [CH 3 (CH 2) n -]. Sebatian sedemikian, apabila dilarutkan dalam air, biasanya membentuk larutan misel di mana kepala kutub menonjol apabila bersentuhan dengan air, dan ekor hidrokarbon, apabila bersentuhan antara satu sama lain, melihat ke dalam. Misel tersebut (Rajah 4, a) ialah unsur-unsur struktur dari mana kristal cecair liotropik dibina, membentuk, contohnya, bentuk silinder atau lamellar (Rajah 4, b, c).

Tidak seperti kristal cecair termotropik, di mana pembentukan jenis mesophase tertentu hanya ditentukan oleh suhu, dalam sistem liotropik jenis organisasi struktur sudah ditentukan oleh dua parameter: kepekatan bahan dan suhu. Kristal cecair liotropik paling kerap dibentuk oleh sistem biologi yang beroperasi dalam media akueus. Dalam sistem inilah ciri unik kristal cecair, menggabungkan labiliti dengan kecenderungan yang tinggi untuk organisasi diri, menampakkan diri dalam bentuk yang paling menarik. Kami menghadkan diri kami kepada hanya satu contoh, yang berkaitan dengan sel dan organel intrasel yang dilitupi dengan cangkerang nipis dan tersusun tinggi - membran. Kajian struktur moden menunjukkan bahawa membran adalah struktur LC lamelar lamelar liotropik yang tipikal, terdiri daripada lapisan fosfolipid berganda, di mana protein, polisakaril, kolesterol, dan komponen penting lain "dilarutkan" (Rajah 4d). Struktur anisotropik membran sedemikian, dalam satu pihak, memungkinkan untuk melindungi bahagian dalamannya daripada pengaruh luar yang tidak diingini, dan sebaliknya, sifat "cecair"nya memberikan sifat pengangkutan yang tinggi (kebolehtelapan, pengangkutan ion, dll.) , yang memberikan sel peranan yang menentukan dalam proses aktiviti penting.

1.5 Anisotropi sifat fizikal - ciri utama hablur cecair

Oleh kerana ciri struktur utama kristal cecair ialah kehadiran susunan orientasi disebabkan oleh bentuk molekul anisotropik, adalah semulajadi bahawa semua sifatnya ditentukan dalam satu cara atau yang lain oleh tahap susunan orientasi. Secara kuantitatif, tahap pesanan kristal cecair ditentukan oleh parameter pesanan S yang diperkenalkan oleh V.I. Tsvetkov pada tahun 40-an:

S = 0.5 (3kos 2 - 1) (2)

di mana ialah sudut antara paksi molekul kristal cecair individu dan arah utama keseluruhan ensembel, ditentukan oleh pengarah n (Rajah 2) (kurungan sudut bermakna purata ke atas semua orientasi molekul). Adalah mudah untuk memahami bahawa dalam fasa cecair isotropik yang tidak teratur sepenuhnya S = 0, dan dalam kristal pepejal sepenuhnya S = 1. Parameter susunan hablur cecair berjulat dari 0 hingga 1. Kewujudan susunan orientasi yang menentukan anisotropi semua sifat fizikal hablur cecair. Oleh itu, bentuk anisotropik molekul calamitic menentukan penampilan birefringence (n) dan anisotropi dielektrik (), yang nilainya boleh dinyatakan seperti berikut:

n = n - n dan = - (3)

di mana n, n dan, ialah indeks biasan dan pemalar dielektrik, masing-masing, diukur pada orientasi selari dan serenjang paksi panjang molekul berbanding pengarah. Nilai n untuk sebatian LC biasanya sangat besar dan berbeza secara meluas bergantung pada struktur kimianya, kadangkala mencapai nilai tertib 0.3-0.4. Magnitud dan tanda bergantung pada hubungan antara anisotropi kebolehpolaran molekul, nilai momen dipol kekal, dan juga pada sudut antara arah momen dipol dan paksi molekul panjang. Contoh dua sebatian LC yang dicirikan oleh nilai positif dan negatif ditunjukkan di bawah:

Memanaskan kristal cecair, menurunkan susunan orientasinya, disertai dengan penurunan monotonik dalam nilai n dan, supaya pada titik di mana fasa LC hilang pada Tp, anisotropi sifat hilang sepenuhnya.

Pada masa yang sama, anisotropi semua ciri fizikal kristal cecair, digabungkan dengan kelikatan rendah sebatian ini, yang memungkinkan untuk dengan mudah dan cekap mengorientasikan (dan mengorientasikan semula) molekul mereka di bawah tindakan "mengganggu" kecil. ” faktor (medan elektrik dan magnet, tekanan mekanikal), mengubah struktur dan sifatnya dengan ketara. Itulah sebabnya kristal cecair ternyata menjadi media aktif elektro-optik yang sangat diperlukan, atas dasarnya generasi baru penunjuk LCD yang dipanggil telah dicipta.

2. Metodologi teknologi

2.1 Kaedah kawalan kristal cecair

kawalan cecair molekul kristal

Asas mana-mana penunjuk LCD adalah sel elektro-optik yang dipanggil, peranti yang ditunjukkan dalam Rajah. 5. Dua plat kaca rata yang disalut dengan lapisan konduktif telus oksida timah atau indium oksida, bertindak sebagai elektrod, dipisahkan oleh pengatur jarak nipis yang diperbuat daripada bahan bukan konduktif (polietilena, teflon). Jurang yang terhasil antara plat, yang berkisar antara 5 hingga 50 mikron (bergantung pada tujuan sel), dipenuhi dengan kristal cecair, dan keseluruhan struktur "sandwic" di sepanjang perimeter "dimeteraikan" dengan bahan pengedap atau bahan penebat lain. (Gamb. 5). Sel yang diperoleh itu boleh diletakkan di antara dua polarizer filem yang sangat nipis, satah polarisasi yang membentuk sudut tertentu, untuk memerhatikan kesan orientasi molekul di bawah tindakan medan elektrik. Penggunaan walaupun voltan elektrik kecil (1.5-3 V) pada lapisan LC nipis disebabkan oleh kelikatan yang agak rendah dan geseran dalaman cecair anisotropik membawa kepada perubahan dalam orientasi hablur cecair. Adalah penting untuk ditekankan di sini bahawa medan elektrik tidak bertindak pada molekul individu, tetapi pada kumpulan berorientasikan molekul (kawanan atau domain) yang terdiri daripada puluhan ribu molekul, akibatnya tenaga interaksi elektrostatik dengan ketara melebihi tenaga. pergerakan terma molekul. Akibatnya, kristal cecair cenderung berputar sedemikian rupa sehingga arah pemalar dielektrik maksimum bertepatan dengan arah medan elektrik. Dan disebabkan oleh nilai birefringence n yang besar, proses orientasi membawa kepada perubahan mendadak dalam struktur dan sifat optik kristal cecair.

