Тверді розчини та рідкі кристали. Рідкі кристали у техніці

Рідкими кристалами називають анізотропні рідини, які складаються з молекул, що зберігають певний порядок у своєму розташуванні відносно один одного. (Анізотропія - залежність фізичних властивостей речовини від напрямку.) Наприклад, атоми в молекулах можуть розташовуватися вздовж певної осі, і такі довгасті молекули орієнтуються в рідкому кристалі, як у твердому кристалі, вздовж особливого напрямку. Особливі напрями в рідких і твердих кристалах називаються оптичними осями, оскільки з їх існуванням пов'язані чудові оптичні властивості цих матеріалів (подвійне променезаломлення, поворот площини поляризації світла та ін.). На відміну від твердих кристалів, де оптичні осі жорстко закріплені, рідких кристалах напрямку оптичних осей можна легко змінювати за допомогою електричного поля. Для управління оптичними властивостями рідких кристалів потрібні дуже малі напруги.

Електричний диполь виникає вздовж довгої осі набагато легше, ніж уздовж короткої осі, тобто, іншими словами, електронна хмара легко зміщується щодо позитивного ядра вздовж молекули і важко - упоперек неї. Таким чином, виникає пара сил, що створює момент, що крутить, який і повертає молекулу так, щоб вона своєю довгою віссю орієнтувалася вздовж поля Е.

Якби рідкокристалічна середовище простиралася необмежено по всіх напрямках, то оптична вісь поверталася б як завгодно слабким полем. Насправді шар рідкого кристала має кінцеву товщину (близько 0,01 мм) та відносно жорстку орієнтацію молекул на твердій поверхні, що обмежує шар. Тому відхиляє дію поля входить у протистояння зі стабілізуючим дією пружних сил. Фактично відхилення оптичної осі в шарі рідкого кристала починається тоді, коли крутний момент електричних сил стане більше моменту, що повертає пружних сил. Існує певний поріг різниці потенціалів (близько 1), вище якого вже неважко керувати оптичною віссю в різноманітних рідкокристалічних індикаторах.

Це тим, що це молекули рідких кристалів взаємопов'язані і орієнтовані однаково, і досить повернути одну з них, щоб весь колектив молекул змінив свою орієнтацію.

Падаючий світло поляризується верхнім поляризатором, проходить скляну пластинку і потрапляє в шар рідкого кристала. Якщо електричний ланцюг розімкнений, як на шляху лівого пучка світла, то в цьому місці гвинтова орієнтація оптичної осі зберігається. Тому в міру проходження лівого пучка світла його поляризація повертається відповідно до повороту оптичної осі. На виході з шару та нижньої скляної пластинки цей поворот становитиме 90°, причому поляризація світла збігається з віссю нижнього поляризатора. В результаті лівий пучок пройде поляризатор, відіб'ється від дзеркала і проведе весь шлях у зворотному напрямку. Ця ділянка індикатора виглядає для спостерігача світлою.

На сусідній правому ділянці індикатора пучок світла проходить в момент замикання ланцюга на цифру 8. Поляризоване світло, потрапивши в шар рідкого кристала, зустріне вертикально орієнтовану оптичну вісь. Саме так електричне поле повертає молекули, що добре поляризуються вздовж довгої осі. Тому світло пройде шар під сегментом цифри 8, не змінивши своєї поляризації, і буде зустрінутий нижнім поляризатором, вісь якого перпендикулярна до поляризації світла. Отже, цей пучок світла не дійде до дзеркала, оскільки буде поглинений по дорозі, і не повернеться до спостерігача - цифра 8 виглядатиме темною на світлому фоні.

Так влаштовані буквено-цифрові індикатори в калькуляторах, електронних перекладачах, шкалах вимірювальних приладів і шкалах налаштування, різноманітних табло і т.п. (Прилади нічного бачення), засобів керування світловим променем у швидкодіючих електронних обчислювальних машинах.

Деякі речовини в рідкокристалічному стані здатні змішуватися між собою та утворювати рідкі кристали, що володіють різними структурами та властивостями. Це розширює діапазон їх використання у техніці.

КУРСОВА РОБОТА

Рідкі кристали. Їх технологічне застосуванняеня

Вступ

Незвичайне поєднання слів «рідкі кристали», ймовірно, багатьом уже знайоме, хоча далеко не всі собі уявляють, що ж стоїть за цим дивним і, здавалося б, суперечливим поняттям. Ці дивовижні речовини вдало поєднують у собі анізотропні властивості кристалів та плинні властивості рідин.

У той же час, ймовірно, кожна друга людина носить при собі рідкокристалічні (ЖК) індикатори і по кілька десятків разів на день поглядає на свій електронний годинник. РК – циферблат яких акуратно відраховує години, хвилини, секунди, а іноді й частки секунд. Саме ЖК-індикатори є основою сучасних калькуляторів, портативних комп'ютерів Notebooks, мініатюрних плоских екранів телевізорів, словників-перекладачів, пейджерів та багатьох інших сучасних електронних технічних та побутових приладів та пристроїв.

Світове виробництво ЖК - індикаторів та дисплеїв обчислюється мільярдами і, за прогнозами, буде збільшуватися і далі. Вже зараз без перебільшення можна сказати, що прогрес та розвиток низки галузей науки і техніки немислимі без розвитку досліджень у галузі рідких кристалів. Не менший інтерес є рідкими кристалами з погляду біології та процесів життєдіяльності. Функціонування клітинних мембран і ДНК, передача нервових імпульсів, робота м'язів, формування атеросклеротичних бляшок – ось далеко неповний перелік процесів, що протікають у ЖК – фазі, з властивими цій фазі особливостями – схильністю до самоорганізації та збереження високої молекулярної рухливості.

