สารละลายที่เป็นของแข็งและผลึกเหลว ผลึกเหลวในเทคโนโลยี

ผลึกเหลวเรียกว่าของเหลวแอนไอโซทรอปิกซึ่งประกอบด้วยโมเลกุลที่รักษาลำดับที่แน่นอนในการจัดเรียงที่สัมพันธ์กัน (Anisotropy เป็นการพึ่งพาคุณสมบัติทางกายภาพของสารในทิศทาง) ตัวอย่างเช่น อะตอมในโมเลกุลสามารถตั้งอยู่ตามแกนที่กำหนด และโมเลกุลที่ยืดออกดังกล่าวจะถูกจัดวางในผลึกเหลว เช่นเดียวกับในผลึกที่เป็นของแข็ง ตามแนวพิเศษ ทิศทาง. ทิศทางพิเศษในผลึกเหลวและของแข็งเรียกว่าแกนแสง เนื่องจากการมีอยู่ของมันสัมพันธ์กับคุณสมบัติทางแสงที่โดดเด่นของวัสดุเหล่านี้ (การหักเหของแสง การหมุนระนาบของโพลาไรเซชันของแสง ฯลฯ) ในผลึกเหลว ทิศทางของแกนแสงสามารถเปลี่ยนได้อย่างง่ายดายโดยใช้สนามไฟฟ้า ซึ่งต่างจากผลึกแข็งตรงที่แกนแสงได้รับการแก้ไขอย่างแน่นหนา ต้องใช้แรงดันไฟฟ้าต่ำมากในการควบคุมคุณสมบัติทางแสงของผลึกเหลว

ไดโพลไฟฟ้าเกิดขึ้นตามแกนยาวได้ง่ายกว่าตามแกนสั้น กล่าวคือ เมฆอิเล็กตรอนจะเคลื่อนตัวได้ง่ายเมื่อเทียบกับนิวเคลียสบวกตามโมเลกุลและข้ามผ่านได้ยาก ดังนั้นแรงคู่หนึ่งจึงเกิดขึ้นสร้างแรงบิดซึ่งหมุนโมเลกุลเพื่อให้แกนยาวของมันอยู่ในแนวสนาม E

หากตัวกลางผลึกเหลวขยายออกไปอย่างไม่มีกำหนดในทุกทิศทาง แกนแสงก็จะหมุนด้วยสนามที่อ่อนแอตามอำเภอใจ ในความเป็นจริง ชั้นผลึกเหลวมีความหนาจำกัด (ประมาณ 0.01 มม.) และการวางแนวที่ค่อนข้างเข้มงวดของโมเลกุลบนพื้นผิวของแข็งที่กำหนดชั้น ดังนั้นการเบี่ยงเบนของสนามจึงขัดแย้งกับการกระทำที่มีเสถียรภาพของแรงยืดหยุ่น อันที่จริง ความเบี่ยงเบนของแกนแสงในชั้นผลึกเหลวเริ่มต้นเมื่อแรงบิดของแรงไฟฟ้ามากกว่าโมเมนต์การคืนแรงของแรงยืดหยุ่น มีขีดจำกัดความต่างที่อาจเกิดขึ้น (ประมาณ 1 V) ซึ่งสูงกว่านี้ ซึ่งง่ายต่อการควบคุมแกนออปติคัลในตัวบ่งชี้คริสตัลเหลวแบบต่างๆ

นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่าโมเลกุลผลึกเหลวทั้งหมดเชื่อมต่อกันและจัดวางในลักษณะเดียวกัน และเพียงพอที่จะหมุนหนึ่งในโมเลกุลเหล่านี้เพื่อให้กลุ่มโมเลกุลทั้งหมดเปลี่ยนทิศทางของมัน

แสงตกกระทบจะถูกโพลาไรซ์โดยโพลาไรเซอร์ด้านบน ผ่านแผ่นกระจกและเข้าสู่ชั้นผลึกเหลว หากวงจรไฟฟ้าเปิด เช่นเดียวกับในเส้นทางของลำแสงด้านซ้าย ในสถานที่นี้ การวางแนวเกลียวของแกนแสงจะถูกรักษาไว้ ดังนั้น เมื่อลำแสงด้านซ้ายผ่าน โพลาไรซ์ของมันจะหมุนตามการหมุนของแกนแสง ที่ทางออกจากชั้นและแผ่นกระจกด้านล่าง การหมุนนี้จะอยู่ที่ 90° และโพลาไรซ์ของแสงจะเกิดขึ้นพร้อมกับแกนของโพลาไรเซอร์ที่ต่ำกว่า ส่งผลให้ลำแสงด้านซ้ายทะลุผ่านโพลาไรเซอร์ สะท้อนออกจากกระจก และเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้าม ตัวบ่งชี้ส่วนนี้ดูสว่างสำหรับผู้สังเกต

ที่ส่วนขวาที่อยู่ติดกันของตัวบ่งชี้ ลำแสงจะผ่านในขณะที่วงจรปิดไปที่หมายเลข 8 แสงโพลาไรซ์ที่กระทบกับชั้นผลึกเหลวจะพบแกนแสงในแนวตั้งที่นี่ นี่คือวิธีที่สนามไฟฟ้าหมุนโมเลกุลที่มีโพลาไรซ์อย่างดีตามแกนยาว ดังนั้นแสงจะผ่านชั้นใต้ส่วนของหมายเลข 8 โดยไม่เปลี่ยนโพลาไรเซชัน และจะถูกพบโดยโพลาไรเซอร์ล่าง ซึ่งแกนจะตั้งฉากกับโพลาไรซ์ของแสง ดังนั้นลำแสงนี้จะไปไม่ถึงกระจกเนื่องจากจะถูกดูดกลืนไปตลอดทางและจะไม่กลับมายังผู้สังเกต - หมายเลข 8 จะดูมืดเมื่อตัดกับพื้นหลังสีอ่อน

นี่คือวิธีการจัดเรียงตัวบ่งชี้ที่เป็นตัวอักษรและตัวเลขในเครื่องคิดเลข, ตัวแปลอิเล็กทรอนิกส์, มาตราส่วนเครื่องมือวัดและมาตราส่วนการปรับ, ป้ายบอกคะแนนต่างๆ ฯลฯ หน้าจอคริสตัลเหลว (จอแสดงผล) ที่มีส่วนจำนวนมาก - อิเล็กโทรดและวงจรควบคุมอิเล็กทรอนิกส์ที่ซับซ้อนทำหน้าที่เป็นหน้าจอโทรทัศน์ ตัวแปลงภาพ (อุปกรณ์มองเห็นตอนกลางคืน) หมายถึงการควบคุมลำแสงในคอมพิวเตอร์อิเล็กทรอนิกส์ความเร็วสูง

สารบางชนิดในสถานะผลึกเหลวสามารถผสมกันและก่อตัวเป็นผลึกเหลวที่มีโครงสร้างและคุณสมบัติต่างกัน สิ่งนี้จะขยายขอบเขตการใช้งานในเทคโนโลยี

หลักสูตรการทำงาน

ผลึกเหลว การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีของพวกเขาอีนี

บทนำ

คำว่า "ผลึกเหลว" ที่ผสมผสานกันอย่างผิดปกตินั้นคงคุ้นเคยกันดีอยู่แล้วสำหรับใครหลายๆ คน แม้ว่าไม่ใช่ทุกคนจะจินตนาการถึงสิ่งที่อยู่เบื้องหลังแนวคิดที่แปลกประหลาดและขัดแย้งนี้ได้ สารที่น่าอัศจรรย์เหล่านี้ประสบความสำเร็จในการรวมคุณสมบัติแอนไอโซโทรปิกของผลึกและคุณสมบัติการไหลของของเหลวเข้าด้วยกัน

ในเวลาเดียวกัน อาจมีคนทุกวินาทีที่พกตัวบ่งชี้คริสตัลเหลว (LC) ติดตัวไปด้วยและมองดูนาฬิกาอิเล็กทรอนิกส์ของเขาหลายสิบครั้งต่อวัน LCD - หน้าปัดที่นับชั่วโมง นาที วินาที และบางครั้งเป็นเศษส่วนของวินาทีได้อย่างแม่นยำ เป็นตัวบ่งชี้ LCD ที่เป็นพื้นฐานของเครื่องคิดเลขสมัยใหม่ คอมพิวเตอร์พกพาโน้ตบุ๊ก ทีวีจอแบนขนาดเล็ก พจนานุกรมนักแปล วิทยุติดตามตัว และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทางเทคนิคและอุปกรณ์ในครัวเรือนที่ทันสมัยอื่น ๆ อีกมากมาย

การผลิต LCD และจอแสดงผลทั่วโลกอยู่ในพันล้านและคาดว่าจะเพิ่มขึ้นอีก สามารถพูดได้โดยไม่ต้องพูดเกินจริงว่าความก้าวหน้าและการพัฒนาสาขาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีจำนวนหนึ่งเป็นไปไม่ได้หากปราศจากการพัฒนางานวิจัยในด้านผลึกเหลว สิ่งที่น่าสนใจไม่น้อยคือผลึกเหลวจากมุมมองของชีววิทยาและกระบวนการชีวิต การทำงานของเยื่อหุ้มเซลล์และ DNA, การส่งกระแสประสาท, การทำงานของกล้ามเนื้อ, การก่อตัวของเนื้อเยื่อ atherosclerotic - นี่ยังห่างไกลจากรายชื่อกระบวนการทั้งหมดที่เกิดขึ้นในระยะ LC โดยมีลักษณะเฉพาะในระยะนี้ - แนวโน้มที่จะ การจัดระเบียบตนเองและการรักษาความคล่องตัวของโมเลกุลสูง

1. ชนิดและคุณสมบัติของผลึกเหลว

1.1 ประวัติการค้นพบผลึกเหลว

กว่า 100 ปีผ่านไปตั้งแต่การค้นพบผลึกเหลว พวกเขาถูกค้นพบครั้งแรกโดยนักพฤกษศาสตร์ชาวออสเตรีย ฟรีดริช ไรนิทเซอร์ โดยสังเกตจุดหลอมเหลวของโคเลสเตอรอลเอสเทอร์สองจุด นั่นคือ คอเลสเตอริลเบนโซเอต (รูปที่ 1)

ที่อุณหภูมิหลอมเหลว (T pl) 145 0 C สารที่เป็นผลึกจะกลายเป็นของเหลวที่ขุ่นและกระจายแสงได้สูง ด้วยการให้ความร้อนอย่างต่อเนื่อง เมื่อถึงอุณหภูมิ 179 ° C ของเหลวจะใส (จุดใส (T pr)) เช่น เริ่มมีพฤติกรรมทางสายตาเหมือนของเหลวทั่วไป เช่น น้ำ พบคุณสมบัติที่ไม่คาดคิดของโคเลสเตอริลเบนโซเอตในระยะขุ่น การตรวจสอบเฟสนี้ภายใต้กล้องจุลทรรศน์โพลาไรซ์ Reinitzer พบว่ามีการหักเหของแสง ซึ่งหมายความว่าดัชนีการหักเหของแสงเช่น ความเร็วของแสงในระยะนี้ขึ้นอยู่กับโพลาไรซ์

ปรากฏการณ์ของ birefringence เป็นเอฟเฟกต์ผลึกทั่วไป ซึ่งประกอบด้วยความจริงที่ว่าความเร็วของแสงในคริสตัลขึ้นอยู่กับทิศทางของระนาบโพลาไรเซชันของแสง เป็นสิ่งสำคัญที่จะถึงค่าสูงสุดและต่ำสุดสำหรับการวางแนวมุมฉากสองทิศทางร่วมกันของระนาบโพลาไรเซชัน แน่นอนว่าทิศทางของโพลาไรเซชันที่สอดคล้องกับค่าสูงสุดของความเร็วของแสงในคริสตัลนั้นถูกกำหนดโดยแอนไอโซโทรปีของคุณสมบัติของคริสตัลและถูกกำหนดโดยทิศทางของแกนผลึกที่สัมพันธ์กับทิศทางของแสง การขยายพันธุ์