Buat pertama kalinya, kesan medan elektrik dan magnet pada kristal cecair telah dikaji oleh ahli fizik Rusia V.K. Frederiks, dan proses orientasinya dipanggil peralihan elektro-optik (atau kesan) Frederiks. Salah satu daripada tiga orientasi molekul yang paling biasa ditunjukkan dalam Rajah. 5. a. Ini ialah orientasi planar, yang tipikal untuk nematik dengan anisotropi dielektrik negatif (< 0), когда длинные оси молекул параллельны стеклянным поверхностям ячейки.

Orientasi homeotropik direalisasikan untuk kristal cecair dengan anisotropi dielektrik positif (> 0) (Rajah 5b). Dalam kes ini, paksi panjang molekul dengan momen dipol longitudinal terletak di sepanjang arah medan berserenjang dengan permukaan sel. Akhirnya, twist atau orientasi terpiuh molekul mungkin (Rajah 5c). Orientasi ini dicapai dengan pemprosesan khas plat kaca, di mana paksi panjang molekul diputar ke arah dari bawah ke kaca atas sel elektro-optik. Ini biasanya dicapai dengan menggosok kaca ke arah yang berbeza atau menggunakan bahan khas - orientasi yang menetapkan arah orientasi molekul.

Tindakan mana-mana penunjuk LC adalah berdasarkan penyusunan semula struktur antara jenis orientasi molekul yang ditunjukkan, yang teraruh apabila medan elektrik yang lemah digunakan. Mari kita pertimbangkan, sebagai contoh, cara dail LCD jam tangan elektronik berfungsi. Asas dail sudah biasa kepada kita sel elektro-optik, walaupun agak ditambah (Rajah 6, a, b). Sebagai tambahan kepada gelas dengan elektrod terpercik, dua polarizer, satah polarisasi yang bertentangan, tetapi bertepatan dengan arah paksi panjang molekul pada elektrod, cermin juga ditambah terletak di bawah polarizer bawah (tidak ditunjukkan dalam angka). Elektrod bawah biasanya dibuat pepejal, dan elektrod atas berbentuk, terdiri daripada tujuh segmen elektrod kecil, yang mana anda boleh menggambarkan sebarang nombor atau huruf (Rajah 6, c). Setiap segmen sedemikian "dikuasakan" oleh elektrik dan dihidupkan mengikut program yang diberikan daripada penjana kecil. Orientasi awal nematic dipintal, iaitu, kita mempunyai apa yang dipanggil orientasi twist molekul (lihat Rajah 5, c dan 6, a). Cahaya jatuh pada polarizer atas dan menjadi satah terpolarisasi mengikut polarisasinya.

Sekiranya tiada medan elektrik (iaitu, dalam keadaan mati), cahaya, "mengikuti" putaran - orientasi nematik, mengubah arahnya mengikut paksi optik nematik dan pada output akan mempunyai arah polarisasi yang sama seperti polarizer bawah (lihat Rajah 6, A). Dengan kata lain, cahaya akan melantun dari cermin dan kita akan melihat latar belakang yang terang. Apabila medan elektrik dihidupkan untuk hablur cecair nematik dengan anisotropi dielektrik positif (> 0), peralihan daripada orientasi pintal berpintal kepada orientasi molekul homeotropik akan berlaku, iaitu, paksi panjang molekul akan bertukar dalam arah berserenjang dengan elektrod, dan struktur heliks akan runtuh (Rajah 6, b). Sekarang cahaya, tanpa mengubah arah polarisasi awal, bertepatan dengan polarisasi polarisasi atas, akan mempunyai arah polarisasi yang bertentangan dengan polaroid bawah, dan mereka, seperti yang dilihat dalam Rajah. 6b berada dalam kedudukan bersilang. Dalam kes ini, cahaya tidak akan sampai ke cermin, dan kita akan melihat latar belakang yang gelap. Dalam erti kata lain, termasuk medan, anda boleh melukis sebarang aksara gelap (huruf, nombor) pada latar belakang yang terang, menggunakan, sebagai contoh, sistem elektrod tujuh segmen mudah (Rajah 6c).

Ini adalah prinsip operasi mana-mana penunjuk LCD. Kelebihan utama penunjuk ini ialah voltan kawalan rendah (1.5-5 V), penggunaan kuasa rendah (1-10 μW), kontras imej tinggi, kemudahan penyepaduan ke dalam mana-mana litar elektronik, kebolehpercayaan dan harga relatif murah.

2.2 Cara-cara mengawal lingkaran kolesterik

Antara jenis kristal cecair yang dipertimbangkan, kolesterik mungkin mempunyai sifat optik yang paling eksotik. Struktur heliks kristal cecair kolesterik yang tersusun dengan sangat halus (lihat Rajah 2, c) sangat sensitif kepada pelbagai pengaruh luaran. Dengan menukar suhu, tekanan, menggunakan medan elektromagnet dan tegasan mekanikal, adalah mungkin untuk mengubah pic heliks kolesterik dengan ketara, dan mengikut persamaan (1) adalah mudah untuk menukar warna kolesterik. Kepekaan yang sangat besar bagi sebatian ini, yang membolehkan "melalui" semua warna spektrum dalam julat 0.01 -0.001 ° C. menunjukkan kemungkinan luar biasa penggunaan bahan-bahan ini sebagai penunjuk terma yang sangat berkesan.