1. Види та властивості рідких кристалів

1.1 Історія відкриття рідких кристалів

З часу відкриття рідких кристалів минуло понад сто років. Вперше їх виявив австрійський ботанік Фрідріх Рейнітцер, спостерігаючи дві точки плавлення складного ефіру холестерину – холестерілбензоату (рис. 1).

При температурі плавлення (T пл), 145 0 C, кристалічна речовина перетворювалася на каламутну рідину, що сильно розсіює світло. При продовженні нагрівання після досягнення температури 179°З рідина просвітлюється (точка просвітлення (T пр)), тобто. починає поводитися оптично, як звичайна рідина, наприклад вода. Несподівані властивості холестерилбензоату виявились у каламутній фазі. Розглядаючи цю фазу під поляризаційним мікроскопом, Рейнітцер виявив, що вона має двозаломлення. Це означає, що показник спотворення світла, тобто. швидкість світла у цій фазі залежить від поляризації.

Явище двозаломлення-це типово кристалічний ефект, що полягає в тому, що швидкість світла в кристалі залежить від орієнтації площини поляризації світла. Істотно, що вона досягає екстремального максимального та мінімального значень для двох взаємно ортогональних орієнтацій площини поляризації. Зрозуміло, орієнтації поляризації, що відповідають екстремальним значенням швидкості світла в кристалі, визначаються анізотропією властивостей кристала і однозначно задаються орієнтацією кристалічних осей щодо напрямку поширення світла.

Тому сказане пояснює, що існування двозаломлення в рідині, що має бути ізотропною, тобто. що її властивості повинні бути незалежними від напрямку, здавалося парадоксальним. Найбільш правдоподібним на той час могло здаватися наявність у каламутній фазі малих частинок кристалу, що не розплавилися, кристалітів, які і були джерелом двозаломлення. Однак детальніші дослідження, до яких Рейнітцер залучив відомого німецького фізика Отто Лемана, показали, що каламутна фаза не є двофазною системою, а є анізатропною. Оскільки властивості анізотропії притаманні твердому кристалу, а речовина в каламутній фазі була рідкою, Леман назвав її рідким кристалом.

З того часу речовини, здатні в певному температурному інтервалі вище точки плавлення поєднувати одночасно властивості рідин (плинність, здатність до утворення крапель) та властивості кристалічних тіл (анізотропії), стали називатися рідкими кристалами або рідкокристалічними. РК – речовини часто називають мезоморфними, а утворювану ними РК – фазу – мезофазою. Такий стан є термодинамічно стабільним фазовим станом і по праву на ряду з твердим, рідким та газоподібним може розглядатися як четвертий стан речовини

Однак розуміння природи ЖК - стану речовин встановлення та дослідження їх структурної організації приходить значно пізніше. Серйозна недовіра до факту існування таких незвичайних сполук у 20-30-х роках змінилося їх активним дослідженням. Роботи Д. Форлендера у Німеччині багато в чому сприяли синтезу нових ЖК - сполук. Досить сказати, що під його керівництвом було виконано 85 дисертацій з рідких кристалів. У двадцяті роки Фрідель запропонував розділити всі рідкі кристали на великі групи. Ггрупи рідких кристалів Фрідель назвав:

1. нематичним

2. смектичними

3. холестеричний

Він запропонував загальний термін для рідких кристалів - «мезоморфна фаза». Цей термін походить від грецького слова "мезос" (проміжний), а вводячи його, Фрідель хотів підкреслити, що рідкі кристали займають проміжне положення між істинними кристалами і рідинами як за температурою, так і за своїми фізичними властивостями.

Потім голландець С. Озеєн та чех Х. Цохер створили теорію пружності, російські вчені В.К. Фредерікс та В.М. Цвєтков у СРСР у 30-х роках вперше досліджували поведінку рідких кристалів в електричних та магнітних полях. Однак до 60-х років вивчення рідких кристалів не мало істотного практичного інтересу, і всі наукові дослідження мали досить обмежений, суто академічний інтерес.

Ситуація різко змінилася в середині 60-х років, коли у зв'язку з бурхливим розвитком мікроелектроніки та мікромініатюризації приладів були потрібні речовини, здатні відображати та передавати інформацію, споживаючи при цьому мінімум енергії. І ось тут на допомогу прийшли рідкі кристали, двоїстий характер яких (анізотропія властивостей та висока молекулярна рухливість) дозволили створити керовані зовнішнім електричним полем швидкодіючі та економічні ЖК-індикатори, які є по суті основним елементом багатомільйонної «армії» годинників, калькуляторів, плоских екранів телевізорів та і т.д.

Рідкокристалічний бум, у свою чергу, стимулював активну наукову діяльність, скликалися міжнародні симпозіуми та конференції з рідких кристалів, організовувалися школи для молодих учених, випускалися збірки та монографії.

Що ж є ці незвичайні кристали, і які особливі властивості, які зробили їх сьогодні практично незамінними?

1.2 Молекулярна будова та структура рідких кристалів

Наразі відомо вже близько сотні тисяч органічних речовин, які можуть перебувати у ЖК-стані, і кількість таких сполук безперервно зростає. Якщо перші десятиліття після відкриття рідких кристалів основними представниками цих сполук були лише речовини, що складаються з асиметричних молекул стрижнеподібної форми, - так звані каламітики (від грецьк. «каламіс» - очерет), то згодом було виявлено, що в ЖК стан можуть переходити найрізноманітніші речовини, мають молекули складнішої форми (диски, пластини та інших.). Молекули РК-з'єднань часто називають мезогенами, а угруповання чи фрагменти молекул, сприяють формуванню РК-фази, - мезогенними групами. На малюнку 1а наведено приклади стрижнеподібних мезогенів - каломитиків, а також хімічні формули дископодібних (дискотики) та планкоподібних мезогенів (санідики) (від грецьк. "санідіс" - планка).