ดังนั้นสิ่งที่ได้กล่าวว่าการมีอยู่ของ birefringence ในของเหลวซึ่งจะต้องเป็นแบบไอโซโทรปิก กล่าวคือ ว่าคุณสมบัติของมันควรจะเป็นอิสระจากทิศทางดูเหมือนขัดแย้ง สิ่งที่เป็นไปได้มากที่สุดในขณะนั้นอาจดูเหมือนอยู่ในระยะขุ่นของอนุภาคขนาดเล็กที่ยังไม่ละลายของคริสตัล ซึ่งก็คือผลึก ซึ่งเป็นแหล่งกำเนิดของการหักเหของแสง อย่างไรก็ตาม จากการศึกษาที่มีรายละเอียดมากขึ้น ซึ่ง Reinitzer เกี่ยวข้องกับนักฟิสิกส์ชาวเยอรมันชื่อ Otto Lehmann พบว่าระยะขุ่นไม่ใช่ระบบสองเฟส แต่เป็น anisotropic เนื่องจากคุณสมบัติของแอนไอโซโทรปีนั้นมีอยู่ในผลึกของแข็ง และสารในระยะขุ่นนั้นเป็นของเหลว เลห์แมนจึงเรียกมันว่าผลึกเหลว

ตั้งแต่นั้นมา สารที่สามารถรวมคุณสมบัติของของเหลว (ของไหล ความสามารถในการก่อตัวหยด) และคุณสมบัติของวัตถุที่เป็นผลึก (แอนไอโซโทรปี) ในช่วงอุณหภูมิเหนือจุดหลอมเหลวได้กลายเป็นที่รู้จักในชื่อผลึกเหลวหรือผลึกเหลว สาร LC มักเรียกว่า mesomorphic และเฟส LC ที่เกิดขึ้นจากสารเหล่านี้เรียกว่า mesophase สถานะดังกล่าวเป็นสถานะเฟสที่เสถียรทางอุณหพลศาสตร์และอย่างถูกต้อง ควบคู่ไปกับของแข็ง ของเหลว และก๊าซ ถือได้ว่าเป็นสถานะที่สี่ของสสาร

อย่างไรก็ตาม การทำความเข้าใจธรรมชาติของ LC - สถานะของสาร การจัดตั้งและการศึกษาโครงสร้างองค์กรนั้นมาช้ามาก ความไม่ไว้วางใจอย่างร้ายแรงเกี่ยวกับข้อเท็จจริงของการมีอยู่ของสารประกอบที่ผิดปกติดังกล่าวในยุค 20-30 ถูกแทนที่ด้วยการวิจัยเชิงรุก ผลงานของ D. Vorlender ในเยอรมนีมีส่วนอย่างมากในการสังเคราะห์สารประกอบ LC ใหม่ เพียงพอที่จะกล่าวได้ว่าวิทยานิพนธ์เกี่ยวกับผลึกเหลว 85 ฉบับเสร็จสมบูรณ์ภายใต้การดูแลของเขา ในวัยยี่สิบ Friedel เสนอให้แบ่งผลึกเหลวทั้งหมดออกเป็นสามกลุ่มใหญ่ ฟรีเดลเรียกกลุ่มของผลึกเหลวว่า:

1. nematic

2. สเมคติก

3. คอเลสเตอรอล

นอกจากนี้ เขายังเสนอคำศัพท์ทั่วไปสำหรับผลึกเหลว - "เฟสมีโซมอร์ฟิค" คำนี้มาจากคำภาษากรีก "mesos" (ระดับกลาง) และแนะนำสิ่งนี้ ฟรีเดลต้องการเน้นว่าผลึกเหลวอยู่ในตำแหน่งตรงกลางระหว่างผลึกจริงและของเหลวทั้งในอุณหภูมิและในคุณสมบัติทางกายภาพของพวกมัน

จากนั้น Dutchman S. Oseen และ Czech H. Zocher ได้สร้างทฤษฎีความยืดหยุ่นขึ้นโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซีย V.K. Frederiks และ V.N. Tsvetkov ในสหภาพโซเวียตในช่วงทศวรรษที่ 1930 ได้ตรวจสอบพฤติกรรมของผลึกเหลวในสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กเป็นครั้งแรก อย่างไรก็ตาม จนถึงช่วงทศวรรษที่ 1960 การศึกษาผลึกเหลวไม่ได้มีความสนใจในทางปฏิบัติอย่างมีนัยสำคัญ และการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ทั้งหมดมีความสนใจทางวิชาการที่ค่อนข้างจำกัดและค่อนข้างจำกัด

สถานการณ์เปลี่ยนไปอย่างมากในช่วงกลางทศวรรษ 1960 เมื่อการพัฒนาอย่างรวดเร็วของไมโครอิเล็กทรอนิกส์และการทำให้อุปกรณ์มีขนาดเล็กลง สารจำเป็นที่สามารถสะท้อนและส่งข้อมูลในขณะที่ใช้พลังงานน้อยที่สุด และที่นี่ ผลึกเหลวเข้ามาช่วย ซึ่งลักษณะคู่ (คุณสมบัติแอนไอโซโทรปีและการเคลื่อนที่ของโมเลกุลสูง) ทำให้สามารถสร้างตัวบ่งชี้ LCD ที่มีความเร็วสูงและประหยัดซึ่งควบคุมโดยสนามไฟฟ้าภายนอก ซึ่งเป็นองค์ประกอบหลักของ "กองทัพ" มูลค่าหลายล้านดอลลาร์ของนาฬิกา เครื่องคิดเลข ทีวีจอแบน และอื่นๆ

ในทางกลับกัน ผลึกเหลวที่เฟื่องฟูได้กระตุ้นกิจกรรมทางวิทยาศาสตร์เชิงรุก การประชุมระดับนานาชาติและการประชุมเกี่ยวกับผลึกเหลวถูกจัดขึ้น โรงเรียนสำหรับนักวิทยาศาสตร์รุ่นเยาว์ได้รับการจัดระเบียบ คอลเล็กชันและเอกสารเผยแพร่

คริสตัลที่ผิดปกติเหล่านี้คืออะไร และคุณสมบัติพิเศษอะไรที่ทำให้แทบขาดไม่ได้เลยในปัจจุบัน?

1.2 โครงสร้างโมเลกุลและโครงสร้างของผลึกเหลว

ขณะนี้ทราบว่ามีสารอินทรีย์ประมาณหนึ่งแสนชนิดที่สามารถอยู่ในสถานะ LC และจำนวนของสารประกอบดังกล่าวก็เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง หากทศวรรษแรกหลังจากการค้นพบผลึกเหลว ตัวแทนหลักของสารประกอบเหล่านี้เป็นเพียงสารที่ประกอบด้วยโมเลกุลรูปแท่งแบบอสมมาตรที่เรียกว่า calamitics (จากภาษากรีก "calamis" - reed) จากนั้นจึงพบว่า สารหลากหลายชนิดที่มีโมเลกุลที่มีรูปร่างซับซ้อนกว่า (จาน แผ่น ฯลฯ) โมเลกุลของสารประกอบ LC มักถูกเรียกว่ามีโซเจน และกลุ่มหรือชิ้นส่วนของโมเลกุลที่มีส่วนช่วยในการก่อรูปของเฟส LC เรียกว่า หมู่เมโซเจนิก รูปที่ 1a แสดงตัวอย่างของ mesogens ที่มีรูปร่างเหมือนแท่ง - calomitics รวมถึงสูตรทางเคมีของ mesogens ที่มีรูปร่างเป็นดิสก์ (discotic) และ mesogens ที่มีรูปร่างเหมือนแผ่นกระดาน (sanidiki) (จากภาษากรีก "sanidis" - plank)

ดังที่เห็นได้จากรูปที่ 1a กลุ่ม mesogenic ที่พบบ่อยที่สุดคือวงแหวนเบนซีนที่เชื่อมโยงกันโดยตรงด้วยความช่วยเหลือของกลุ่มสารเคมีต่างๆ (-CH=CH-, -CH=N-, -NH-CO เป็นต้น) ลักษณะเฉพาะของสารประกอบ LC ทั้งหมดคือรูปร่างมาเลคูที่ไม่สมมาตร ซึ่งให้แอนไอโซโทรปีที่สามารถโพลาไรซ์ได้ และมีแนวโน้มที่โมเลกุลจะขนานกันเป็นส่วนใหญ่ตามแนวยาว (คาลามิติก้าและซานิดิกิ) และแกนสั้น (ดิสโก้)

1.3 ผลึกเหลวเทอร์โมทรอปิก

ขึ้นอยู่กับธรรมชาติของการจัดเรียงของโมเลกุล ตามการจำแนกประเภทที่เสนอโดยฟรีเดล โครงสร้างหลักสามประเภทของสารประกอบ LC มีความโดดเด่น: สเมกติก นีมาติก และคอเลสเตอร โครงสร้างประเภทที่ระบุหมายถึงผลึกเหลวเทอร์โมโทรปิกที่เรียกว่าผลึกเหลวซึ่งเกิดขึ้นภายใต้การกระทำทางความร้อนของสาร (ความร้อนหรือความเย็น) เท่านั้น ในรูป รูปที่ 2 แสดงการจัดเรียงของโมเลกุลรูปแท่งและดิสก์ในการดัดแปลงโครงสร้างสามรายการที่ระบุไว้ของผลึกเหลว

ผลึกเหลวชนิด smectic (smectics - จากคำภาษากรีก "smegma" - สบู่) นั้นใกล้เคียงที่สุดกับวัตถุที่เป็นผลึกจริง โมเลกุลถูกจัดเรียงเป็นชั้นๆ และจุดศูนย์ถ่วงของพวกมันเคลื่อนที่ได้ในสองมิติ (บนระนาบ smectic) ในกรณีนี้ แกนยาวของโมเลกุลในแต่ละชั้นสามารถตั้งอยู่ได้ทั้งในแนวตั้งฉากกับระนาบของชั้น (smectics มุมฉาก) และบางมุม (smectics เฉียง) ทิศทางของการวางแนวเด่นของแกนโมเลกุลมักจะเรียกว่าผู้อำนวยการซึ่งมักจะแสดงโดยเวกเตอร์ n (รูปที่ 2a)

ผลึกเหลวชนิด nematic (nematics จากภาษากรีก "nema" - ด้าย) มีลักษณะเฉพาะโดยการมีแกนโมเลกุลยาว (calamitic) หรือแกนสั้น (discotic) (รูปที่ 2 b และ d, ตามลำดับ) ในกรณีนี้ จุดศูนย์ถ่วงของโมเลกุลจะสุ่มอยู่ในอวกาศ ซึ่งบ่งชี้ว่าไม่มีลำดับการแปล

ประเภทที่ซับซ้อนที่สุดของการจัดลำดับโมเลกุลผลึกเหลวคือคอเลสเตอรอล (cholesteric) ซึ่งเกิดจากโมเลกุล chiral (ออปติคัลแอคทีฟ) ที่มีอะตอมของคาร์บอนอสมมาตร ซึ่งหมายความว่าโมเลกุลดังกล่าวไม่สมมาตรเหมือนกระจก ตรงกันข้ามกับโมเลกุลที่สมมาตรในกระจกของเนเมติกส์ Cholesteric mesophase ถูกพบครั้งแรกสำหรับอนุพันธ์ของคอเลสเตอรอล จึงเป็นที่มาของชื่อ Cholesterics มีลักษณะหลายอย่างคล้ายกับ nematics ซึ่งทำให้เกิดการเรียงลำดับการวางแนวแบบหนึ่งมิติ พวกเขายังเกิดขึ้นจากการเพิ่มสารประกอบ chiral จำนวนเล็กน้อย (1-2 โมล.%) ให้กับ nematics ดังจะเห็นได้จากรูปที่ 2c ในกรณีนี้ ทำให้เกิดการบิดเป็นเกลียวของโมเลกุลเพิ่มเติม และบ่อยครั้งที่คอเลสเตอรเรียกว่า นีมาติกแบบบิด

โครงสร้างขดลวดเป็นระยะของ cholesterics กำหนดคุณลักษณะเฉพาะของพวกเขา - ความสามารถในการสะท้อนแสงที่ตกกระทบอย่างเฉพาะเจาะจง "ทำงาน" ในกรณีนี้เป็นตะแกรงเลี้ยวเบน ที่มุมสะท้อนคงที่ เงื่อนไขการรบกวนจะเกิดขึ้นกับลำแสงที่มีสีเดียวกันเท่านั้น และชั้นคอเลสเตอรอล (หรือฟิล์ม) ดูเหมือนจะมีสีเดียว สีนี้กำหนดโดยพิทช์ของเกลียว P ซึ่งในมุมปกติของการตกกระทบของแสงนั้นสัมพันธ์กับความยาวคลื่นสูงสุดของแสงสะท้อนสูงสุด:

P = สูงสุด / n, (1)

โดยที่ n คือดัชนีการหักเหของแสงของคอเลสเตอรอล ผลของการสะท้อนแสงแบบเลือกเฟ้นที่มีความยาวคลื่นที่แน่นอนโดยฟิล์มคอเลสเตอรอลนี้เรียกว่าการสะท้อนแบบเลือกเฟ้น ขึ้นอยู่กับระยะพิทช์ของเกลียวซึ่งกำหนดโดยลักษณะทางเคมีของคอเลสเตอรอล ความยาวคลื่นสูงสุดของแสงสะท้อนสามารถอยู่ในส่วนที่มองเห็นได้ เช่นเดียวกับในพื้นที่อินฟราเรดและยูวีของสเปกตรัม กำหนดพื้นที่กว้างของการใช้งาน ของคุณสมบัติทางแสงของคอเลสเตอรอล

mesophases ทั้งสามประเภทใด ๆ มักจะถูกมองว่าเป็นสื่อแอนไอโซโทรปิกแบบต่อเนื่อง ซึ่งในไมโครโวลูมขนาดเล็ก (มักเรียกว่าฝูงหรือโดเมน) ประกอบด้วยโมเลกุล 10 4 -10 5 โมเลกุล ตามกฎแล้วโมเลกุลจะเรียงตัวขนานกัน .