Bagi kebanyakan kolesterik, pic heliks berkurangan dengan peningkatan suhu, dan, akibatnya, panjang gelombang maksimum cahaya yang dipantulkan secara terpilih juga berkurangan (Rajah 7). Dalam erti kata lain, setiap yang ditunjukkan dalam Rajah. 7 suhu - T 0 , T 1 , T 2 dan T 3 - sepadan dengan warnanya. Oleh itu, dengan menggunakan kristal cecair kolesterik pada permukaan pelbagai objek, adalah mungkin untuk mendapatkan topografi taburan suhu, yang menjadikannya penunjuk haba dan visualisasi yang sangat diperlukan untuk pelbagai aplikasi dalam kejuruteraan dan perubatan. Dengan memperkenalkan kolesterik ke dalam filem polimer, iaitu, dengan mendapatkan apa yang dipanggil kristal cecair terkapsul, seseorang boleh mencipta bahan filem yang sangat mudah yang boleh digunakan sebagai termometer, serta untuk visualisasi dan "fotografi" medan haba.

Dalam tahun-tahun kebelakangan ini, campuran kristal cecair kolesterik telah dibangunkan yang mengubah warna secara mendadak (dan seterusnya pic heliks) di bawah pengaruh kepekatan kecil tetapi berbahaya wap berbahaya pelbagai sebatian kimia. LCD sedemikian - penunjuk boleh bertukar warna dalam masa yang sangat singkat (1-2 minit) apabila kepekatan wap berbahaya yang dibenarkan melebihi, dengan itu bertindak sebagai sejenis sensor kimia.

Salah satu faktor luaran yang boleh digunakan untuk mengawal padang heliks kolesterik boleh menjadi medan elektrik atau magnet. Apabila medan digunakan, heliks kolesterik mula beransur-ansur berehat, manakala padang heliks meningkat, dengan jelas "menjejaki" magnitud voltan yang digunakan. Dan ini bermakna anda boleh mengawal warna lapisan kolesterik kristal cecair secara berterusan. Pada beberapa yang dipanggil kekuatan medan kritikal, heliks boleh dirungkai sepenuhnya, dengan itu menukarkan kristal cecair kolesterik menjadi nematik (salah satu jenis kesan Freedericksz). Proses pelepasan lingkaran sedang dikaji secara aktif untuk digunakan dalam skrin rata berwarna dikawal secara elektronik.

3. Penggunaan hablur cecair

3.1 Hablur cecair hari ini dan esok

Banyak kesan optik dalam kristal cecair, yang telah dibincangkan di atas, telah pun dikuasai oleh teknologi dan digunakan dalam produk yang dihasilkan secara besar-besaran. Sebagai contoh, semua orang tahu jam tangan dengan penunjuk pada kristal cecair, tetapi tidak semua orang tahu bahawa kristal cecair yang sama digunakan untuk menghasilkan jam tangan dengan kalkulator terbina dalam. Di sini adalah sukar untuk mengatakan apa yang perlu dipanggil peranti sedemikian, sama ada jam tangan atau komputer. Tetapi ini adalah produk yang sudah dikuasai oleh industri, walaupun hanya beberapa dekad yang lalu ini kelihatan tidak realistik. Prospek untuk aplikasi jisim dan cekap kristal cecair masa hadapan adalah lebih mengejutkan. Oleh itu, perlu dibincangkan tentang beberapa idea teknikal untuk penggunaan kristal cecair, yang belum dilaksanakan, tetapi, mungkin, dalam beberapa tahun akan datang mereka akan menjadi asas untuk mencipta peranti yang akan menjadi biasa kepada kita seperti , katakan, penerima transistor kini.

3.2 Mikrofon optik

Dalam pemprosesan maklumat optik dan sistem komunikasi, ia menjadi perlu untuk menukar bukan sahaja isyarat cahaya kepada isyarat cahaya, tetapi juga pelbagai jenis pengaruh lain kepada isyarat cahaya. Pengaruh sedemikian boleh menjadi tekanan, bunyi, suhu, ubah bentuk, dll. Dan untuk menukar pengaruh ini menjadi isyarat optik, peranti kristal cecair sekali lagi menjadi elemen sistem optik yang sangat mudah dan menjanjikan.

Sudah tentu, terdapat banyak kaedah untuk menukar kesan yang disenaraikan kepada isyarat optik, tetapi sebahagian besar kaedah ini pertama kali dikaitkan dengan menukar kesan itu kepada isyarat elektrik, yang kemudiannya anda boleh mengawal fluks cahaya. Oleh itu, kaedah ini adalah dua peringkat dan, oleh itu, tidak begitu mudah dan menjimatkan untuk dilaksanakan. Kelebihan menggunakan kristal cecair untuk tujuan ini ialah dengan bantuan mereka pelbagai jenis kesan boleh terus ditukar kepada isyarat optik, yang menghapuskan pautan perantaraan dalam rantai isyarat kesan-cahaya, dan oleh itu memperkenalkan penyederhanaan asas dalam kawalan daripada fluks bercahaya. Satu lagi kelebihan elemen LCD ialah ia mudah serasi dengan pemasangan peranti gentian optik.

Untuk menggambarkan kemungkinan menggunakan LCD untuk mengawal isyarat cahaya, mari kita bincangkan tentang prinsip operasi "mikrofon optik" pada peranti LCD, yang dicadangkan untuk penukaran langsung isyarat akustik kepada isyarat optik.

Gambar rajah litar mikrofon optik adalah sangat mudah. Unsur aktifnya ialah lapisan nematik berorientasikan. Getaran bunyi mencipta ubah bentuk berkala masa lapisan, yang juga menyebabkan orientasi semula molekul dan modulasi polarisasi (intensiti) fluks cahaya terkutub yang berlalu.