Як видно з малюнку 1а, серед мезогенних груп найчастіше зустрічаються бензольні кільця, пов'язані безпосередньо один з одним за допомогою різних хімічних угруповань (-CH=CH-, - CH=N-, - NH-CO та ін). Характерною особливістю всіх РК-з'єднань є асиметрична форма малеку, що забезпечує анізотропію поляризуемості і тенденцію до розташування молекул переважно паралельно один одному уздовж їх довгих (каламітики та санідики) та коротких (дискотики) осей.

1.3 Термотропні рідкі кристали

Залежно від характеру розташування молекул згідно з класифікацією, запропонованою ще Фріделем, розрізняють три основні типи структур РК-з'єднань: смектичний, нематичний та холестеричний. Зазначені типи структур відносяться до так званих термотропних рідких кристалів, утворення яких здійснюється тільки при термічному вплив на речовину (нагрівання або охолодження). На рис. 2 показані схеми розташування стрижні-і дископодібних молекул у трьох перерахованих структурних модифікаціях рідких кристалів.

Смектичний тип рідких кристалів (смектики – від грецьк. слова «смегма» – мило) найближче до істинно кристалічних тіл. Молекули розташовуються у шарах, та його центри тяжкості рухливі у двох вимірах (на смектической площині). При цьому довгі осі молекул у кожному шарі можуть розташовуватися як перпендикулярно до площини шару (ортогональні смектики), так і під деяким кутом (похилі смектики). Напрямок переважної орієнтації осей молекул прийнято називати директором, який позначається вектором n (рис. 2, а).

Нематичний тип рідких кристалів (нематики від грецьк. «німа» - нитка) характеризується наявністю лише одновимірного орієнтаційного порядку довгих (каламітики) або коротких (дискотики) осей молекул (рис. 2 б і г відповідно). При цьому центри тяжіння молекул розташовані у просторі хаотично, що свідчить про відсутність трансляційного порядку.

Найбільш складний тип упорядкування молекул рідких кристалів холестеричний (холестерики), що утворюється хіральними (оптично активними) молекулами, що містять асиметричний атом вуглецю. Це означає, що такі молекули є дзеркально-несиметричними, на відміну від дзеркально-симетричних молекул нематиків. Вперше холестерична мезофаза спостерігалася для похідних холестерину, звідки й походить її назва. Холестерики багато в чому подібні до нематиків, у яких реалізується одномірний орієнтаційний порядок; вони утворюються також при додаванні невеликих кількостей хіральних сполук (1-2 мол.%) до нематиків. Як видно із рис. 2, в цьому випадку додатково реалізується спіральна закрученість молекул, і дуже часто холестерик називають закрученим нематиком.

Періодична спіральна структура холестериків визначає їх унікальну особливість - здатність селективно відбивати падаюче світло, «працюючи» в цьому випадку як дифракційні грати. При фіксованому вугіллі відображення умови інтерференції виконуються тільки для променів одного кольору, і шар (або плівка) холестерика здається забарвленим в один колір. Цей колір визначається кроком спіралі Р, який при нормальному куті падіння світла простим чином пов'язаний з максимумом довжини хвилі відбитого світла max:

P = max/n, (1)

де n – показник заломлення холестерика. Цей ефект вибіркового відбиття плівкою холестерика світла з певною довжиною хвилі отримав назву селективного відбиття. Залежно від величини кроку спіралі, що визначається хімічною природою холестерика, максимум довжини хвилі відбитого світла може розташовуватися у видимій, а також в ІЧ- та УФ-областях спектра, визначаючи широкі області використання оптичних властивостей холестериків.

Будь-який з трьох типів мезофаз розглядається зазвичай як безперервне анізотропне середовище, де в невеликих за розмірами мікрооб'ємах (їх часто називають роями або доменами), що складаються, як правило, з 104-105 молекул, молекули орієнтовані паралельно один одному.

Тепер розглянемо макроскопічну структуру рідких кристалів, яку найчастіше називають текстурою, розуміючи під цим сукупність структурних деталей зразка рідкого кристала, помішаного між двома стеклами та досліджуваного за допомогою оптичного поляризаційного мікроскопа. Кожен тип рідкого кристала мимоволі утворює свої характерні текстури, якими їх часто вдається ідентифікувати. Як правило, текстури рідких кристалів настільки «фотогенічні», що їх красиві мікрофотографії часто завадять на обкладинках наукових журналів та науково-популярних видань.

Нематичні рідкі кристали характеризуються так званою шлірен-текстурою (рис. 3, а), що є системою тонких ниткоподібних ліній і точок з ниткоподібними чорними «хвостами». Ці лінії називають дисклінаціями (від грец. «Клині» - нахил). Вони є місцями різкої зміни напряму орієнтації довгих осей молекул. Характерною текстурою смектиків є віялова текстура, яка багато в чому нагадує кристали звичайних твердих тіл (рис. 3, б), що підкреслює найбільшу аналогію у структурній організації двомірно-упорядкованих смектиків та тривимірно-упорядкованих кристалів. Неорієнтовані холестерики утворюють конфокальну текстуру, що складається з окремих і пов'язаних між собою складних утворень, які називають конфокальними доменами (рис. 3, в).

Важливо, що це розглянуті текстури надзвичайно лабільні і легко піддаються структурним перебудовам під впливом невеликих зовнішніх впливів (механічні напруги, електричні поля, температура та інших.).