ตอนนี้ มาพิจารณาโครงสร้างระดับมหภาคของผลึกเหลว ซึ่งส่วนใหญ่มักเรียกว่าพื้นผิว ซึ่งหมายถึงรายละเอียดเชิงโครงสร้างของตัวอย่างคริสตัลเหลวทั้งหมดที่วางอยู่ระหว่างแก้ว 2 ใบ และตรวจสอบโดยใช้กล้องจุลทรรศน์โพลาไรซ์แบบออปติคัล คริสตัลเหลวแต่ละประเภทจะสร้างพื้นผิวที่มีลักษณะเฉพาะของตัวเองโดยธรรมชาติ ซึ่งมักจะระบุได้ ตามกฎแล้วพื้นผิวของผลึกเหลวนั้น "ถ่ายรูปได้" มากจนโฟโตไมโครกราฟที่สวยงามของพวกมันมักจะเข้าไปยุ่งบนหน้าปกของวารสารทางวิทยาศาสตร์และสิ่งพิมพ์ทางวิทยาศาสตร์ยอดนิยม

ผลึกเหลว Nematic มีลักษณะเฉพาะที่เรียกว่าพื้นผิว schlieren (รูปที่ 3a) ซึ่งเป็นระบบของเส้นใยบางๆ และจุดที่มี "หาง" สีดำเป็นเส้นใย เส้นเหล่านี้เรียกว่า disclinations (จากภาษากรีก "kline" - ความลาดชัน) พวกเขาเป็นตัวแทนของสถานที่ของการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วในทิศทางของการวางแนวของแกนยาวของโมเลกุล เท็กซ์เจอร์ที่เป็นลักษณะเฉพาะของสเมคติกส์คือเท็กซ์เจอร์แบบพัด ซึ่งในหลาย ๆ ด้านคล้ายกับผลึกของของแข็งธรรมดา (รูปที่ 3b) ซึ่งเน้นถึงความคล้ายคลึงกันมากที่สุดในการจัดโครงสร้างสเมกติกแบบสองมิติและคริสตัลแบบสามมิติ คอเลสเตอรที่ไม่เน้นรูปร่างเป็นพื้นผิวคอนโฟคอล ซึ่งประกอบด้วยการก่อตัวที่ซับซ้อนที่แยกจากกันและเชื่อมต่อถึงกันซึ่งเรียกว่าโดเมนคอนโฟคอล (รูปที่ 3c)

สิ่งสำคัญคือต้องสังเกตว่าพื้นผิวที่พิจารณาทั้งหมดมีความไม่แน่นอนอย่างยิ่งและได้รับการจัดเรียงโครงสร้างใหม่ได้อย่างง่ายดายภายใต้อิทธิพลภายนอกเล็กน้อย (ความเค้นทางกล สนามไฟฟ้า อุณหภูมิ ฯลฯ)

1.4 ผลึกเหลวไลโอโทรปิก

ผลึกเหลว lyotropic นั้นแตกต่างจากผลึกเหลวเทอร์โมโทรปิกที่เกิดขึ้นจากการละลายสารประกอบแอมฟิฟิลิคจำนวนหนึ่งในตัวทำละลายบางชนิดและตามกฎแล้วมีโครงสร้างที่ซับซ้อนกว่าผลึกเหลวเทอร์โมทรอปิก สารประกอบแอมฟิฟิลิกประกอบด้วยโมเลกุลที่มีกลุ่มที่ชอบน้ำและไม่ชอบน้ำ สารประกอบดังกล่าวมีการกระจายอย่างกว้างขวางในธรรมชาติ ตัวอย่างเช่น กรดไขมันใด ๆ ที่เป็นสะเทินน้ำสะเทินบก โมเลกุลของมันประกอบด้วยสองส่วน: "หัว" ขั้วโลก (กลุ่ม COOH) และ "หาง" ไฮโดรคาร์บอน [CH 3 (CH 2) n -] สารประกอบดังกล่าวเมื่อละลายในน้ำ มักจะก่อตัวเป็นสารละลายไมเซลลาร์ ซึ่งหัวขั้วจะยื่นออกมาเมื่อสัมผัสกับน้ำ และหางของไฮโดรคาร์บอนเมื่อสัมผัสกัน ให้มองเข้าด้านใน ไมเซลล์ดังกล่าว (รูปที่ 4, a) เป็นองค์ประกอบโครงสร้างที่สร้างผลึกเหลว lyotropic ขึ้น เช่น รูปทรงทรงกระบอกหรือแผ่นลามิเนต (รูปที่ 4, b, c)

ซึ่งแตกต่างจากผลึกเหลวเทอร์โมโทรปิกซึ่งการก่อตัวของ mesophase บางประเภทถูกกำหนดโดยอุณหภูมิเท่านั้นในระบบ lyotropic ประเภทของการจัดโครงสร้างจะถูกกำหนดโดยสองพารามิเตอร์: ความเข้มข้นของสารและอุณหภูมิ ผลึกเหลว Lyotropic ส่วนใหญ่มักเกิดขึ้นจากระบบชีวภาพที่ทำงานในตัวกลางที่เป็นน้ำ อยู่ในระบบเหล่านี้ที่ลักษณะเฉพาะของผลึกเหลว ซึ่งรวม lability กับแนวโน้มสูงสำหรับการจัดตัวเอง แสดงออกในรูปแบบที่โดดเด่นที่สุด เราจำกัดตัวเองไว้เพียงตัวอย่างเดียวที่เกี่ยวข้องกับเซลล์และออร์แกเนลล์ภายในเซลล์ที่หุ้มด้วยเยื่อหุ้มเซลล์บางๆ ที่มีคำสั่งสูง การศึกษาโครงสร้างสมัยใหม่แสดงให้เห็นว่าเยื่อหุ้มเซลล์เป็นโครงสร้าง LC ของ lyotropic lamellar labile ทั่วไป ซึ่งประกอบด้วยฟอสโฟลิปิดสองชั้น ซึ่งโปรตีน โพลีแซคคาริล โคเลสเตอรอล และส่วนประกอบสำคัญอื่นๆ จะ "ละลาย" (รูปที่ 4d) โครงสร้างแบบแอนไอโซทรอปิกของเมมเบรนทำให้สามารถปกป้องส่วนในของมันจากอิทธิพลภายนอกที่ไม่ต้องการได้ และในทางกลับกัน ลักษณะ "ของเหลว" ของมันให้คุณสมบัติการขนส่งสูง (การซึมผ่าน การขนส่งไอออน ฯลฯ) ซึ่งทำให้เซลล์มีบทบาทสำคัญในกระบวนการ กิจกรรมที่สำคัญ

1.5 Anisotropy ของคุณสมบัติทางกายภาพ - คุณสมบัติหลักของผลึกเหลว

เนื่องจากลักษณะโครงสร้างหลักของผลึกเหลวคือการมีลำดับการปฐมนิเทศเนื่องจากรูปร่างแบบแอนไอโซโทรปิกของโมเลกุล จึงเป็นเรื่องธรรมดาที่คุณสมบัติทั้งหมดจะถูกกำหนดไม่ทางใดก็ทางหนึ่งโดยระดับของการจัดวางแนว ในเชิงปริมาณ ระดับของการสั่งซื้อผลึกเหลวจะถูกกำหนดโดยพารามิเตอร์ลำดับ S ที่แนะนำโดย V.I. Tsvetkov ในยุค 40:

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

โดยที่มุมระหว่างแกนของโมเลกุลผลึกเหลวแต่ละโมเลกุลและทิศทางเด่นของทั้งมวลคือที่ไหน ซึ่งกำหนดโดยผู้อำนวยการ n (รูปที่ 2) (วงเล็บมุมหมายถึงค่าเฉลี่ยของการวางแนวโมเลกุลทั้งหมด) เป็นเรื่องง่ายที่จะเข้าใจว่าในเฟสของเหลวไอโซโทรปิกที่ไม่เป็นระเบียบอย่างสมบูรณ์ S = 0 และในผลึกแข็งสมบูรณ์ S = 1 พารามิเตอร์ลำดับของผลึกเหลวอยู่ในช่วงตั้งแต่ 0 ถึง 1 เป็นการดำรงอยู่ของลำดับการปฐมนิเทศที่กำหนด แอนไอโซโทรปีของคุณสมบัติทางกายภาพทั้งหมดของผลึกเหลว ดังนั้นรูปทรงแอนไอโซทรอปิกของโมเลกุลคาลามิติกจะเป็นตัวกำหนดลักษณะของการหักเหของแสง (n) และไดอิเล็กทริกแอนไอโซโทรปี () ซึ่งค่าที่สามารถแสดงได้ดังนี้:

n = n - n และ = - (3)

โดยที่ n, n และ เป็นดัชนีการหักเหของแสงและค่าคงที่ไดอิเล็กตริกตามลำดับ วัดที่การวางแนวขนานและตั้งฉากของแกนยาวของโมเลกุลที่สัมพันธ์กับผู้อำนวยการ ค่าของ n สำหรับสารประกอบ LC มักจะมีขนาดใหญ่มากและแตกต่างกันไปตามโครงสร้างทางเคมีของพวกมัน บางครั้งถึงค่าของคำสั่ง 0.3-0.4 ขนาดและเครื่องหมายขึ้นอยู่กับความสัมพันธ์ระหว่างแอนไอโซโทรปีที่สามารถโพลาไรซ์ได้ของโมเลกุล ค่าของโมเมนต์ไดโพลถาวร และมุมระหว่างทิศทางของโมเมนต์ไดโพลกับแกนโมเลกุลยาว ตัวอย่างของสารประกอบ LC สองชนิดที่แสดงคุณลักษณะโดยค่าบวกและค่าลบถูกแสดงไว้ด้านล่าง:

การให้ความร้อนกับผลึกเหลวลดลำดับการวางแนวพร้อมกับค่า n ที่ลดลงแบบโมโนโทนิกและเพื่อให้ ณ จุดที่เฟส LC หายไปที่ Tp แอนไอโซโทรปีของคุณสมบัติจะหายไปอย่างสมบูรณ์

ในขณะเดียวกัน มันคือแอนไอโซโทรปีของลักษณะทางกายภาพทั้งหมดของผลึกเหลว รวมกับความหนืดต่ำของสารประกอบเหล่านี้ ซึ่งทำให้สามารถปรับทิศทาง (และปรับทิศทางใหม่) โมเลกุลของพวกมันได้อย่างง่ายดายและมีประสิทธิภาพภายใต้การกระทำของ "การรบกวน" เล็กๆ ปัจจัย (สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กความเค้นเชิงกล) เปลี่ยนแปลงโครงสร้างและคุณสมบัติอย่างมีนัยสำคัญ นั่นคือเหตุผลที่ผลึกเหลวกลายเป็นสื่อเชิงแสงที่ขาดไม่ได้บนพื้นฐานของการสร้างตัวบ่งชี้ LCD รุ่นใหม่