Kajian tentang ciri-ciri mikrofon optik pada LCD menunjukkan bahawa parameternya tidak kalah dengan sampel sedia ada dan boleh digunakan dalam talian komunikasi optik, membenarkan penukaran langsung isyarat audio kepada isyarat optik. Ia juga ternyata bahawa dalam hampir keseluruhan julat suhu kewujudan fasa nematik, ciri-ciri akusto-optiknya kekal praktikal tidak berubah.

3.3 Cara membuat TV stereo

Sebagai satu lagi yang menggoda, tidak dijangka dan mengenai hampir semua aplikasi kristal cecair, ia patut disebut idea untuk mencipta sistem televisyen stereo menggunakan kristal cecair. Lebih-lebih lagi, yang kelihatan sangat menggoda, sistem "televisyen stereo pada kristal cecair" sedemikian boleh dilaksanakan dengan kos pengubahsuaian yang sangat mudah bagi kamera televisyen pemancar dan penambahan penerima televisyen biasa dengan cermin mata khas, yang cermin mata adalah dilengkapi dengan penapis kristal cecair.

Idea di sebalik sistem televisyen stereo ini sangat mudah. Jika kita mengambil kira bahawa bingkai imej pada skrin TV dibentuk baris demi baris, dan dengan cara yang garis ganjil dipaparkan terlebih dahulu, dan kemudian genap, kemudian menggunakan cermin mata dengan penapis kristal cecair adalah mudah untuk membuatnya begitu. bahawa mata kanan, sebagai contoh, hanya melihat garis genap, dan kiri - ganjil . Untuk melakukan ini, sudah cukup untuk menyegerakkan menghidupkan dan mematikan penapis kristal cecair, i.e. keupayaan untuk melihat imej pada skrin secara berselang-seli dengan satu atau mata yang lain, menjadikan satu atau satu lagi gelas yang telus secara bergantian dengan garisan genap dan ganjil diserlahkan.

Sekarang agak jelas apakah komplikasi kamera televisyen pemancar yang akan memberikan kesan stereo kepada penonton. Adalah perlu bahawa kamera televisyen pemancar adalah stereo, i.e. agar ia mempunyai dua kanta yang sepadan dengan persepsi objek oleh mata kiri dan kanan seseorang, garisan genap pada skrin telah dibentuk menggunakan kanan, dan garisan ganjil menggunakan kanta kiri kamera pemancar.

Sistem cermin mata dengan penapis pengatup kristal cecair yang disegerakkan dengan pengendalian TV mungkin tidak praktikal untuk kegunaan besar-besaran. Ada kemungkinan bahawa sistem stereo di mana cermin mata dilengkapi dengan polaroid biasa akan menjadi lebih kompetitif. Dalam kes ini, setiap gelas cermin mata menghantar cahaya terkutub linear, satah polarisasi yang berserenjang dengan satah polarisasi cahaya yang dihantar oleh kaca kedua. Kesan stereo dalam kes ini dicapai menggunakan filem kristal cecair yang didepositkan pada skrin TV dan memancarkan cahaya dari garis genap satu polarisasi linear, dan dari garis ganjil polarisasi linear lain berserenjang dengan yang pertama.

Mana satu sistem televisyen stereo yang diterangkan akan dilaksanakan atau sistem yang sama sekali berbeza akan bertahan, masa depan akan ditunjukkan.

3.4 Cermin mata untuk angkasawan

Berkenalan lebih awal dengan topeng untuk pengimpal elektrik, dan kini dengan cermin mata untuk televisyen stereo, anda akan melihat bahawa dalam peranti ini penapis kristal cecair terkawal serta-merta menyekat seluruh bidang pandangan satu atau kedua-dua mata. Sementara itu, terdapat situasi apabila adalah mustahil untuk menyekat keseluruhan bidang pandangan seseorang dan pada masa yang sama adalah perlu untuk menyekat bahagian individu bidang pandangan.

Sebagai contoh, keperluan sedemikian mungkin timbul untuk angkasawan dalam keadaan kerja mereka di angkasa di bawah cahaya matahari yang sangat terang, tidak dilemahkan oleh sama ada atmosfera atau awan. Tugas ini, seperti dalam kes topeng untuk pengimpal elektrik atau cermin mata untuk televisyen stereo, boleh diselesaikan dengan penapis kristal cecair terkawal.

Komplikasi cermin mata dalam kes ini ialah bidang pandangan setiap mata kini mesti bertindih bukan satu penapis, tetapi beberapa penapis dikawal secara bebas. Sebagai contoh, penapis boleh dibuat dalam bentuk cincin sepusat yang berpusat pada cermin mata atau dalam bentuk jalur pada kaca cermin mata, setiap satunya, apabila dihidupkan, hanya meliputi sebahagian daripada bidang pandangan mata.

Cermin mata sedemikian boleh berguna bukan sahaja untuk angkasawan, tetapi juga untuk orang-orang dari profesion lain, yang kerjanya mungkin dikaitkan bukan sahaja dengan pencahayaan yang tidak berselerak terang, tetapi juga dengan keperluan untuk melihat sejumlah besar maklumat visual.

Sebagai contoh, dalam kokpit pesawat moden, terdapat sejumlah besar panel instrumen. Walau bagaimanapun, tidak semuanya diperlukan oleh juruterbang pada masa yang sama. Oleh itu, penggunaan juruterbang cermin mata yang mengehadkan bidang pandangan boleh berguna dan memudahkan kerjanya, kerana ia membantu menumpukan perhatiannya hanya pada sebahagian daripada instrumen yang diperlukan pada masa ini dan menghapuskan pengaruh maklumat yang mengganggu. itu tidak diperlukan pada masa itu.