1.4 Ліотропні рідкі кристали

На відміну від термотропних рідких кристалів рідкі ліотропні кристали утворюються при розчиненні ряду амфіфільних сполук у певних розчинниках і мають, як правило, більш складну структуру, ніж термотропні рідкі кристали. Амфіфільні сполуки складаються з молекул, що містять гідрофільні та гідрофобні групи. Такі сполуки поширені у природі. Так, наприклад, будь-яка жирна кислота є амфіфільною. Її молекули складаються із двох частин: полярної «головки» (СООН-група) та вуглеводневого «хвоста» [СН 3 (СН 2) n -]. Подібні сполуки при розчиненні у воді, як правило, утворюють міцелярні розчини, в яких полярні головки стирчать назовні, перебуваючи в контакті з водою, а вуглеводневі хвости, контактуючи один з одним, дивляться усередину. Такі міцели (рис. 4, а) і є тими структурними елементами, з яких будуються рідкі ліотропні кристали, формуючи, наприклад, циліндричну або ламеллярну форми (рис. 4, б, в).

На відміну від термотропних рідких кристалів, де формування певного типу мезофази визначається лише температурою, у ліотропних системах тип структурної організації визначається вже двома параметрами: концентрацією речовини та температурою. Ліотропні рідкі кристали найчастіше утворюються біологічними системами, що функціонують у водних середовищах. Саме в цих системах у найбільш яскравій формі виявляються унікальні особливості рідких кристалів, що поєднують лабільність із високою схильністю до самоорганізації. Обмежимося лише одним прикладом, що належать до клітин і внутрішньоклітинних органелів, покритих тонкими високоупорядкованими оболонками - мембранами. Сучасні структурні дослідження показують, що мембрани являють собою типові ламелярні ліотропні лабільні РК-структури, складені з подвійного шару фосфоліпідів, в якому «розчинені» білки, полісахарили, холестерин та інші життєво важливі компоненти (рис. 4, г). Така анізотропна будова мембрани, з одного боку, дозволяє захищати її внутрішню частину від небажаних зовнішніх впливів, а з іншого боку, її «рідинний» характер забезпечує високі транспортні властивості (проникність, перенесення іонів та ін.), що надає клітині визначальну роль у процесах життєдіяльності.

1.5 Анізотропія фізичних властивостей – основна особливість рідких кристалів

Оскільки основною структурною ознакою рідких кристалів є наявність орієнтаційного порядку, обумовленого анізотропною формою молекул, то природно, що всі їх властивості так чи інакше визначаються ступенем орієнтаційного упорядкування. Кількісно ступінь упорядкованості рідкого кристала визначається параметром порядку S, запровадженим В.І. Цвєтковим у 40-х роках:

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

де - кут між віссю індивідуальної молекули рідкого кристала і переважним напрямом всього ансамблю, що визначається директором n (рис. 2) (кутові дужки означають усереднення по всіх орієнтаціях молекул). Легко зрозуміти, що у повністю розпорядженій ізотропно-рідкій фазі S = 0, а повністю твердому кристалі S = 1. Параметр порядку рідкого кристала лежить у межах від 0 до 1. Саме існування орієнтаційного порядку обумовлює анізотропію всіх фізичних властивостей рідких кристалів. Так, анізотропна форма молекул каламітиків визначає появу подвійного променезаломлення (n) та діелектричної анізотропії (), величини яких можуть бути виражені наступним чином:

n = n - n і = - (3)

де n, n і, - показники заломлення та діелектричні постійні відповідно, виміряні при паралельній та перпендикулярній орієнтації довгих осей молекул щодо директора. Значення n для РК - сполук зазвичай дуже великі і змінюються у межах залежно від своїх хімічної будови, досягаючи іноді величини порядку 0,3-0,4. Величина і знак залежить від співвідношення між анізотропією поляризуемости молекули, величиною постійного дипольного моменту, і навіть від кута між напрямком дипольного моменту і довгої молекулярної віссю. Приклади двох РК-з'єднань, що характеризуються позитивною та негативною величиною, наведені нижче:

Нагрівання рідкого кристала, знижуючи його орієнтаційний порядок, супроводжується монотонним зниженням значень n і, так що в точці зникнення РК-фази при Т пр анізотропія властивостей повністю зникає.

У той же час саме анізотропія всіх фізичних характеристик рідкого кристала в поєднанні з низькою в'язкістю цих сполук і дозволяє з високою легкістю та ефективністю здійснювати орієнтацію (і переорієнтацію) їх молекул під дією невеликих факторів, що «обурюють» (електричні та магнітні поля, механічна напруга), істотно змінюючи їх структуру та властивості. Саме тому рідкі кристали виявилися незамінними електрооптично-активними середовищами, на основі яких і було створено нове покоління так званих РК-індикаторів.

2. Технологічна методика

2.1 Способи керування рідкими кристалами

кристал молекулярний рідкий управління

Основою будь-якого ЖК - індикатора є так званий електрооптичний осередок, пристрій якого зображено на рис. 5. Дві плоскі скляні пластинки з нанесеним на них прозорим провідним шаром з окису олова або окису індію, що виконують роль електродів, поділяються тонкими прокладками з непровідного матеріалу (поліетилен, тефлон). Зазор, що утворився між пластинками, який коливається від 5 до 50 мкм (залежно від призначення комірки), заповнюється рідким кристалом, і вся «сандвічева» конструкція по периметру «запаюється» герметикою або іншим ізолюючим матеріалом (рис. 5). Отримана таким чином осередок може бути помішана між двома дуже тонкими плівковими поляризаторами, площини поляризації яких утворюють певний кут з метою спостереження ефектів орієнтації молекул під впливом електричного поля. Додаток до тонкого ЖК - шару навіть невеликої електричної напруги (1,5-3 В) внаслідок відносно низької в'язкості та внутрішнього тертя анізотропної рідини призводить до зміни орієнтації рідкого кристала. При цьому важливо наголосити, що електричне поле впливає не на окремі молекули, а на орієнтовані групи молекул (рої або домени), що складаються з десятків тисяч молекул, унаслідок чого енергія електростатичної взаємодії значно перевищує енергію теплового руху молекул. У результаті рідкий кристал прагне повернутися таким чином, щоб напрямок максимальної постійної діелектричної збігся з напрямком електричного поля. А внаслідок великої величини двопроменезаломлення n процес орієнтації веде до різкої зміни структури та оптичних властивостей рідкого кристала.