2. วิธีการทางเทคโนโลยี

2.1 วิธีการควบคุมผลึกเหลว

การควบคุมของเหลวโมเลกุลคริสตัล

พื้นฐานของตัวบ่งชี้ LCD คือเซลล์ไฟฟ้าออปติคัลที่เรียกว่าอุปกรณ์ซึ่งแสดงในรูปที่ 5. แผ่นแก้วแบนสองแผ่นเคลือบด้วยชั้นนำโปร่งใสของดีบุกออกไซด์หรืออินเดียมออกไซด์ซึ่งทำหน้าที่เป็นอิเล็กโทรดถูกคั่นด้วยตัวเว้นวรรคบาง ๆ ที่ทำจากวัสดุที่ไม่นำไฟฟ้า (โพลีเอทิลีนเทฟลอน) ช่องว่างที่เกิดขึ้นระหว่างแผ่นเปลือกโลกซึ่งมีขนาดตั้งแต่ 5 ถึง 50 ไมครอน (ขึ้นอยู่กับวัตถุประสงค์ของเซลล์) จะเต็มไปด้วยผลึกเหลว และโครงสร้าง "แซนวิช" ทั้งหมดรอบปริมณฑลจะ "ปิดผนึก" ด้วยวัสดุยาแนวหรือวัสดุฉนวนอื่นๆ (รูปที่ 5). เซลล์ที่ได้รับจึงสามารถวางระหว่างโพลาไรเซอร์แบบฟิล์มบางมากสองอัน ซึ่งเป็นระนาบโพลาไรเซชันซึ่งก่อตัวเป็นมุมหนึ่ง เพื่อที่จะสังเกตผลกระทบของการวางแนวของโมเลกุลภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้า การใช้แรงดันไฟฟ้าขนาดเล็ก (1.5-3 V) กับชั้น LC บาง ๆ เนื่องจากความหนืดค่อนข้างต่ำและการเสียดสีภายในของของเหลวแอนไอโซทรอปิกทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในทิศทางของผลึกเหลว สิ่งสำคัญคือต้องเน้นที่นี่ว่าสนามไฟฟ้าไม่ได้ทำปฏิกิริยากับโมเลกุลแต่ละโมเลกุล แต่ในกลุ่มเชิงโมเลกุล (ฝูงหรือโดเมน) ที่ประกอบด้วยโมเลกุลนับหมื่นซึ่งเป็นผลมาจากการที่พลังงานของปฏิกิริยาไฟฟ้าสถิตมีมากกว่าพลังงานอย่างมีนัยสำคัญ ของการเคลื่อนที่เชิงความร้อนของโมเลกุล เป็นผลให้ผลึกเหลวมีแนวโน้มที่จะหมุนในลักษณะที่ทิศทางของค่าคงที่ไดอิเล็กตริกสูงสุดตรงกับทิศทางของสนามไฟฟ้า และเนื่องจากค่า birefringence n ที่มีค่ามาก กระบวนการปฐมนิเทศจึงทำให้โครงสร้างและคุณสมบัติทางแสงของผลึกเหลวเปลี่ยนแปลงไปอย่างรวดเร็ว

เป็นครั้งแรกที่นักฟิสิกส์ชาวรัสเซีย V.K. ศึกษาผลกระทบของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กต่อผลึกเหลว Frederiks และกระบวนการของการปฐมนิเทศเรียกว่าการเปลี่ยนแปลงทางไฟฟ้า (หรือเอฟเฟกต์) ของ Frederiks การวางแนวโมเลกุลที่พบบ่อยที่สุดหนึ่งในสามแสดงไว้ในรูปที่ 5. ก. นี่คือการวางแนวระนาบซึ่งเป็นเรื่องปกติสำหรับ nematics ที่มี anisotropy อิเล็กทริกเชิงลบ (< 0), когда длинные оси молекул параллельны стеклянным поверхностям ячейки.

การวางแนว Homeotropic เกิดขึ้นได้สำหรับผลึกเหลวที่มีไดอิเล็กทริก anisotropy เป็นบวก (> 0) (รูปที่ 5b) ในกรณีนี้ แกนยาวของโมเลกุลที่มีโมเมนต์ไดโพลตามยาวจะตั้งอยู่ตามทิศทางสนามที่ตั้งฉากกับผิวเซลล์ ในที่สุด การวางแนวของโมเลกุลแบบบิดหรือบิดก็เป็นไปได้ (รูปที่ 5c) การวางแนวนี้ทำได้โดยการประมวลผลแผ่นกระจกแบบพิเศษ ซึ่งแกนยาวของโมเลกุลจะหมุนไปในทิศทางจากด้านล่างถึงกระจกด้านบนของเซลล์แสง ซึ่งมักจะทำได้โดยการถูกระจกไปในทิศทางต่างๆ หรือใช้สารพิเศษ ซึ่งเป็นตัวกำหนดทิศทางของการวางแนวโมเลกุล

การทำงานของตัวบ่งชี้ LC จะขึ้นอยู่กับการจัดเรียงโครงสร้างใหม่ระหว่างประเภทการวางแนวโมเลกุลที่ระบุ ซึ่งจะเกิดขึ้นเมื่อสนามไฟฟ้าอ่อน มาพิจารณากัน ตัวอย่างเช่น หน้าปัด LCD ของนาฬิกาอิเล็กทรอนิกส์ทำงานอย่างไร พื้นฐานของแป้นหมุนนั้นคุ้นเคยกับเราอยู่แล้ว นอกจากแว่นตาที่มีอิเล็กโทรดสปัตเตอร์ โพลาไรเซอร์สองตัว ซึ่งระนาบโพลาไรซ์อยู่ตรงข้าม แต่ตรงกับทิศทางของแกนยาวของโมเลกุลที่อิเล็กโทรด กระจกยังถูกเพิ่มอยู่ใต้โพลาไรเซอร์ด้านล่างด้วย (ไม่แสดงใน รูป). อิเล็กโทรดด้านล่างมักจะทำให้แข็ง และอิเล็กโทรดด้านบนมีรูปร่าง ซึ่งประกอบด้วยส่วนอิเล็กโทรดขนาดเล็กเจ็ดส่วน ซึ่งคุณสามารถแสดงตัวเลขหรือตัวอักษรใดก็ได้ (รูปที่ 6, c) แต่ละส่วนดังกล่าว "ขับเคลื่อน" ด้วยไฟฟ้าและเปิดตามโปรแกรมที่กำหนดจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดเล็ก การวางแนวเริ่มต้นของ nematic นั้นบิดเบี้ยวนั่นคือเรามีการวางแนวการบิดของโมเลกุลที่เรียกว่า (ดูรูปที่ 5, c และ 6, a) แสงตกกระทบบนโพลาไรเซอร์บนและกลายเป็นระนาบโพลาไรซ์ตามโพลาไรซ์ของมัน

ในกรณีที่ไม่มีสนามไฟฟ้า (นั่นคือในสถานะปิด) แสง "ตาม" การบิด - ทิศทางของ nematic จะเปลี่ยนทิศทางตามแกนแสงของ nematic และที่เอาต์พุตจะมี ทิศทางโพลาไรซ์เดียวกันกับโพลาไรเซอร์ล่าง (ดูรูปที่ 6 , a) กล่าวอีกนัยหนึ่ง แสงจะสะท้อนจากกระจกและเราจะเห็นพื้นหลังของแสง เมื่อเปิดสนามไฟฟ้าสำหรับผลึกเหลวชนิดนีมาติกที่มีแอนไอโซโทรปีไดอิเล็กตริกเป็นบวก (> 0) จะเกิดการเปลี่ยนจากการวางแนวบิดเป็นเกลียวไปเป็นการวางแนวของโมเลกุลแบบชีวจิต กล่าวคือ แกนยาวของโมเลกุลจะเปลี่ยนใน ทิศทางตั้งฉากกับอิเล็กโทรดและโครงสร้างเกลียวจะยุบ (รูปที่ 6, b) ตอนนี้แสงโดยไม่เปลี่ยนทิศทางของโพลาไรซ์เริ่มต้น ประจวบกับโพลาไรซ์ของโพลาไรซ์บน จะมีทิศทางโพลาไรซ์ตรงข้ามกับโพลารอยด์ด้านล่าง และดังที่แสดงในรูปที่ 6b อยู่ในตำแหน่งไขว้ ในกรณีนี้ แสงจะส่องไม่ถึงกระจก และเราจะเห็นพื้นหลังสีเข้ม กล่าวอีกนัยหนึ่ง รวมถึงฟิลด์ คุณสามารถวาดอักขระสีเข้มใดๆ (ตัวอักษร ตัวเลข) บนพื้นหลังสีอ่อนได้ โดยใช้ตัวอย่างเช่น ระบบอิเล็กโทรดเจ็ดส่วนอย่างง่าย (รูปที่ 6c)

นี่คือหลักการทำงานของตัวบ่งชี้ LCD ข้อได้เปรียบหลักของตัวบ่งชี้เหล่านี้คือแรงดันไฟฟ้าควบคุมต่ำ (1.5-5 V), การใช้พลังงานต่ำ (1-10 μW), ความคมชัดของภาพสูง, ความสะดวกในการรวมเข้ากับวงจรอิเล็กทรอนิกส์ใด ๆ ความน่าเชื่อถือและราคาถูกสัมพัทธ์

2.2 วิธีควบคุมคอเลสเทอรอสเกลียว

ในบรรดาประเภทของผลึกเหลวที่พิจารณา โคเลสเตอรอลอาจมีคุณสมบัติทางแสงที่แปลกใหม่ที่สุด โครงสร้างเป็นเกลียวที่จัดอย่างประณีตอย่างผิดปกติของผลึกเหลวที่มีคอเลสเตอรอล (ดูรูปที่ 2, c) นั้นไวต่ออิทธิพลภายนอกที่หลากหลายอย่างมาก ด้วยการเปลี่ยนอุณหภูมิ ความดัน การใช้สนามแม่เหล็กไฟฟ้า และความเค้นเชิงกล ทำให้สามารถเปลี่ยนระดับเสียงของคอเลสเตอริกเฮลิกส์ได้อย่างมีนัยสำคัญ และตามสมการ (1) จะเปลี่ยนสีของคอเลสเตอรได้ง่าย ความไวมหาศาลของสารประกอบเหล่านี้ ซึ่งช่วยให้ "วิ่งผ่าน" ทุกสีของสเปกตรัมในช่วง 0.01 -0.001 ° C แสดงให้เห็นว่าการใช้สารเหล่านี้มีความเป็นไปได้ที่ไม่ธรรมดาเพียงใดในฐานะตัวบ่งชี้ความร้อนที่มีประสิทธิภาพสูง

สำหรับคอเลสเตอรอลส่วนใหญ่ ระยะพิทช์ของเกลียวจะลดลงตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น ด้วยเหตุนี้ ความยาวคลื่นของแสงสะท้อนที่เลือกสูงสุดจึงลดลงด้วย (รูปที่ 7) กล่าวอีกนัยหนึ่ง แต่ละรายการที่แสดงในรูปที่ 7 อุณหภูมิ - T 0 , T 1 , T 2 และ T 3 - สอดคล้องกับสีของมัน ดังนั้นด้วยการใช้ผลึกเหลวที่มีคอเลสเตอรอลกับพื้นผิวของวัตถุต่างๆ จึงเป็นไปได้ที่จะได้รับภูมิประเทศของการกระจายอุณหภูมิ ซึ่งทำให้เป็นตัวบ่งชี้ทางความร้อนและวิชวลไลเซอร์ที่ขาดไม่ได้สำหรับการใช้งานต่างๆ ในด้านวิศวกรรมและการแพทย์ โดยการนำสารคลอเลสเตอรอลเข้าไปในฟิล์มโพลีเมอร์ กล่าวคือ โดยการได้รับผลึกเหลวที่เรียกว่าห่อหุ้ม เราสามารถสร้างวัสดุฟิล์มที่สะดวกมากซึ่งสามารถใช้เป็นเทอร์โมมิเตอร์ได้ เช่นเดียวกับการแสดงภาพและ "ภาพถ่าย" ของแหล่งความร้อน