Cermin mata sedemikian juga akan sangat berguna dalam kajian bioperubatan kerja pengendali yang berkaitan dengan persepsi sejumlah besar maklumat visual. Hasil daripada kajian sedemikian, adalah mungkin untuk menentukan kelajuan tindak balas pengendali terhadap isyarat visual, menentukan peringkat yang paling sukar dan membosankan dalam kerjanya, dan akhirnya mencari jalan untuk mengatur kerjanya secara optimum. Yang terakhir bermaksud menentukan cara terbaik untuk menyusun panel instrumen, jenis penunjuk instrumen, warna dan sifat isyarat yang berbeza-beza tahap kepentingannya.

Penapis jenis ini dan penunjuk pada kristal cecair sudah pasti akan menemui (dan sudah menemui) aplikasi luas dalam peralatan filem dan fotografi. Untuk tujuan ini, ia menarik kerana ia memerlukan jumlah tenaga yang tidak ketara untuk mengawalnya, dan dalam beberapa kes ia memungkinkan untuk dikecualikan daripada bahagian peralatan yang melakukan pergerakan mekanikal. Dan seperti yang anda ketahui, sistem mekanikal selalunya yang paling rumit dan tidak boleh dipercayai.

Apakah bahagian mekanikal peralatan filem dan fotografi yang anda maksudkan? Pertama sekali, ini adalah diafragma, penapis - pengecil fluks cahaya, dan akhirnya, pengganggu fluks cahaya dalam kamera filem, disegerakkan dengan pergerakan filem dan memberikan pendedahan bingkai demi bingkainya.

Prinsip reka bentuk elemen LCD sedemikian jelas daripada yang sebelumnya. Sebagai pencelah dan penapis pelemahan, adalah wajar untuk menggunakan sel LC, di mana, di bawah tindakan isyarat elektrik, penghantaran cahaya berubah ke seluruh kawasannya. Untuk diafragma tanpa bahagian mekanikal, sistem sel dalam bentuk cincin sepusat, yang boleh mengubah kawasan tingkap telus yang menghantar cahaya di bawah tindakan isyarat elektrik. Ia juga harus diperhatikan bahawa struktur berlapis yang mengandungi kristal cecair dan semikonduktor foto, i.e. elemen seperti ketelusan optik terkawal boleh digunakan bukan sahaja sebagai penunjuk, contohnya, pendedahan, tetapi juga untuk tetapan apertur automatik dalam peralatan filem dan fotografi.

Walaupun kesederhanaan asas peranti yang dibincangkan, pengenalan meluasnya ke dalam pengeluaran besar-besaran bergantung pada beberapa isu teknologi yang berkaitan dengan memastikan hayat perkhidmatan yang panjang bagi elemen LCD, operasinya dalam julat suhu yang luas, dan akhirnya, persaingan dengan teknikal tradisional dan mantap. penyelesaian, dsb. Walau bagaimanapun, penyelesaian semua masalah ini hanya menunggu masa, dan tidak lama lagi mungkin sukar untuk membayangkan kamera yang sempurna tanpa peranti LCD.

Kesimpulan

Jadi, kristal cecair mempunyai dua sifat, menggabungkan sifat cecair (kecairan) dan sifat badan kristal (anisotropi). Tingkah laku mereka tidak selalu boleh digambarkan menggunakan kaedah dan konsep biasa. Tetapi tepat di sini daya tarikan mereka terletak pada penyelidik yang ingin mengetahui perkara yang masih tidak diketahui.

Baru-baru ini, polimer cecair-hablur telah ditemui dan dikaji secara intensif, ferroelektrik LC polimer telah muncul, dan organoelemen rantaian fleksibel dan sebatian LC yang mengandungi logam yang membentuk jenis mesofasa baharu sedang dikaji secara aktif. Dunia kristal cecair adalah sangat besar dan meliputi julat terluas objek semula jadi dan sintetik, menarik perhatian bukan sahaja saintis - ahli fizik, ahli kimia dan ahli biologi, tetapi juga penyelidik praktikal yang bekerja dalam pelbagai jenis cabang teknologi moden (elektronik, optoelektronik, sains komputer, holografi, dll.). P.).

Bibliografi

1. Shibaev V.P. Kristal luar biasa atau cecair misteri // Jurnal Pendidikan Soros. 1996. N11. ms 37-46.

2. Chandrasekhar S. Hablur cecair - M.: Mir, 1980 hlm. 344

3. Titov V.V., Sevostyanov V.P., Kuzmin N.G., Semenov A.M. Paparan hablur cecair: struktur, sintesis, sifat hablur cecair. - Minsk: Rumah Penerbitan NPOOO "Microvideosystems", 1998 hlm. 238

Dokumen Serupa

Sejarah penemuan kristal cecair. Klasifikasi mereka, struktur molekul dan struktur. Hablur cecair termotropik: jenis smectic, nematic dan kolesterik. LCD Lyotropik. Anisotropi sifat fizikal. Bagaimana untuk menguruskan kristal cecair.

abstrak, ditambah 05/27/2010


Ciri umum fenomena permukaan dalam hablur cecair. Pertimbangan ciri-ciri tersendiri kristal cecair smectic, pelbagai peringkat pesanan mereka. Kajian anisotropi sifat fizik mesophase, tahap susunan.

abstrak, ditambah 10/10/2015


Kristal pepejal: struktur, pertumbuhan, sifat. "Kehadiran susunan" dalam orientasi ruang molekul sebagai sifat kristal cecair. Cahaya terkutub linear. Kristal nematik, smetik dan kolesterik. Konsep umum ferroelektrik.

kertas penggal, ditambah 17/11/2012


Keadaan jirim hablur cecair (mesomorfik). Pembentukan fasa baru. Jenis hablur cecair: smectic, nematic dan cholesteric. Hablur cecair termotropik dan liotropik. Karya D. Forlender, menyumbang kepada sintesis sebatian.

pembentangan, ditambah 27/12/2010


Jenis utama kristal. Pertumbuhan kristal semulajadi dan tiruan. Tumbuh kristal sebagai proses fizikal dan kimia, peralatan yang diperlukan. Kaedah untuk pembentukan kristal. Tumbuh kristal tunggal daripada fasa cair, larutan dan wap.