Вперше вплив електричних та магнітних полів на рідкі кристали було досліджено російським фізиком В.К. Фредеріксом, і процеси їхньої орієнтації отримали назву електрооптичних переходів (або ефектів) фредериксу. Один із трьох, що найчастіше зустрічаються варіантів орієнтації молекул показаний на рис. 5. а. Це планарна орієнтація, яка характерна для нематиків з негативною діелектричною анізотропією.< 0), когда длинные оси молекул параллельны стеклянным поверхностям ячейки.

Гомеотропна орієнтація реалізується для рідких кристалів із позитивною діелектричною анізотропією (>0) (рис. 5, б). У цьому випадку довгі осі молекул з поздовжнім дипольним моментом розташовуються вздовж напрямку поля перпендикулярно поверхні осередку. І нарешті, можлива твіст-або закручена орієнтація молекул (рис. 5, в). Така орієнтація досягається спеціальною обробкою скляних пластин, при якій довгі осі молекул повертаються в напрямку від нижнього до верхнього скла електрооптичного осередку. Зазвичай це досягається натирання скла у різних напрямках або використанням спеціальних речовин - орієнтантів, що задають напрямок орієнтації молекул.

В основі дії будь-якого РК-індикатора лежать структурні перебудови між зазначеними типами орієнтації молекул, які індукуються при додатку слабкого електричного поля. Розглянемо, наприклад, як працює РК - циферблат електронного годинника. Основу циферблата становить вже знайомий нам електрооптичний осередок, правда дещо доповнений (рис. 6, а, б). Крім стекол з напиленими електродами, двох поляризаторів, площини поляризації яких протилежні, але збігаються з напрямком довгих осей молекул у електродів, додається дзеркало, що ще розташовується під нижнім поляризатором (на малюнку не показано). Нижній електрод зазвичай роблять суцільним, а верхній - фігурним, що складається із семи невеликих сегментів-електродів, за допомогою яких можна зобразити будь-яку цифру або букву (рис. 6, в). Кожен такий сегмент «живиться» електрикою та включається згідно із заданою програмою від мініатюрного генератора. Вихідна орієнтація нематика закручена, тобто маємо так звану твіст-орієнтацію молекул (див. рис. 5, в і 6, а). Світло падає на верхній поляризатор і стає плоскополяризованим відповідно до його поляризації.

За відсутності електричного поля (тобто у вимкненому стані) світло, «дотримуючись» твіст - орієнтації нематика, змінює свій напрямок відповідно до оптичної вісі нематика і на виході матиме той самий напрямок поляризації, що й нижній поляризатор (див. рис. 6). , а). Іншими словами, світло відіб'ється від дзеркала, і ми побачимо світле тло. При включенні електричного поля для нематичного рідкого кристала з позитивною діелектричною анізотропією (> 0) відбудеться перехід від закрученої твіст-орієнтації до гомеотропної орієнтації молекул, тобто довгі осі молекул повернуться в напрямку, перпендикулярному електродам, і спіральна структура зруйнується (рис. 6, б). Тепер світло, не змінивши напрями вихідної поляризації, що збігається з поляризацією верхнього поляризатора, матиме напрямок поляризації, протилежний нижньому поляроїду, а вони, як видно на рис. 6 б знаходяться в схрещеному положенні. В цьому випадку світло не дійде до дзеркала, і ми побачимо темне тло. Іншими словами, включаючи поле, можна малювати будь-які темні символи (літери, цифри) на світлому фоні, використовуючи, наприклад, просту семисегментну систему електродів (рис. 6, в).

Такий принцип дії будь-якого ЖК-індикатора. Основними перевагами цих індикаторів є низькі керуючі напруги (1,5-5 В), малі споживані потужності (1-10 мкВт), висока контрастність зображення, легкість вбудовування в будь-які електронні схеми, надійність у роботі та відносна дешевизна.

2.2 Способи керування холестеричною спіраллю

Серед розглянутих типів рідких кристалів, мабуть, найбільш екзотичні оптичні властивості мають холестерики. Надзвичайно тонко організована спіральна структура холестеричних рідких кристалів (див. рис. 2, в) надзвичайно чутлива до різних зовнішніх впливів. Змінюючи температуру, тиск, прикладаючи електромагнітні поля та механічні напруги, можна істотно змінювати крокхолестеричної спіралі, а відповідно до рівняння (1) легко змінювати колір холестерика. Величезна чутливість цих сполук, що дозволяє «пробігати» всі кольори діапазону в інтервалі 0,01 -0,001°С. показує, які незвичайні можливості відкриває використання цих речовин як високоефективні термоіндикатори.

Більшість холестериків зі зростанням температури крок спіралі зменшується, отже, зменшується і довжина хвилі селективно відбитого світла max (рис. 7). Іншими словами, кожною із зазначених на рис. 7 температур - Т0, Т1, Т2 і Т3 - відповідає свій колір. Таким чином, наносячи холестеричні рідкі кристали на поверхні різних об'єктів, можна отримувати топографію розподілу температури, що робить їх незамінними термоіндикаторами та візуалізаторами для різноманітних застосувань у техніці та медицині. Вводячи холестерики в полімерні плівки, тобто отримуючи так звані рідкі капсульовані кристали, можна створювати дуже зручні в обігу плівкові матеріали, які можна використовувати як термометри, а також для візуалізації і «фотографування» теплових полів.