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ได้มีการพัฒนาส่วนผสมของผลึกเหลวคอเลสเตอรอลที่เปลี่ยนสีได้อย่างมาก (และด้วยเหตุนี้ระดับเสียงของเกลียว) ภายใต้อิทธิพลของความเข้มข้นเล็กน้อยแต่เป็นอันตรายของไอระเหยที่เป็นอันตรายของสารเคมีต่างๆ ตัวบ่งชี้ LCD ดังกล่าวสามารถเปลี่ยนสีได้ในเวลาอันสั้น (1-2 นาที) เมื่อเกินความเข้มข้นที่อนุญาตของไอระเหยที่เป็นอันตราย จึงทำหน้าที่เป็นเซ็นเซอร์ทางเคมีชนิดหนึ่ง

ปัจจัยภายนอกอย่างหนึ่งที่สามารถใช้ควบคุมระดับเสียงของคอเลสเตอรอยด์ได้คือสนามไฟฟ้าหรือสนามแม่เหล็ก เมื่อใช้สนาม คอเลสเตอริกเฮลิกส์จะเริ่มคลายออกทีละน้อย ในขณะที่ระยะพิทช์เฮลิกส์เพิ่มขึ้น เห็นได้ชัดว่า "ติดตาม" ขนาดของแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ และนี่หมายความว่าคุณสามารถควบคุมสีของชั้นคอเลสเตอรอลของผลึกเหลวได้อย่างต่อเนื่อง ที่ความแรงของสนามวิกฤตที่เรียกว่า เกลียวสามารถคลายเกลียวได้อย่างสมบูรณ์ ดังนั้นจึงเปลี่ยนผลึกเหลวที่มีคอเลสเตอรอลเป็นผลึกเหลว (หนึ่งในประเภทของเอฟเฟกต์ Freedericksz) กระบวนการคลี่คลายเกลียวกำลังอยู่ในระหว่างการวิจัยอย่างแข็งขันเพื่อใช้ในจอแบนสีที่ควบคุมด้วยระบบอิเล็กทรอนิกส์

3. การใช้ผลึกเหลว

3.1 ผลึกเหลววันนี้และพรุ่งนี้

เอฟเฟกต์แสงจำนวนมากในผลึกเหลวซึ่งได้กล่าวถึงข้างต้นนั้นได้รับการควบคุมโดยเทคโนโลยีแล้วและถูกนำมาใช้ในผลิตภัณฑ์ที่ผลิตเป็นจำนวนมาก ตัวอย่างเช่น ทุกคนรู้จักนาฬิกาที่มีตัวบ่งชี้คริสตัลเหลว แต่ไม่ใช่ทุกคนที่รู้ว่าคริสตัลเหลวชนิดเดียวกันนั้นใช้ในการผลิตนาฬิกาด้วยเครื่องคิดเลขในตัว นี่มันเป็นเรื่องยากด้วยซ้ำที่จะพูดว่าอุปกรณ์ดังกล่าวเป็นนาฬิกาหรือคอมพิวเตอร์ แต่สิ่งเหล่านี้เป็นผลิตภัณฑ์ที่เชี่ยวชาญในอุตสาหกรรมนี้แล้ว แม้ว่าเมื่อหลายสิบปีก่อนสิ่งนี้ดูเหมือนไม่สมจริง โอกาสสำหรับมวลในอนาคตและการใช้งานอย่างมีประสิทธิภาพของผลึกเหลวนั้นน่าประหลาดใจยิ่งกว่าเดิม ดังนั้นจึงควรพูดถึงแนวคิดทางเทคนิคหลายประการสำหรับการใช้ผลึกเหลวซึ่งยังไม่ได้ดำเนินการ แต่บางทีในอีกไม่กี่ปีข้างหน้าพวกเขาจะใช้เป็นพื้นฐานในการสร้างอุปกรณ์ที่เราจะคุ้นเคย สมมติว่าตอนนี้ตัวรับทรานซิสเตอร์อยู่

3.2 ไมโครโฟนออปติคัล

ในระบบการประมวลผลและการสื่อสารข้อมูลเชิงแสง จำเป็นต้องแปลงสัญญาณแสงเป็นสัญญาณไฟไม่เพียงเท่านั้น แต่ยังต้องเปลี่ยนอิทธิพลอื่นๆ อีกมากเป็นสัญญาณไฟด้วย อิทธิพลดังกล่าวอาจเป็นแรงกดดัน เสียง อุณหภูมิ การเสียรูป ฯลฯ และสำหรับการแปลงอิทธิพลเหล่านี้เป็นสัญญาณออปติคัล อุปกรณ์คริสตัลเหลวกลับกลายเป็นองค์ประกอบที่สะดวกและมีแนวโน้มมากของระบบออปติคัลอีกครั้ง

แน่นอนว่า มีหลายวิธีในการแปลงเอฟเฟกต์ในรายการเป็นสัญญาณออปติคัล แต่วิธีการเหล่านี้ส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับการแปลงเอฟเฟกต์เป็นสัญญาณไฟฟ้าก่อน ซึ่งคุณสามารถควบคุมฟลักซ์ของแสงได้ ดังนั้น วิธีการเหล่านี้เป็นแบบสองขั้นตอน จึงไม่ง่ายและประหยัดในการนำไปใช้ ข้อดีของการใช้ผลึกเหลวเพื่อการนี้ก็คือ ด้วยความช่วยเหลือจากพวกมัน เอฟเฟกต์ที่หลากหลายสามารถแปลงเป็นสัญญาณออปติคัลได้โดยตรง ซึ่งกำจัดการเชื่อมโยงกลางในสายสัญญาณเอฟเฟกต์แสง ดังนั้นจึงแนะนำการลดความซับซ้อนขั้นพื้นฐานในการควบคุม ของฟลักซ์ส่องสว่าง ข้อดีอีกประการขององค์ประกอบ LCD คือสามารถใช้งานร่วมกับส่วนประกอบอุปกรณ์ใยแก้วนำแสงได้อย่างง่ายดาย

เพื่อแสดงความเป็นไปได้ของการใช้ LCD เพื่อควบคุมสัญญาณไฟ เรามาพูดถึงหลักการทำงานของ "ไมโครโฟนแบบออปติคัล" บนอุปกรณ์ LCD ซึ่งเสนอให้แปลงสัญญาณเสียงเป็นสัญญาณออปติคัลโดยตรง

แผนภาพวงจรของไมโครโฟนแบบออปติคัลนั้นง่ายมาก องค์ประกอบที่ใช้งานของมันคือเลเยอร์ nematic เชิง การสั่นสะเทือนของเสียงทำให้เกิดการเสียรูปของชั้นตามช่วงเวลา ซึ่งทำให้เกิดการปรับทิศทางของโมเลกุลใหม่และการปรับของโพลาไรซ์ (ความเข้ม) ของฟลักซ์แสงโพลาไรซ์ที่ผ่าน

การศึกษาคุณลักษณะของไมโครโฟนแบบออปติคัลบนจอ LCD พบว่าพารามิเตอร์ของไมโครโฟนไม่ได้ด้อยกว่าตัวอย่างที่มีอยู่ และสามารถนำมาใช้ในสายการสื่อสารด้วยแสง ซึ่งช่วยให้สามารถแปลงสัญญาณเสียงเป็นสัญญาณเสียงได้โดยตรง นอกจากนี้ ปรากฎว่าในช่วงอุณหภูมิเกือบทั้งหมดของการมีอยู่ของเฟสนีมาติก คุณลักษณะของออปติคัลออปติคัลยังคงไม่เปลี่ยนแปลงในทางปฏิบัติ

3.3 วิธีทำทีวีสเตอริโอ

ในฐานะที่เป็นอีกหนึ่งสิ่งที่น่าดึงดูด คาดไม่ถึง และเกี่ยวข้องกับการใช้งานคริสตัลเหลวเกือบทั้งหมด จึงควรค่าแก่การกล่าวถึงแนวคิดในการสร้างระบบโทรทัศน์สเตอริโอโดยใช้คริสตัลเหลว ยิ่งกว่านั้นซึ่งดูน่าดึงดูดเป็นพิเศษระบบดังกล่าวของ "โทรทัศน์สเตอริโอบนผลึกเหลว" สามารถใช้งานได้โดยเสียค่าใช้จ่ายในการดัดแปลงกล้องโทรทัศน์ที่ส่งสัญญาณอย่างง่าย ๆ และการเพิ่มเครื่องรับโทรทัศน์ธรรมดาด้วยแว่นตาพิเศษซึ่งเป็นแว่นตา พร้อมกับฟิลเตอร์คริสตัลเหลว

แนวคิดเบื้องหลังระบบโทรทัศน์สเตอริโอนี้ง่ายมาก หากเราพิจารณาว่ากรอบภาพบนหน้าจอทีวีถูกสร้างขึ้นทีละบรรทัดและในลักษณะที่เส้นแปลก ๆ ปรากฏขึ้นก่อนแล้วจึงกลายเป็นเส้นแปลก ๆ ดังนั้นการใช้แว่นตาที่มีฟิลเตอร์คริสตัลเหลวจึงทำได้ง่าย ที่ตาขวาเช่นเห็นเพียงเส้นคู่และซ้าย - คี่ . การทำเช่นนี้ก็เพียงพอที่จะซิงโครไนซ์การเปิดและปิดตัวกรองผลึกเหลวเช่น ความสามารถในการรับรู้ภาพบนหน้าจอสลับกับตาข้างหนึ่งหรืออีกข้างหนึ่ง ทำให้กระจกใสหนึ่งหรืออีกแก้วหนึ่งโปร่งใสสลับกันโดยเน้นเส้นคู่และเส้นคี่

ตอนนี้ค่อนข้างชัดเจนว่าความซับซ้อนของกล้องโทรทัศน์ที่ส่งสัญญาณจะทำให้ผู้ชมได้รับเอฟเฟกต์สเตอริโอ จำเป็นที่กล้องโทรทัศน์ที่ส่งสัญญาณต้องเป็นสเตอริโอ กล่าวคือ เพื่อให้มีเลนส์สองเลนส์ที่สอดคล้องกับการรับรู้ของวัตถุด้วยตาซ้ายและขวาของบุคคล แม้แต่เส้นบนหน้าจอก็ถูกสร้างขึ้นโดยใช้ด้านขวา และเส้นแปลก ๆ โดยใช้เลนส์ด้านซ้ายของกล้องส่งสัญญาณ

ระบบของแว่นตาที่มีฟิลเตอร์ชัตเตอร์คริสตัลเหลวที่ซิงโครไนซ์กับการทำงานของทีวีอาจไม่เหมาะสำหรับการใช้งานจำนวนมาก เป็นไปได้ว่าระบบสเตอริโอที่แว่นตาที่ติดตั้งโพลารอยด์ธรรมดาจะกลายเป็นคู่แข่งมากขึ้น ในกรณีนี้ แว่นตาแต่ละอันจะส่งแสงโพลาไรซ์แบบเส้นตรง ซึ่งระนาบโพลาไรซ์จะตั้งฉากกับระนาบโพลาไรซ์ของแสงที่ส่องผ่านจากแก้วที่สอง เอฟเฟกต์สเตอริโอในกรณีนี้ทำได้โดยใช้ฟิล์มคริสตัลเหลวที่วางอยู่บนหน้าจอทีวีและส่งแสงจากเส้นคู่ของโพลาไรซ์เชิงเส้นอันหนึ่ง และจากเส้นคี่โพลาไรซ์เชิงเส้นอีกอันตั้งฉากกับอันแรก

ระบบโทรทัศน์สเตอริโอใดที่อธิบายไว้จะถูกนำมาใช้หรือระบบที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิงจะอยู่รอดได้ในอนาคตจะแสดงให้เห็น

3.4 แว่นตาสำหรับนักบินอวกาศ

ทำความคุ้นเคยกับหน้ากากสำหรับช่างเชื่อมไฟฟ้าก่อนหน้านี้ และตอนนี้กับแว่นตาสำหรับโทรทัศน์สเตอริโอ คุณจะสังเกตเห็นว่าในอุปกรณ์เหล่านี้ ตัวกรองผลึกเหลวที่ควบคุมได้จะปิดกั้นมุมมองของหนึ่งหรือทั้งสองข้างทันที ในขณะเดียวกัน มีบางสถานการณ์ที่ไม่สามารถปิดกั้นขอบเขตการมองเห็นทั้งหมดของบุคคลได้ และในขณะเดียวกันก็จำเป็นต้องปิดกั้นแต่ละส่วนของขอบเขตการมองเห็น