abstrak, ditambah 06/07/2013


Kajian tentang konsep, jenis dan kaedah pembentukan kristal - pepejal di mana atom disusun secara teratur, membentuk susunan ruang berkala tiga dimensi - kekisi kristal. Pembentukan hablur daripada cair, larutan, wap.

pembentangan, ditambah 04/08/2012


Punca dan keadaan penghabluran zarah bahan. Teori asal usul dan pertumbuhan kristal ideal dalam karya Gibbs, Volmer, Kossel dan Stranski. Penerangan tentang kecacatan titik, linear, dua dimensi dan isipadu. Sejarah mendapatkan kristal buatan.

abstrak, ditambah 18/11/2010


Konsep struktur jirim dan faktor utama yang mempengaruhi pembentukannya. Ciri-ciri utama bahan amorf dan kristal, jenis kekisi kristal. Pengaruh jenis ikatan pada struktur dan sifat kristal. Intipati isomorfisme dan polimorfisme.

ujian, ditambah 10/26/2010


Struktur struktur nano karbon. Sejarah penemuan, struktur geometri dan kaedah mendapatkan fullerene. Sifat fizikal, kimia, penyerapan, optik, mekanikal dan tribologi mereka. Prospek untuk penggunaan praktikal fullerene.

kertas penggal, ditambah 11/13/2011


Sejarah penemuan hidrogen. Ciri-ciri umum bahan. Lokasi unsur dalam sistem berkala, struktur atomnya, sifat kimia dan fizikal, berada di alam semula jadi. Penggunaan praktikal gas untuk kegunaan yang berfaedah dan berbahaya.

Hablur cecair ialah bahan yang berada dalam keadaan mesomorfik (tengah, pertengahan) antara cecair isotropik dan hablur pepejal. Unsur-unsur ini adalah cecair, mampu dalam bentuk titisan. Bersama-sama dengan manifestasi sifat-sifat ini, kristal cecair mempamerkan anisotropi sifat magnetik, elektrik, optik dan lain-lain kerana keteraturan dalam orientasi molekul. Dalam erti kata lain, bahan mempunyai ciri pelbagai arah. Jika tiada pengaruh luar, kekonduksian terma, kekonduksian elektrik, dan kerentanan magnet adalah anisotropik dalam kristal cecair. Dichroism dan birefringence dicatatkan dalam bahan.

Kristal cecair smectic

Buat pertama kalinya mereka ditemui dalam sabun (oleh itu nama - "smegma" - sabun). Hujung-hujung molekul seolah-olah ditetapkan dalam satah berserenjang dengan paksi membujurnya. Kristal cecair smectic dicirikan oleh struktur berlapis. Bahan-bahan ini termasuk larutan akueus sabun, etil ester asid azoksibenzoik.

"Smectics" dianggap sebagai kelas kristal cecair yang paling luas. Beberapa varieti mereka juga didapati ferroelektrik (kehadiran polarisasi spontan dalam julat suhu tertentu). Kelikatan yang tinggi menghalang penggunaan meluas kristal cecair smectic dalam teknologi.

Nematik

Hablur cecair nematik berbeza dalam orientasi paksi molekul longitudinal dalam arah tertentu. Dalam erti kata lain, mereka dicirikan oleh susunan orientasi jarak jauh. Nama kristal berasal dari takrif Yunani "nema" - benang. Disinclinations (filamen) sangat mudah alih dan boleh dilihat dengan jelas dalam cahaya semula jadi.

Kristal cecair kolesterik dan aplikasinya

Bentuk molekul bahan jenis ini ialah plat bujur selari. Kolesterik memberikan ester kolesterol propil, kolesteril sinamat, derivatif kolesterol lain.

Penunjuk haba kristal cecair jenis kolesterik digunakan secara meluas dalam diagnostik perubatan dan teknikal. Kepekaan bahan-bahan ini kepada suhu memungkinkan untuk memvisualisasikan taburan suhu di atas permukaan. Ini, seterusnya, digunakan dalam introskopi (pemerhatian proses di dalam badan yang optik legap), dalam pengesanan penyakit tertentu, dan juga dalam kristal ini membentuk gambar suhu dalam bentuk carta warna. Kolesterik juga boleh digunakan dalam visualisasi medan gelombang mikro. Untuk pengeluaran penunjuk, kesan penyebaran cahaya dinamik digunakan. Paparan kristal cecair menggunakan cahaya ambien. Ini membolehkan pengurangan ketara dalam penggunaan kuasa. Oleh itu, kuasa adalah susunan magnitud yang lebih rendah daripada dalam fosfor filem dan serbuk, diod pemancar cahaya, dan penunjuk nyahcas gas. Kolesterik digunakan dalam asas penukaran kepada imej inframerah yang boleh dilihat.

Dalam kristal cecair kolesterik (berbanding dengan yang nematik), penyerakan cahaya dinamik boleh mempunyai ingatan - keadaan yang menyerakkan cahaya boleh berterusan walaupun selepas medan dialihkan. Pada masa yang sama, sifat-sifat tertentu kolesterik mempengaruhi tempoh keadaan. Oleh itu, ingatan boleh bertahan dari beberapa minit hingga beberapa tahun. Voltan berselang-seli membawa kepada keadaan awal (tidak melesap) kolesterik. Sifat yang ditentukan digunakan dalam pembentukan sel memori.

Kristal cecair - visualisasi grafik

Hablur cecair ialah keadaan fasa di mana bahan secara serentak mempunyai kedua-dua sifat cecair dan sifat kristal. Iaitu, mereka mempunyai kecairan, dan pada masa yang sama mereka dicirikan oleh anisotropi - perbezaan dalam sifat medium tertentu bergantung pada arah di dalamnya (contohnya, indeks biasan, kelajuan bunyi atau kekonduksian terma).