В останні роки розробляються суміші холестеричних рідких кристалів, що різко змінюють колір (а отже, і крок спіралі) під дією малих, але небезпечних концентрацій шкідливої ​​пари різних хімічних сполук. Такі РК-індикатори можуть за дуже короткий час (1-2 хв) змінювати колірне забарвлення при перевищенні допустимої концентрації шкідливої ​​пари, виконуючи таким чином роль своєрідних хімічних датчиків.

Одним із зовнішніх факторів, за допомогою якого можна керувати кроком холестеричної спіралі, може бути електричне або магнітне поле. При додатку поля холестерична спіраль починає поступово розкручуватись, при цьому крок спіралі збільшується, чітко «відстежуючи» величину поданої напруги. А це означає, що можна безперервно керувати і кольором шару холестеричного рідкого кристала. При деякому так званому критичному напрузі поля спіраль можна повністю розкрутити, перетворивши таким чином холестеричний рідкий кристал а нематичний (один з видів ефекту Фредерікса). Процес розкрутки спіралі в даний час активно досліджується з метою використання кольорових плоских екранах з електронною системою управління.

3. Застосування рідких кристалів

3.1 Рідкі кристали сьогодні та завтра

Багато оптичних ефектів у рідких кристалах, про які розповідалося вище, вже освоєно технікою та використовуються у виробах масового виробництва. Наприклад, всім відомий годинник з індикатором на рідких кристалах, але не все ще знають, що ті ж рідкі кристали використовуються для виробництва наручного годинника, в який вбудований калькулятор. Тут уже навіть важко сказати, як назвати такий пристрій, чи годинник, чи комп'ютер. Але це вже освоєні промисловістю вироби, хоча лише десятиліття тому подібне здавалося нереальним. Перспективи майбутніх масових і ефективних застосувань рідких кристалів ще більш дивовижні. Тому варто розповісти про кілька технічних ідей застосування рідких кристалів, які поки що не реалізовані, але, можливо, у найближчі кілька років послужать основою створення пристроїв, які стануть для нас такими ж звичними, якими, скажімо, є транзисторні приймачі.

3.2 Оптичний мікрофон

У системах оптичної обробки інформації та зв'язку виникає необхідність перетворювати не тільки світлові сигнали на світлові, але й інші найрізноманітніші впливи на світлові сигнали. Такими впливами може бути тиск, звук, температура, деформація тощо. І ось для перетворення цих впливів в оптичний сигнал рідкокристалічні пристрої опиняються дуже зручними і перспективними елементами оптичних систем.

Звичайно, існує маса методів перетворювати перелічені впливи в оптичні сигнали, проте переважна більшість цих методів пов'язано спочатку з перетворенням впливу на електричний сигнал, за допомогою якого можна керувати світловим потоком. Таким чином, ці методи двоступінчасті і, отже, не такі вже прості та економічні в реалізації. Перевага застосування з цією метою рідких кристалів у тому, що з допомогою найрізноманітніші впливу можна безпосередньо переводити в оптичний сигнал, що усуває проміжне ланка в ланцюзі вплив-світловий сигнал, отже, вносить принципове спрощення управління світловим потоком. Інша перевага РК-елементів у тому, що вони легко сумісні з вузлами волоконно-оптичних пристроїв.

Щоб проілюструвати можливості за допомогою РК керувати світловими сигналами, розповімо про принцип роботи оптичного мікрофона на РК-пристрою, запропонованого для безпосереднього переведення акустичного сигналу в оптичний.

Принципова схема устрою оптичного мікрофона дуже проста. Його активний елемент є орієнтованим шаром нематика. Звукові коливання створюють періодичні в часі деформації шару, що викликають також переорієнтації молекул і модуляцію поляризації (інтенсивності) поляризованого світлового потоку, що проходить.

Дослідження характеристик оптичного мікрофона на РК показали, що за своїми параметрами не поступається існуючим зразкам і може бути використаний в оптичних лініях зв'язку, дозволяючи здійснювати безпосереднє перетворення звукових сигналів в оптичні. Виявилося також, що у всьому температурному інтервалі існування нематичної фази його акустооптичні характеристики практично не змінюються.

3.3 Як зробити стереотелевізор

В якості ще одного привабливого, несподіваного і практично всіх застосувань рідких кристалів варто назвати ідею створення системи стереотелебачення із застосуванням рідких кристалів. Причому, що видається особливо привабливим, така система «стереотелебачення на рідких кристалах» може бути реалізована ціною дуже простої модифікації телекамери, що передає, і доповненням звичайних телевізійних приймачів спеціальними окулярами, скла яких забезпечені рідкокристалічними фільтрами.

Ідея цієї системи стереотелебачення надзвичайно проста. Якщо врахувати, що кадр зображення на телеекрані формується рядково, причому так, що спочатку висвічуються непарні рядки, а потім парні, то за допомогою окулярів з рідкокристалічними фільтрами легко зробити так, щоб праве око, наприклад, бачив лише парні рядки, а ліве - непарні . І тому досить синхронізувати включення і виключення жидкокристаллических фільтрів, тобто. можливість сприймати зображення на екрані поперемінно то одним, то іншим оком, роблячи поперемінно прозорим то одне, то інше скло окулярів із висвічуванням парних та непарних рядків.