ตัวอย่างเช่น ความต้องการดังกล่าวอาจเกิดขึ้นสำหรับนักบินอวกาศในสภาพการทำงานในอวกาศภายใต้แสงแดดจ้ามาก ไม่ถูกบรรยากาศหรือเมฆลดลง งานนี้ เช่นเดียวกับกรณีของหน้ากากสำหรับช่างเชื่อมไฟฟ้าหรือแว่นตาสำหรับโทรทัศน์ระบบสเตอริโอ สามารถแก้ไขได้ด้วยตัวกรองผลึกเหลวที่ควบคุม

ความซับซ้อนของแว่นตาในกรณีนี้คือตอนนี้มุมมองของดวงตาแต่ละข้างจะต้องไม่ทับซ้อนกับฟิลเตอร์เดียว แต่ฟิลเตอร์ที่ควบคุมอย่างอิสระหลายตัว ตัวอย่างเช่น ฟิลเตอร์สามารถทำในรูปของวงแหวนที่มีศูนย์กลางอยู่ที่แว่นสายตาหรือในรูปแบบของแถบบนกระจกของแว่นตา ซึ่งแต่ละอันเมื่อเปิดใช้งานจะครอบคลุมเฉพาะส่วนของมุมมองของดวงตาเท่านั้น

แว่นตาดังกล่าวมีประโยชน์ไม่เพียง แต่สำหรับนักบินอวกาศเท่านั้น แต่ยังสำหรับผู้คนในอาชีพอื่น ๆ ซึ่งงานอาจเกี่ยวข้องกับแสงที่ไม่กระจัดกระจายเท่านั้น แต่ยังต้องรับรู้ข้อมูลภาพจำนวนมาก

ตัวอย่างเช่น ในห้องนักบินของเครื่องบินสมัยใหม่ มีแผงหน้าปัดจำนวนมาก อย่างไรก็ตาม นักบินไม่จำเป็นต้องใช้ทั้งหมดในเวลาเดียวกัน ดังนั้นการใช้งานโดยนักบินแว่นตาที่จำกัดขอบเขตการมองเห็นจึงมีประโยชน์และอำนวยความสะดวกในการทำงาน เนื่องจากช่วยให้โฟกัสเฉพาะส่วนหนึ่งของเครื่องมือที่จำเป็นในขณะนั้นและขจัดอิทธิพลของข้อมูลที่ทำให้เสียสมาธิ ที่ไม่จำเป็นในขณะนั้น

แว่นตาดังกล่าวจะมีประโยชน์มากในการศึกษาด้านชีวการแพทย์ของงานของผู้ปฏิบัติงานที่เกี่ยวข้องกับการรับรู้ข้อมูลภาพจำนวนมาก จากการศึกษาดังกล่าว เป็นไปได้ที่จะกำหนดความเร็วของปฏิกิริยาของผู้ปฏิบัติงานต่อสัญญาณภาพ กำหนดขั้นตอนที่ยากและน่าเบื่อที่สุดในงานของเขา และท้ายที่สุดก็หาวิธีจัดระเบียบงานของเขาอย่างเหมาะสมที่สุด ส่วนหลังหมายถึงการกำหนดวิธีที่ดีที่สุดในการจัดเรียงแผงหน้าปัด ประเภทของตัวบ่งชี้เครื่องมือ สี และลักษณะของสัญญาณที่มีระดับความสำคัญต่างกันไป

ตัวกรองประเภทนี้และตัวบ่งชี้บนผลึกเหลวจะพบ (และพบแล้ว) การใช้งานอย่างกว้างขวางในฟิล์มและอุปกรณ์ถ่ายภาพอย่างไม่ต้องสงสัย เพื่อจุดประสงค์นี้ อุปกรณ์เหล่านี้มีความน่าสนใจเนื่องจากต้องใช้พลังงานเพียงเล็กน้อยในการควบคุม และในบางกรณีก็ทำให้สามารถแยกชิ้นส่วนอุปกรณ์ที่ทำการเคลื่อนไหวทางกลออกจากชิ้นส่วนอุปกรณ์ได้ และอย่างที่คุณทราบ ระบบกลไกมักจะยุ่งยากและไม่น่าเชื่อถือที่สุด

หมายถึงชิ้นส่วนกลไกของฟิล์มและอุปกรณ์ถ่ายภาพอะไร? อย่างแรกเลย สิ่งเหล่านี้คือไดอะแฟรม ฟิลเตอร์ - ตัวลดทอนของฟลักซ์แสง และในที่สุด ตัวขัดขวางฟลักซ์แสงในกล้องฟิล์ม ซิงโครไนซ์กับการเคลื่อนไหวของฟิล์มและให้ค่าแสงแบบเฟรมต่อเฟรม

หลักการออกแบบองค์ประกอบ LCD ดังกล่าวมีความชัดเจนจากองค์ประกอบก่อนหน้า ในฐานะที่เป็นผู้ขัดขวางและตัวกรองลดทอน เป็นเรื่องปกติที่จะใช้เซลล์ LC ซึ่งภายใต้การกระทำของสัญญาณไฟฟ้า การส่งผ่านแสงจะเปลี่ยนแปลงไปทั่วทั้งพื้นที่ สำหรับไดอะแฟรมที่ไม่มีชิ้นส่วนทางกล ระบบเซลล์ในรูปแบบของวงแหวนศูนย์กลางที่สามารถเปลี่ยนพื้นที่ของหน้าต่างโปร่งใสที่ส่งแสงภายใต้การกระทำของสัญญาณไฟฟ้า ควรสังเกตด้วยว่าโครงสร้างชั้นที่มีคริสตัลเหลวและสารกึ่งตัวนำภาพถ่ายเช่น องค์ประกอบต่างๆ เช่น แผ่นใสออปติคัลที่ควบคุม ไม่เพียงแต่ใช้เป็นตัวบ่งชี้ เช่น การเปิดรับแสง แต่ยังใช้สำหรับการตั้งค่ารูรับแสงอัตโนมัติในฟิล์มและอุปกรณ์ถ่ายภาพ

แม้จะมีความเรียบง่ายพื้นฐานของอุปกรณ์ที่กล่าวถึง การแนะนำอย่างกว้างขวางในการผลิตจำนวนมากขึ้นอยู่กับประเด็นทางเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับการรับประกันอายุการใช้งานที่ยาวนานขององค์ประกอบ LCD การทำงานในช่วงอุณหภูมิกว้าง และสุดท้ายคือการแข่งขันกับเทคนิคดั้งเดิมและเป็นที่ยอมรับ โซลูชั่น ฯลฯ . อย่างไรก็ตาม การแก้ปัญหาเหล่านี้เป็นเพียงเรื่องของเวลาเท่านั้น และในไม่ช้า ก็คงเป็นเรื่องยากที่จะจินตนาการถึงกล้องที่สมบูรณ์แบบที่สุดหากไม่มีอุปกรณ์ LCD

บทสรุป

ดังนั้น ผลึกเหลวจึงมีคุณสมบัติสองประการ ซึ่งรวมคุณสมบัติของของเหลว (ความลื่นไหล) และคุณสมบัติของวัตถุที่เป็นผลึก (แอนไอโซโทรปี) พฤติกรรมของพวกเขาไม่สามารถอธิบายโดยใช้วิธีการและแนวคิดตามปกติได้เสมอไป แต่ในสิ่งนี้เองที่ความน่าดึงดูดใจของพวกเขาอยู่ที่นักวิจัยที่ต้องการรู้จักสิ่งที่ยังไม่เป็นที่รู้จัก

เมื่อเร็วๆ นี้ โพลีเมอร์ที่เป็นผลึกเหลวได้ถูกค้นพบและศึกษาอย่างเข้มข้น โพลีเมอร์ LC เฟอร์โรอิเล็กทริกได้ปรากฏขึ้น และออร์แกนโนอิลิเมนต์สายโซ่ยืดหยุ่นและสารประกอบ LC ที่ประกอบด้วยโลหะซึ่งก่อตัวเป็นเมโซเฟสชนิดใหม่กำลังอยู่ระหว่างการศึกษาอย่างจริงจัง โลกของผลึกเหลวนั้นกว้างใหญ่ไพศาลและครอบคลุมวัตถุธรรมชาติและวัตถุสังเคราะห์ที่กว้างที่สุด ไม่เพียงแต่ดึงดูดความสนใจของนักวิทยาศาสตร์เท่านั้น ทั้งนักฟิสิกส์ นักเคมี และนักชีววิทยา แต่ยังรวมถึงนักวิจัยเชิงปฏิบัติที่ทำงานในสาขาเทคโนโลยีสมัยใหม่อันหลากหลาย (อิเล็กทรอนิกส์ ออปโตอิเล็กทรอนิกส์, วิทยาการคอมพิวเตอร์, ภาพสามมิติ ฯลฯ ) ป.)

บรรณานุกรม

1. Shibaev V.P. ผลึกผิดปกติหรือของเหลวลึกลับ // วารสารการศึกษาโซรอส. 2539. N11. น. 37-46.

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

3. Titov V.V. , Sevostyanov V.P. , Kuzmin N.G. , Semenov A.M. จอแสดงผลคริสตัลเหลว: โครงสร้าง การสังเคราะห์ คุณสมบัติของผลึกเหลว - มินสค์: สำนักพิมพ์ NPOOO "Microvideosystems", 1998 p. 238

เอกสารที่คล้ายกัน

ประวัติการค้นพบผลึกเหลว การจำแนกประเภทโครงสร้างโมเลกุลและโครงสร้าง ผลึกเหลวเทอร์โมโทรปิก: ชนิด smectic, nematic และ cholesteric จอแอลซีดี Lyotropic Anisotropy ของคุณสมบัติทางกายภาพ วิธีจัดการผลึกเหลว

บทคัดย่อ เพิ่มเมื่อ 05/27/2010


ลักษณะทั่วไปของปรากฏการณ์พื้นผิวในผลึกเหลว การพิจารณาคุณสมบัติที่โดดเด่นของผลึกเหลว smectic ระดับต่างๆ ของการสั่งซื้อ การศึกษา anisotropy ของคุณสมบัติทางกายภาพของ mesophase ระดับของการสั่งซื้อ

บทคัดย่อ เพิ่มเมื่อ 10/10/2015


ผลึกแข็ง: โครงสร้าง การเจริญเติบโต คุณสมบัติ "การมีอยู่ของระเบียบ" ในการวางแนวเชิงพื้นที่ของโมเลกุลเป็นคุณสมบัติของผลึกเหลว แสงโพลาไรซ์เชิงเส้น ผลึก Nematic, smectic และ cholesteric แนวคิดทั่วไปของเฟอร์โรอิเล็กทริก

ภาคเรียนที่เพิ่ม 17/11/2555


ผลึกเหลว (mesomorphic) สถานะของสสาร การก่อตัวของเฟสใหม่ ประเภทของผลึกเหลว: smectic, nematic และ cholesteric ผลึกเหลวเทอร์โมทรอปิกและไลโอโทรปิก ผลงานของ D. Forlender ที่มีส่วนช่วยในการสังเคราะห์สารประกอบ

การนำเสนอ, เพิ่ม 12/27/2010


คริสตัลประเภทหลัก การเจริญเติบโตของคริสตัลธรรมชาติและประดิษฐ์ การปลูกผลึกเป็นกระบวนการทางกายภาพและทางเคมี อุปกรณ์ที่จำเป็น วิธีการก่อตัวของผลึก การเติบโตของผลึกเดี่ยวจากการหลอมเหลว สารละลาย และเฟสไอ

บทคัดย่อ เพิ่มเมื่อ 06/07/2013


การศึกษาแนวคิด ประเภท และวิธีการการก่อตัวของผลึก - ของแข็งที่มีการจัดเรียงอะตอมอย่างสม่ำเสมอ ทำให้เกิดการจัดเรียงเชิงพื้นที่แบบสามมิติเป็นระยะ - ผลึกขัดแตะ การก่อตัวของผลึกจากการหลอมเหลว สารละลาย ไอน้ำ