Hablur cecair mempunyai struktur cecair likat yang terdiri daripada molekul berbentuk cakera. Orientasi molekul ini boleh berubah apabila berinteraksi dengan medan elektrik.

Pada tahun 1888, ahli botani Austria Friedrich Reinitzer mendapati bahawa beberapa jenis kristal mempunyai dua takat lebur, yang membayangkan bahawa terdapat dua keadaan cecair yang berbeza, di mana bahan itu lutsinar, dan yang lain adalah keruh.

Dan walaupun pada tahun 1904 ahli fizik Jerman Otto Lehmann memberikan beberapa bukti saintifik yang memihak kepada kristal cecair dalam bukunya dengan nama yang sama, kristal cecair tidak diiktiraf sebagai keadaan jirim yang berasingan untuk masa yang lama. Pada tahun 1963, pencipta Amerika James Ferguson mendapati kegunaan untuk salah satu sifat LC - berubah warna bergantung pada suhu. Seorang warga Amerika telah menerima paten untuk ciptaan yang boleh mengesan medan haba yang tidak dapat dilihat oleh mata. Sejak itu, populariti kristal cecair mula berkembang.

Kumpulan hablur cecair dan sifatnya

Kristal cecair biasanya dibahagikan kepada dua kumpulan:

1. Lyotropic - terbentuk dalam campuran yang terdiri daripada molekul berbentuk rod bagi bahan tertentu dan pelarut polar (contohnya, air).

Aplikasi Kristal Cecair

Paparan LCD

Pertama sekali, perlu diperhatikan bukan yang paling berguna, tetapi aplikasi LCD yang paling terkenal - paparan kristal cecair. Kadang-kadang ia dipanggil paparan LCD, yang merupakan singkatan daripada bahasa Inggeris "paparan kristal cecair". Pada zaman alat, paparan sedemikian terdapat dalam hampir mana-mana peranti elektronik: TV, monitor komputer, kamera digital, pelayar, kalkulator, e-buku, tablet, telefon, jam tangan elektronik, pemain, dll.

Peranti paparan LCD agak rumit, tetapi secara amnya ia adalah satu set plat kaca, di antaranya terdapat kristal cecair (matriks LCD), dan banyak sumber cahaya. Piksel matriks LCD termasuk sepasang elektrod lutsinar yang membolehkan anda menukar orientasi molekul kristal cecair, serta sepasang penapis polarisasi yang melaraskan tahap ketelusan, dsb.

termografi

Aplikasi LCD yang kurang popular tetapi lebih penting ialah termografi. Termografi membolehkan anda mendapatkan imej terma objek, hasil daripada pendaftaran sinaran inframerah - haba. Peranti penglihatan malam inframerah digunakan oleh anggota bomba, sekiranya terdapat asap di dalam bilik, untuk mengesan mangsa kebakaran. Mereka juga menemui aplikasi dalam perkhidmatan keselamatan dan perkhidmatan ketenteraan.

Pengimejan terma membolehkan anda mengesan titik panas, kegagalan penebat haba, atau kawasan kecemasan lain semasa penyelenggaraan atau pembinaan talian kuasa.

Termografi juga digunakan dalam pengimejan perubatan, terutamanya untuk memerhatikan kelenjar susu. Ini membolehkan anda mengesan pelbagai penyakit onkologi, seperti kanser payudara.

Penunjuk elektronik

Penunjuk elektronik yang dibuat menggunakan kristal cecair bertindak balas terhadap pelbagai suhu, akibatnya mereka boleh memaklumkan tentang kegagalan dan pelanggaran dalam elektronik. Sebagai contoh, LC dalam bentuk filem digunakan pada papan litar bercetak dan litar bersepadu, serta transistor. Segmen elektronik yang rosak mudah dibezakan dengan penunjuk ini.

Di samping itu, penunjuk LCD yang terletak pada kulit pesakit memungkinkan untuk mengesan keradangan dan tumor pada manusia.

Penunjuk kristal cecair juga digunakan untuk mengesan wap pelbagai sebatian kimia berbahaya, serta untuk mengesan sinaran ultraungu dan gamma. LC digunakan untuk membangunkan pengesan ultrasound dan meter tekanan.

Sebagai tambahan kepada aplikasi langsung LC di kawasan yang disenaraikan di atas, perlu diperhatikan bahawa kristal cecair dalam banyak cara serupa dengan beberapa struktur selular, dan kadang-kadang terdapat di dalamnya. Oleh kerana sifat dielektriknya, kristal cecair mengawal hubungan dalam sel, antara sel dan tisu, dan antara sel dan persekitaran. Oleh itu, kajian tentang sifat dan tingkah laku kristal cecair boleh menyumbang kepada biologi molekul.

St. in (optik, elektrik, magnet, dll.) jika tiada susunan jarak jauh tiga dimensi dalam susunan zarah ( , ). Oleh itu, kristal cecair keadaan itu sering dipanggil juga mesomorfik (mesophase). Selang suhu untuk kewujudan cecair adalah terhad kepada pepejal dan dipanggil. t-kumpulan pencerahan, dengan segerombolan kristal cecair. sampel mendung menjadi lutsinar disebabkan oleh mesophase dan perubahannya menjadi isotropik. kristal cecair samb. mempunyai bentuk berbentuk batang atau cakera dan cenderung terletak secara dominan. selari antara satu sama lain. T. naz. cecair termotropik terbentuk semasa terma. impak pada in-in. Cecair sedemikian membentuk, sebagai contoh, derivatif aromatik. Comm yang mengandungi linear dan kitaran berselang-seli. kumpulan (cincin benzena). LCD fasa terbentuk paling kerap jika substituen dalam terletak pada kedudukan para. Sebilangan besar hablur cecair termotropik. samb. m. b. diwakili oleh formula umum:

X biasanya -CH=N-, - CH 2 -CH 2 -, - HC \u003d CH-,, -C (O) -NH-. Tamatkan kumpulan Y dan Z m. kumpulan alkil dan alkoksil, cyano-, nitro-, dll. Contoh beberapa cecair diberikan dalam jadual. Selalunya serpihan tegar, sebagai contoh, kitaran. kumpulan yang menentukan kewujudan mesophase, dipanggil. "mesogenik". Kehadiran cawangan dalam membawa kepada penyempitan selang suhu untuk kewujudan mesophase.