Тепер зрозуміло, яке ускладнення передаючої телекамери дасть стереоефект телеглядачеві. Треба, щоб телекамера, що передає, була стерео, тобто. щоб вона мала два об'єктиви, що відповідають сприйняттю об'єкта лівим і правим оком людини, парні рядки на екрані формувалися за допомогою правого, а непарні - за допомогою лівого об'єктиву передаючої камери.

Система окулярів із рідкокристалічними фільтрами-затворами, синхронізованими з роботою телевізора, може виявитися непрактичною для масового застосування. Можливо, що більш конкурентоспроможною виявиться стереосистема, в якій окуляри забезпечені звичайними поляроїдами. При цьому кожне зі скла окулярів пропускає лінійно-поляризоване світло, площина поляризації якого перпендикулярна площині поляризації світла, що пропускається другим склом. Стерео ж ефект у цьому випадку досягається за допомогою рідкокристалічної плівки, нанесеної на екран телевізора і пропускає від парних рядків світло однієї лінійної поляризації, а від непарних-другої лінійної поляризації, перпендикулярної до першої.

Яка із описаних систем стереотелебачення буде реалізована чи виживе зовсім інша система, покаже майбутнє.

3.4 Окуляри для космонавтів

Знайомлячись раніше з маскою для електрозварювальника, а тепер з окулярами для стереотелебачення, помітили, що в цих пристроях керований рідкокристалічний фільтр перекриває відразу все поле зору одного або обох очей. Тим часом існують ситуації, коли не можна перекривати все поле зору людини і водночас необхідно перекрити окремі ділянки зору.

Наприклад, така необхідність може виникнути у космонавтів в умовах їхньої роботи в космосі при надзвичайно яскравому сонячному освітленні, не ослабленому ні атмосферою, ні хмарністю. Це завдання як у випадку маски для електрозварювальника або окулярів для стереотелебачення дозволяють вирішити керовані рідкокристалічні фільтри.

Ускладнення окулярів у цьому випадку полягає в тому, що поле зору кожного ока тепер має перекривати не один фільтр, а кілька керованих незалежно фільтрів. Наприклад, фільтри можуть бути виконані у вигляді концентричних кілець з центром у центрі скла окулярів або у вигляді смужок на склі окулярів, кожна з яких при включенні перекриває тільки частину поля зору ока.

Такі окуляри можуть бути корисні не лише космонавтам, а й людям інших професій, робота яких може бути пов'язана не лише з яскравим нерозсіяним освітленням, але й необхідністю сприймати великий обсяг зорової інформації.

Наприклад, у кабіні пілота сучасного літака дуже багато панелей приладів. Однак не всі з них потрібні пілотові одночасно. Тому використання пілотом окулярів, що обмежують поле зору, може бути корисним і полегшує його роботу, тому що допомагає зосереджувати його увагу тільки на частини потрібних в даний момент приладів і усуває відволікаючий вплив не потрібної в цей момент інформації.

Подібні окуляри будуть дуже корисними також у біомедичних дослідженнях роботи оператора, пов'язаної зі сприйняттям великої кількості зорової інформації. В результаті таких досліджень можна виявити швидкість реакції оператора на зорові сигнали, визначити найважчі та стомлюючі етапи в його роботі і зрештою знайти спосіб оптимальної організації його роботи. Останнє означає визначити найкращий спосіб розташування приладів, тип індикаторів приладів, колір і характер сигналів різного ступеня важливості.

Фільтри подібного типу та індикатори на рідких кристалах, безперечно, знайдуть (і вже знаходять) широке застосування у кіно-, фотоапаратурі. У цих цілях вони привабливі тим, що для керування ними потрібна мізерна кількість енергії, а в ряді випадків дозволяють виключити з апаратури деталі, що здійснюють механічні рухи. Як відомо, механічні системи часто виявляються найбільш громіздкими і ненадійними.

Які механічні деталі кіно-, фотоапаратури маються на увазі? Це насамперед діафрагми, фільтри - ослаблювачі світлового потоку, нарешті, переривники світлового потоку в кінознімальній камері, синхронізовані з переміщенням фотоплівки та забезпечують її покадрове експонування.

Принципи влаштування таких РК-елементів зрозумілі з попереднього. Як переривачів і фільтрів-ослаблювачів природно використовувати РК-комірки, в яких під дією електричного сигналу змінюється пропускання світла по всій площі. Для діафрагм без механічних частин-системи осередків у вигляді концентричних кілець, яких можуть під дією електричного сигналу змінювати площу прозорого вікна, що пропускає світло. Слід зазначити, що шаруваті структури, містять рідкий кристал і фотонапівпровідник, тобто. елементи типу керованих оптичних транспарантів, можуть бути використані не тільки як індикатори, наприклад, експозиції, але і для автоматичної установки діафрагми в кіно-, фотоапаратурі.

При всій принциповій простоті обговорюваних пристроїв їх широке впровадження в масову продукцію залежить від ряду технологічних питань, пов'язаних із забезпеченням тривалого терміну роботи РК-елементів, їх роботи в широкому температурному інтервалі, нарешті, конкуренції з традиційними та усталеними технічними рішеннями тощо. . Однак вирішення всіх цих проблем - це тільки питання часу, і скоро, напевно, важко буде собі уявити досконалий фотоапарат, що не містить РК-пристрою.

Висновок

Отже, рідкі кристали мають подвійні властивості, поєднуючи в собі властивість рідин (плинність) і властивість кристалічних тіл (анізотропію). Їхня поведінка не завжди вдається описати за допомогою звичних методів та понять. Але саме в цьому і полягає їхня привабливість для дослідників, які прагнуть пізнати ще незвідане.