การนำเสนอ, เพิ่ม 04/08/2012


สาเหตุและเงื่อนไขการตกผลึกของอนุภาควัสดุ ทฤษฎีกำเนิดและการเติบโตของผลึกในอุดมคติในผลงานของ Gibbs, Volmer, Kossel และ Stranski คำอธิบายของจุดบกพร่อง เชิงเส้น สองมิติ และปริมาตร ประวัติความเป็นมาของการได้รับคริสตัลเทียม

บทคัดย่อ เพิ่มเมื่อ 11/18/2010


แนวคิดเกี่ยวกับโครงสร้างของสสารและปัจจัยหลักที่มีอิทธิพลต่อการก่อตัวของสสาร คุณสมบัติหลักของสสารอสัณฐานและผลึก ประเภทของผลึกขัดแตะ อิทธิพลของประเภทพันธะต่อโครงสร้างและคุณสมบัติของผลึก สาระสำคัญของ isomorphism และ polymorphism

ทดสอบเพิ่ม 10/26/2010


โครงสร้างของโครงสร้างนาโนคาร์บอน ประวัติการค้นพบ โครงสร้างทางเรขาคณิต และวิธีการได้ฟูลเลอรีน คุณสมบัติทางกายภาพ เคมี การดูดซับ การมองเห็น ทางกลและไตรโบโลยี อนาคตสำหรับการใช้งานฟูลเลอรีนในทางปฏิบัติ

ภาคเรียนที่เพิ่ม 11/13/2011


ประวัติการค้นพบไฮโดรเจน ลักษณะทั่วไปของสาร ตำแหน่งของธาตุในระบบธาตุ โครงสร้างของอะตอม คุณสมบัติทางเคมีและกายภาพ อยู่ในธรรมชาติ การใช้ก๊าซในทางปฏิบัติเพื่อประโยชน์และอันตราย

ผลึกเหลวเป็นสารที่อยู่ในสถานะมีโซมอร์ฟิค (กลาง กลาง) ระหว่างของเหลวไอโซโทรปิกและผลึกที่เป็นของแข็ง องค์ประกอบเหล่านี้เป็นของเหลว สามารถอยู่ในรูปของหยด ควบคู่ไปกับการแสดงคุณสมบัติเหล่านี้ ผลึกเหลวแสดงแอนไอโซโทรปีของคุณสมบัติทางแม่เหล็ก ทางไฟฟ้า ทางแสง และอื่นๆ อันเนื่องมาจากความเป็นระเบียบในการวางแนวโมเลกุล กล่าวอีกนัยหนึ่ง สารมีลักษณะหลายทิศทาง ในกรณีที่ไม่มีอิทธิพลจากภายนอก การนำความร้อน การนำไฟฟ้า และความไวต่อแม่เหล็กจะเป็นแบบแอนไอโซโทรปิกในผลึกเหลว Dichroism และ birefringence ถูกบันทึกไว้ในสาร

ผลึกเหลว smectic

เป็นครั้งแรกที่พวกเขาถูกพบในสบู่ (เพราะฉะนั้นชื่อ - "สเมกม่า" - สบู่) ปลายของโมเลกุลดูเหมือนจะยึดติดอยู่ในระนาบตั้งฉากกับแกนตามยาวของพวกมัน ผลึกเหลว Smectic มีลักษณะเป็นชั้นๆ สารเหล่านี้รวมถึงสารละลายในน้ำสบู่ เอทิลเอสเทอร์ของกรด azoxybenzoic

"Smectics" ถือเป็นผลึกเหลวที่กว้างขวางที่สุด พันธุ์บางชนิดของพวกมันยังพบว่าเป็นเฟอร์โรอิเล็กทริก (มีโพลาไรซ์ที่เกิดขึ้นเองในช่วงอุณหภูมิที่แน่นอน) ความหนืดสูงช่วยป้องกันการใช้ผลึกเหลวที่มีลักษณะเป็นก้อนในวงกว้างในเทคโนโลยี

Nematics

ผลึกเหลว Nematic แตกต่างกันไปตามทิศทางของแกนโมเลกุลตามยาวในทิศทางที่แน่นอน กล่าวอีกนัยหนึ่ง พวกมันมีลักษณะเป็นลำดับการปฐมนิเทศระยะยาว ชื่อของคริสตัลมาจากคำจำกัดความภาษากรีกของ "nema" - ด้าย ความลาดเอียง (เส้นใย) มีความคล่องตัวสูงและมองเห็นได้ชัดเจนในแสงธรรมชาติ

ผลึกเหลวคลอเลสเตอรอลและการใช้งาน

รูปแบบโมเลกุลของสารประเภทนี้เป็นแผ่นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าขนานกัน โคเลสเตอรอลให้โพรพิลโคเลสเตอรอลเอสเทอร์ โคเลสเตอรอลซินนาเมต อนุพันธ์ของคอเลสเตอรอลอื่นๆ

ตัวบ่งชี้ทางความร้อนของผลึกเหลวชนิดคอเลสเตอรใช้กันอย่างแพร่หลายในการวินิจฉัยทางการแพทย์และทางเทคนิค ความไวของสารเหล่านี้ต่ออุณหภูมิทำให้มองเห็นการกระจายอุณหภูมิบนพื้นผิวได้ ในทางกลับกัน ใช้ใน introscopy (สังเกตกระบวนการภายในร่างกายที่ทึบแสง) ในการตรวจหาโรคบางชนิดและในผลึกเหล่านี้จะสร้างภาพอุณหภูมิในรูปแบบของแผนภูมิสี Cholesterics สามารถใช้ในการสร้างภาพสนามไมโครเวฟ สำหรับการผลิตตัวบ่งชี้จะใช้เอฟเฟกต์ของการกระเจิงแสงแบบไดนามิก จอแสดงผลคริสตัลเหลวใช้แสงโดยรอบ ซึ่งช่วยให้ลดการใช้พลังงานลงได้อย่างมาก ดังนั้น พลังงานจึงเป็นลำดับความสำคัญที่ต่ำกว่าในฟิล์มและผงฟอสเฟอร์ ไดโอดเปล่งแสง และตัวบ่งชี้การปล่อยก๊าซ Cholesterics ถูกใช้ในพื้นฐานของการแปลงเป็นภาพอินฟราเรดที่มองเห็นได้

ในผลึกเหลวที่มีคลอเลสเตอรอล (ตรงข้ามกับ nematic) การกระเจิงของแสงแบบไดนามิกสามารถมีหน่วยความจำ - สถานะที่กระจายแสงสามารถคงอยู่ได้แม้หลังจากที่ฟิลด์ถูกลบออก ในขณะเดียวกัน คุณสมบัติบางอย่างของคอเลสเตอรอลก็ส่งผลต่อระยะเวลาของรัฐ ดังนั้น หน่วยความจำสามารถอยู่ได้ตั้งแต่ไม่กี่นาทีถึงหลายปี แรงดันไฟสลับนำไปสู่สถานะเริ่มต้น (ไม่กระจาย) ของคอเลสเตอรอล คุณสมบัติที่ระบุถูกใช้ในการก่อตัวของเซลล์หน่วยความจำ

ผลึกเหลว - การสร้างภาพกราฟิก

ผลึกเหลวเป็นสถานะเฟสในระหว่างที่สารมีคุณสมบัติของของเหลวและคุณสมบัติของผลึกพร้อมกัน นั่นคือพวกมันมีความลื่นไหลและในขณะเดียวกันก็มีลักษณะ anisotropy - ความแตกต่างในคุณสมบัติของตัวกลางที่กำหนดขึ้นอยู่กับทิศทางภายใน (เช่นดัชนีการหักเหของแสงความเร็วของเสียงหรือการนำความร้อน)

ผลึกเหลวมีโครงสร้างของเหลวหนืดที่ประกอบด้วยโมเลกุลรูปดิสก์ การวางแนวของโมเลกุลเหล่านี้สามารถเปลี่ยนแปลงได้เมื่อมีปฏิสัมพันธ์กับสนามไฟฟ้า

ในปี ค.ศ. 1888 ฟรีดริช ไรนิทเซอร์ นักพฤกษศาสตร์ชาวออสเตรียพบว่าคริสตัลบางชนิดมีจุดหลอมเหลวสองจุด ซึ่งหมายความว่ามีสถานะของเหลวที่แตกต่างกันสองสถานะ ซึ่งหนึ่งในนั้นเป็นสารที่โปร่งใส และอีกส่วนหนึ่งมีเมฆมาก

และแม้ว่าในปี 1904 นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน Otto Lehmann ได้ให้หลักฐานทางวิทยาศาสตร์จำนวนหนึ่งเพื่อสนับสนุนผลึกเหลวในหนังสือชื่อเดียวกันของเขา แต่คริสตัลเหลวไม่ได้รับการยอมรับว่าเป็นสถานะของสสารที่แยกจากกันเป็นเวลานาน ในปีพ.ศ. 2506 เจมส์ เฟอร์กูสัน นักประดิษฐ์ชาวอเมริกัน พบว่ามีการใช้คุณสมบัติหนึ่งของ LC โดยจะเปลี่ยนสีตามอุณหภูมิ ชาวอเมริกันได้รับสิทธิบัตรสำหรับการประดิษฐ์ที่สามารถตรวจจับสนามความร้อนที่มองไม่เห็นด้วยตา ตั้งแต่นั้นมา ความนิยมของผลึกเหลวก็เริ่มเพิ่มขึ้น

กลุ่มของผลึกเหลวและคุณสมบัติของผลึก

ผลึกเหลวมักจะแบ่งออกเป็นสองกลุ่ม:

1. Lyotropic - ก่อตัวขึ้นในสารผสมที่ประกอบด้วยโมเลกุลรูปแท่งของสารที่กำหนดและตัวทำละลายที่มีขั้ว (เช่น น้ำ)

การใช้งานคริสตัลเหลว

จอ LCD

ก่อนอื่นควรสังเกตว่าไม่มีประโยชน์มากที่สุด แต่เป็นแอพพลิเคชั่น LCD ที่รู้จักกันดีที่สุด - จอแสดงผลคริสตัลเหลว บางครั้งเรียกว่าจอ LCD ซึ่งเป็นคำย่อของ "จอแสดงผลคริสตัลเหลว" ในภาษาอังกฤษ ในยุคของแกดเจ็ต การแสดงดังกล่าวมีอยู่ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เกือบทุกชนิด: ทีวี จอคอมพิวเตอร์ กล้องดิจิตอล เครื่องนำทาง เครื่องคิดเลข อีบุ๊ค แท็บเล็ต โทรศัพท์ นาฬิกาอิเล็กทรอนิกส์ เครื่องเล่น ฯลฯ

อุปกรณ์ของจอ LCD ค่อนข้างซับซ้อน แต่โดยทั่วไปแล้ว มันเป็นชุดของแผ่นแก้ว ซึ่งอยู่ระหว่างคริสตัลเหลว (LCD matrix) และแหล่งกำเนิดแสงจำนวนมาก พิกเซลเมทริกซ์ LCD ประกอบด้วยอิเล็กโทรดโปร่งใสหนึ่งคู่ที่ให้คุณเปลี่ยนทิศทางของโมเลกุลผลึกเหลวได้ เช่นเดียวกับฟิลเตอร์โพลาไรซ์คู่หนึ่งที่ปรับระดับความโปร่งใส ฯลฯ

การถ่ายภาพความร้อน

การประยุกต์ใช้ LCD ที่ได้รับความนิยมน้อยกว่า แต่มีความสำคัญมากกว่าคือการถ่ายภาพความร้อน Thermography ช่วยให้คุณได้ภาพความร้อนของวัตถุอันเป็นผลมาจากการลงทะเบียนรังสีอินฟราเรด - ความร้อน นักผจญเพลิงใช้อุปกรณ์มองเห็นกลางคืนแบบอินฟราเรดในกรณีที่มีควันในห้องเพื่อตรวจจับผู้ที่ตกเป็นเหยื่อไฟไหม้ พวกเขายังพบแอปพลิเคชันในบริการรักษาความปลอดภัยและการรับราชการทหาร

การถ่ายภาพความร้อนช่วยให้คุณตรวจจับจุดร้อน ฉนวนกันความร้อนขัดข้อง หรือพื้นที่ฉุกเฉินอื่นๆ ระหว่างการบำรุงรักษาหรือการก่อสร้างสายไฟ