K - hablur pepejal. keadaan, I - isotropik (), N - nematics, S(S A , S B , S F - smectics, D - diskotik, Ch - cholesterics. Cecair liotropik terbentuk dengan bahan tertentu dalam pelarut tertentu. Contohnya, larutan air, dsb. membentuk cecair dalam selang waktu tertentu dan t-r. Unit struktur cecair liotropik adalah formasi supramolekul terurai. jenis, diedarkan dalam p-pelarut sederhana dan mempunyai silinder., sfera. atau bentuk lain. Bergantung pada sifat lokasi berbentuk batang, terdapat tiga utama. jenis cecair - smectic, nematic dan kolesterik. Dalam smectic cecair (ia dipanggil smectics, dilambangkan dengan S) terletak dalam lapisan. Pusat graviti yang memanjang berada dalam satah yang sama jarak dan mudah alih dalam dua dimensi (pada satah smectic). Paksi panjang boleh terletak sama ada berserenjang dengan satah smectic. lapisan (smectics ortogonal, Rajah 1, a), dan pada sudut tertentu ke lapisan (smectics serong, Rajah 1, b).


nasi. 1. Struktur cecair smectic (a dan b) dan nematik (c) (a - ortogonal, b - susunan serong).

Di samping itu, ia mungkin susunan teratur dan tidak teratur dalam lapisan itu sendiri. Semua ini menentukan kemungkinan decomp pendidikan. pengubahsuaian polimorfik. Dikenali dengan St. sedozen smectic polimorfik. pengubahsuaian yang dilambangkan dengan huruf Latin, smectics A, B, C, dsb. (atau S A, S B, S C, dsb.). Pembentukan smectic fasa ciri hablur cecair. Comm., to-rykh mengandungi alkil terminal panjang atau kumpulan alkoksi Y dan Z dengan nombor/ 4-6. Nematik cecair (nematics N) dicirikan oleh kehadiran susunan orientasi, dengan paksi panjang Krom terletak secara satu arah dengan susunan rawak pusat graviti (Rajah 1, c). Nematik jenis sebatian bentuk cecair, di mana terdapat kumpulan alkil atau alkoksi pendek (nombor[ 3).

nasi. 2. Struktur cecair kolesterik; garis putus-putus menunjukkan langkah; anak panah menunjukkan arah paksi panjang.

Kolesterik jenis mesophase (Chol cholesterics) dibentuk oleh dua kumpulan sebatian: derivatif aktif optik, ch. arr. (oleh itu namanya), dan sebatian bukan steroid yang tergolong dalam kelas sebatian yang sama, kepada-rai membentuk nematik. cecair, tetapi mempunyai (alkil-, alkoksi-, azometina yang digantikan oleh asiloksi, terbitan kayu manis kepada-anda, azo-, dsb.). Dalam kolesterik yang cecair terletak dengan cara yang sama seperti dalam yang nematik, tetapi dalam setiap lapisan mereka diputar relatif kepada lokasinya di lapisan bersebelahan dengan sudut tertentu. Pada keseluruhannya, struktur yang diterangkan oleh heliks direalisasikan (Rajah 2). V-va dengan berbentuk cakera (disko D) boleh membentuk cecair, di mana ia dibungkus ke dalam lajur (terdapat susunan jarak jauh dalam orientasi satah berbentuk cakera) atau disusun dengan cara yang sama seperti dalam nematics (ada bukan susunan jarak jauh) (Rajah 3, a dan b ). Struktur pelik bagi hablur cecair. Comm., menyediakan gabungan keteraturan dalam susunan dengan mobiliti tinggi mereka, mentakrifkan pelbagai jenis praktikal. penggunaan cecair. Arah faedah. orientasi, dicirikan oleh unit paksi, atau pengarah, boleh berubah dengan mudah di bawah pengaruh decomp. samb. faktor - t-ry, bulu. voltan, voltan elektrik. dan magn. padang.

nasi. 3. Struktur cecair diskotik: a - fasa kolumnar; b - fasa nematik.

Punca langsung orientasi atau orientasi semula pengarah - viskoelastik, optik, elektrik. atau magn. Rabu St. Sebaliknya, mengubah faedah. orientasi menyebabkan perubahan dalam optik, elektrik. dan St. lain dalam cecair, iaitu, ia mewujudkan kemungkinan mengawal St. anda melalui luaran yang agak lemah. impak, dan juga membolehkan anda mendaftarkan impak ini. Elektro-optik St. nematic. cecair digunakan secara meluas dalam sistem untuk memproses dan memaparkan maklumat, dalam alfanumerik (jam elektronik, kalkulator, paparan, dll.), optik. pintu pagar dan peranti injap cahaya lain. Kelebihan peranti ini adalah penggunaan kuasa yang rendah (daripada susunan 0.1 mW / cm 2), voltan bekalan rendah (beberapa V), yang memungkinkan, sebagai contoh, untuk menggabungkan kristal cecair. paparan dengan litar bersepadu dan dengan itu memastikan pengecilan peranti penunjuk (skrin TV rata). Struktur lingkaran kolesterik menentukan optik tinggi mereka. (tepi adalah beberapa susunan magnitud lebih tinggi daripada org. konvensional dan pepejal) dan keupayaan untuk memantulkan cahaya terkutub bulat secara terpilih dalam julat boleh dilihat, IR dan UV. Apabila menukar t-ry, komposisi persekitaran, keamatan elektromagnet. perubahan medan padang, yang disertai dengan perubahan dalam optik. sv-in, dalam warna tertentu. Ini membolehkan anda mengukur suhu badan dengan menukar warna cecair