การถ่ายภาพความร้อนยังใช้ในการถ่ายภาพทางการแพทย์ ส่วนใหญ่เพื่อสังเกตต่อมน้ำนม วิธีนี้ช่วยให้คุณตรวจพบโรคมะเร็งต่างๆ เช่น มะเร็งเต้านม

ตัวชี้วัดอิเล็กทรอนิกส์

ตัวบ่งชี้อิเล็กทรอนิกส์ที่สร้างขึ้นโดยใช้ผลึกเหลวตอบสนองต่ออุณหภูมิต่างๆ ซึ่งสามารถแจ้งเกี่ยวกับความล้มเหลวและการละเมิดในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ตัวอย่างเช่น LC ในรูปแบบของฟิล์มใช้กับแผงวงจรพิมพ์และวงจรรวมตลอดจนทรานซิสเตอร์ ส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่ผิดพลาดนั้นง่ายต่อการแยกแยะด้วยตัวบ่งชี้นี้

นอกจากนี้ ตัวบ่งชี้ LCD ที่อยู่บนผิวหนังของผู้ป่วยทำให้สามารถตรวจพบการอักเสบและเนื้องอกในมนุษย์ได้

ตัวบ่งชี้คริสตัลเหลวยังใช้เพื่อตรวจจับไอระเหยของสารเคมีอันตรายต่างๆ เช่นเดียวกับการตรวจจับรังสีอัลตราไวโอเลตและแกมมา LCs ใช้เพื่อพัฒนาเครื่องตรวจจับอัลตราซาวนด์และเครื่องวัดความดัน

นอกเหนือจากการใช้ LC โดยตรงในพื้นที่ที่ระบุไว้ข้างต้นแล้ว ควรสังเกตว่าผลึกเหลวมีลักษณะคล้ายกับโครงสร้างเซลล์บางอย่างในหลายๆ ด้าน และบางครั้งก็มีอยู่ในนั้น เนื่องจากคุณสมบัติของไดอิเล็กตริก ผลึกเหลวจึงควบคุมความสัมพันธ์ภายในเซลล์ ระหว่างเซลล์และเนื้อเยื่อ และระหว่างเซลล์กับสิ่งแวดล้อม ดังนั้นการศึกษาธรรมชาติและพฤติกรรมของผลึกเหลวสามารถนำไปสู่อณูชีววิทยาได้

St. in (ออปติคัล, ไฟฟ้า, แม่เหล็ก, ฯลฯ ) ในกรณีที่ไม่มีลำดับระยะยาวสามมิติในการจัดเรียงอนุภาค ( , ) ดังนั้นผลึกเหลว เงื่อนไขมักจะเรียกว่า มีโซมอร์ฟิค (mesophase) ด้วย ช่วงเวลาอุณหภูมิสำหรับการดำรงอยู่ของของเหลวถูกจำกัดให้เป็นของแข็งและเรียกว่า t-กลุ่มของการตรัสรู้กับฝูงของผลึกเหลว ตัวอย่างที่มีเมฆมากจะโปร่งใสเนื่องจากมีโซเฟสและเปลี่ยนเป็นไอโซโทรปิก คริสตัลเหลว ต่อ มีรูปแท่งหรือรูปจานและมักจะตั้งอยู่อย่างเด่นชัด ขนานกัน. ที แนซ ของเหลวเทอร์โมทรอปิกเกิดขึ้นระหว่างความร้อน ส่งผลกระทบต่ออินอิน ของเหลวดังกล่าวก่อตัวขึ้น เช่น อนุพันธ์อะโรมาติก จุลภาคที่มีการสลับเชิงเส้นและวน กลุ่ม (วงแหวนเบนซิน) LCD เฟสจะเกิดขึ้นบ่อยที่สุดหากองค์ประกอบแทนที่อยู่ในตำแหน่งพารา ผลึกเหลวเทอร์โมทรอปิกจำนวนมาก ต่อ ม.ข. แสดงโดยสูตรทั่วไป:

X ปกติ -CH=N-, - CH 2 -CH 2 -, - HC \u003d CH-,, -C (O) -NH-. กลุ่มสุดท้าย Y และ Z ม. หมู่อัลคิลและอัลคอกซิล, ไซยาโน-, ไนโตร- ฯลฯ ตัวอย่างของของเหลวบางชนิดมีอยู่ในตาราง มักจะแตกเป็นชิ้นเล็กชิ้นน้อย เช่น วัฏจักร กลุ่มที่กำหนดการมีอยู่ของ mesophase เรียกว่า "เมโซเจนิค". การปรากฏตัวของกิ่งก้านจะทำให้ช่วงอุณหภูมิแคบลงสำหรับการมีอยู่ของ mesophase

K - ผลึกที่เป็นของแข็ง รัฐ I - isotropic (), N - nematics, S(S A , S B , S F - smectics, D - discotics, Ch - cholesterics ของเหลว Lyotropic เกิดขึ้นจากสารบางชนิดในตัวทำละลายบางชนิด ตัวอย่างเช่น สารละลายน้ำ ฯลฯ ก่อตัวเป็นของเหลวในช่วงเวลาหนึ่งและ tr หน่วยโครงสร้างของของเหลว lyotropic คือการสลายตัวของชั้นโมเลกุลเหนือโมเลกุล ชนิดกระจายตัวอยู่ในตัวทำละลาย p ตัวกลาง และมีรูปทรงกระบอก ทรงกลม หรือรูปแบบอื่นๆ ขึ้นอยู่กับลักษณะของตำแหน่งของรูปแท่งมีสามหลัก ประเภทของเหลว - smectic, nematic และ cholesteric ในสเมคติก ของเหลว (เรียกว่า smectics แสดงโดย S) ตั้งอยู่ในชั้น จุดศูนย์ถ่วงของส่วนที่ยาวนั้นอยู่ในระนาบที่มีระยะห่างเท่ากันและเคลื่อนที่ได้ในสองมิติ (บนระนาบ smectic) แกนยาวสามารถตั้งฉากกับระนาบ smectic ก็ได้ ชั้น (smectics มุมฉาก, รูปที่ 1, a) และในมุมหนึ่งถึงชั้น (smectics เฉียง, รูปที่ 1, b)


ข้าว. 1. โครงสร้างของ smectic (a และ b) และ nematic (c) ของเหลว (a - orthogonal, b - การจัดเรียงแบบเฉียง)

นอกจากนี้ยังเป็นไปได้ การจัดเรียงที่เป็นระเบียบและไม่เป็นระเบียบในชั้นต่างๆ ทั้งหมดนี้เป็นตัวกำหนดความเป็นไปได้ของการสลายตัวทางการศึกษา การปรับเปลี่ยนหลายรูปแบบ รู้จักกับเซนต์ โหล polymorphic smectic การแก้ไขที่เขียนแทนด้วยตัวอักษรละติน, smectics A, B, C, ฯลฯ (หรือ S A, S B, S C, ฯลฯ ) การก่อตัวของสเมคติก ลักษณะเฟสของผลึกเหลว Comm., to-rykh ประกอบด้วย alkyl ขั้วยาวหรือกลุ่ม alkoxy Y และ Z พร้อมตัวเลข/ 4-6. Nematic ของเหลว (nematics N) มีลักษณะเป็นลำดับการปฐมนิเทศโดยที่แกนยาว Krom จะอยู่ในทิศทางเดียวโดยมีการจัดเรียงจุดศูนย์ถ่วงแบบสุ่ม (รูปที่ 1, c) Nematic ชนิดของสารประกอบในรูปของเหลว ซึ่งมีหมู่อัลคิลหรือหมู่อัลคอกซีสั้น (หมายเลข[ 3).

ข้าว. 2. โครงสร้างของของเหลวคอเลสเตอรอล เส้นประแสดงขั้นตอน ลูกศรระบุทิศทางของแกนยาว

คอเลสเตอรอล ประเภทของ mesophase (Chol cholesterics) เกิดขึ้นจากสารประกอบสองกลุ่ม: อนุพันธ์เชิงแสง, ch. ร. (เพราะฉะนั้นชื่อ) และสารประกอบที่ไม่ใช่สเตียรอยด์ที่เป็นของสารประกอบประเภทเดียวกัน รูปแบบ to-rye nematic ของเหลว แต่มี (alkyl-, alkoxy-, azomethines ที่ถูกแทนที่ด้วย acyloxy, อนุพันธ์ของอบเชยถึงคุณ, azo- ฯลฯ ) ในคอเลสเตอร ของเหลวอยู่ในลักษณะเดียวกับใน nematic แต่ในแต่ละชั้นจะหมุนสัมพันธ์กับตำแหน่งในชั้นที่อยู่ติดกันในมุมหนึ่ง โดยรวมแล้วโครงสร้างที่อธิบายโดยเกลียวนั้นรับรู้ได้ (รูปที่ 2) V-va ที่มีรูปทรงดิสก์ (disco D) สามารถก่อตัวเป็นของเหลวซึ่งจะถูกบรรจุเป็นคอลัมน์ (มีลำดับระยะยาวในแนวระนาบรูปดิสก์) หรือจัดเรียงในลักษณะเดียวกับใน nematics (มี ไม่ใช่คำสั่งระยะยาว) (รูปที่ 3, a และ b ) โครงสร้างเฉพาะของผลึกเหลว Comm. เป็นการผสมผสานระหว่างความเป็นระเบียบเรียบร้อยในการจัดวางที่มีความคล่องตัวสูง กำหนดขอบเขตการใช้งานได้หลากหลาย การใช้ของเหลว ทิศทางผลประโยชน์ การวางแนวซึ่งมีลักษณะเป็นหน่วยแกนหรือผู้อำนวยการสามารถเปลี่ยนแปลงได้อย่างง่ายดายภายใต้อิทธิพลของการสลายตัว ต่อ ปัจจัย - t-ry, ขน แรงดันไฟฟ้า, แรงดันไฟฟ้า และแม็ก ฟิลด์

ข้าว. 3. โครงสร้างของของเหลวดิสโก้: a - เฟสเรียงเป็นแนว; b - เฟส nematic

สาเหตุโดยตรงของการปฐมนิเทศหรือการปรับทิศทางของผู้กำกับ - viscoelastic, optical, ไฟฟ้า หรือแม็ก เซนต์วันพุธ ในทางกลับกัน ผลประโยชน์ที่เปลี่ยนไป การปฐมนิเทศทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางแสงและทางไฟฟ้า และเซนต์อื่นๆ ในของเหลว นั่นคือ มันสร้างความเป็นไปได้ในการควบคุมเซนต์คุณเหล่านี้ผ่านภายนอกที่ค่อนข้างอ่อนแอ ผลกระทบ และยังช่วยให้คุณสามารถลงทะเบียนผลกระทบเหล่านี้ ไฟฟ้า-ออปติคอล เซนต์เนมาติก. ของเหลวถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในระบบสำหรับการประมวลผลและการแสดงข้อมูล ในรูปแบบตัวอักษรและตัวเลข (นาฬิกาอิเล็กทรอนิกส์ เครื่องคิดเลข จอภาพ ฯลฯ) ออปติคัล ประตูและอุปกรณ์วาล์วไฟอื่น ๆ ข้อดีของอุปกรณ์เหล่านี้คือการใช้พลังงานต่ำ (ตามลำดับ 0.1 mW / cm 2) แรงดันไฟฟ้าต่ำ (หลาย V) ซึ่งทำให้สามารถรวมคริสตัลเหลวได้ แสดงผลด้วยวงจรรวมและด้วยเหตุนี้จึงมั่นใจได้ว่าอุปกรณ์แสดงสถานะย่อขนาด (จอแบน) โครงสร้างเกลียวของคอเลสเตอรเป็นตัวกำหนดการมองเห็นสูง (ขอบมีขนาดที่สูงกว่าขอบทั่วไปหลายเท่า และขอบทึบ) และความสามารถในการสะท้อนแสงแบบโพลาไรซ์แบบเลือกเฟ้นในช่วงที่มองเห็นได้, IR และ UV เมื่อเปลี่ยน t-ry องค์ประกอบของสิ่งแวดล้อม ความเข้มของแม่เหล็กไฟฟ้า สนามเปลี่ยนสนามซึ่งมาพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงในแสง sv-in โดยเฉพาะสี ช่วยให้คุณสามารถวัดอุณหภูมิของร่างกายโดยการเปลี่ยนสีของของเหลว