Нещодавно відкриті та інтенсивно досліджуються рідкокристалічні полімери, з'явилися полімерні РК-сегнетоелектрики, йде активне дослідження гнучколанцюгових елементоорганічних та металовмісних РК-з'єднань, що утворюють нові типи мезофаз. Світ рідких кристалів нескінченно великий і охоплює коло природних і синтетичних об'єктів, привертаючи увагу як учених - фізиків, хіміків і біологів, а й дослідників-практиків, які у найрізноманітніших галузях сучасної техніки (електроніці, оптоелектроніці, інформатиці, голографії тощо.). п.).

Список використаної літератури

1. Шибаєв В.П. Незвичайні кристали або загадкові рідини // Соросівський Освітній Журнал. 1996. N11. З. 37-46.

2. Чандрасекар С. Рідкі кристали – М.: Світ, 1980 с. 344

3. Тітов В.В., Севостьянов В.П., Кузьмін Н.Г., Семенов А.М. Рідкокристалічні екрани: будова, синтез, характеристики рідких кристалів. - Мінськ: Вид-во НВОТОВ «Мікровідеосистеми», 1998 з. 238

Подібні документи

Історія відкриття рідких кристалів. Їх класифікація, молекулярна будова та структура. Термотропні рідкі кристали: смектичний, нематичний та холестеричний тип. Ліотропні РК. Анізотропія фізичних якостей. Як керувати рідкими кристалами.

реферат, доданий 27.05.2010


Загальна характеристика поверхневих явищ у рідких кристалах. Розгляд відмінних рис рідкісних смектичних кристалів, різних ступенів їх упорядкування. Дослідження анізотропії фізичних властивостей мезофази, ступеня впорядкування.

реферат, доданий 10.10.2015


Тверді кристали: структура, зростання, властивості. "Наявність порядку" просторової орієнтації молекул як властивість рідких кристалів. Лінійно поляризоване світло. Нематичні, смектичні та холестеричні кристали. Загальне поняття про сегнетоелектрики.

курсова робота , доданий 17.11.2012


Рідкокристалічний (мезоморфний) стан речовини. Утворення нової фази. Типи рідких кристалів: смекатичні, нематичні та холестеричні. Термотропні та ліотропні рідкі кристали. Роботи Д. Форлендера, які сприяли синтезу сполук.

презентація , доданий 27.12.2010


Основні види кристалів. Природне та штучне зростання кристалів. Вирощування кристалів як фізико-хімічний процес, необхідне устаткування. Способи утворення кристалів. Вирощування монокристалів з розплаву, розчинів та парової фази.

реферат, доданий 07.06.2013


Вивчення поняття, видів та способів утворення кристалів - твердих тіл, у яких атоми розташовані закономірно, утворюючи тривимірно-періодичне просторове укладання - кристалічну решітку. Освіта кристалів із розплаву, розчину, пари.

презентація , доданий 08.04.2012


Причини та умови кристалізації матеріальних частинок. Теорії зародження та зростання ідеальних кристалів у роботах Гіббса, Фольмера, Косселя та Странського. Опис точкових, лінійних, двовимірних та об'ємних дефектів. Історія здобуття штучних кристалів.

реферат, доданий 18.11.2010


Поняття будови речовини та основні фактори, що впливають на її формування. Основні ознаки аморфної та кристалічної речовини, типи кристалічних решіток. Вплив типу зв'язку на структуру та властивості кристалів. Сутність ізоморфізму та поліморфізму.

контрольна робота , доданий 26.10.2010


Структура вуглецевих наноструктур. Історія відкриття, геометрична будова та способи отримання фулеренів. Їх фізичні, хімічні, сорбційні, оптичні, механічні та трибологічні властивості. Перспективи практичного використання фулеренів.

курсова робота , доданий 13.11.2011


Історія відкриття водню. Загальна характеристика речовини. Розташування елемента в періодичній системі, будова його атома, хімічні та фізичні властивості, знаходження у природі. Практичне застосування газу для корисного та шкідливого використання.

Рідкі кристали - це такі речовини, які перебувають у стані мезоморфному (середньому, проміжному) між рідким ізотропним і твердим кристалічним. Ці елементи мають плинність, здатні перебувати у вигляді крапель. Разом з проявом зазначених властивостей рідкі кристали виявляють анізотропію магнітних, електричних, оптичних та інших властивостей, зумовлених з упорядкованістю в молекулярній орієнтації. Іншими словами, речовини мають різноспрямовані характеристики. За відсутності зовнішнього впливу анізотропні в рідких кристалах теплопровідність, електропровідність, магнітна сприйнятливість, В речовинах відзначаються дихроїзм та подвійне променезаломлення.

Рідкі кристали смектичні

Вперше їх виявили в милі (звідси і назва – "смегма" – мило). Кінці молекул начебто закріплюються в перпендикулярних їх поздовжнім осям площинах. Смектичні кристали рідкі відрізняються шаруватим будовою. До цих речовин відносять розчини мил водні, ефір етилової кислоти азоксибензойної.

"Смектики" вважаються найбільшим класом рідких кристалів. Окремі їх різновиди виявляють і сегнетоелектричні (наявність мимовільної поляризації у певному температурному інтервалі). Висока в'язкість не дозволила знайти широке застосування рідких смектичних кристалів у техніці.

Німатики

Нематичні кристали рідкі відрізняються орієнтацією поздовжніх молекулярних осей у певному напрямку. Інакше кажучи, вони характеризуються далеким орієнтаційним порядком. Назва кристалів походить від грецького визначення "німа" - нитка. Дисинклінації (нитки) мають високу рухливість, у природному світлі вони добре помітні.

Холестеричні рідкі кристали та їх застосування

Молекулярна форма речовин цього типу являє собою розташовані паралельно довгасті пластинки. Холестерики дають ефір пропіловий холестерину, холестерилциннамат та інші похідні холестерину.

Термоіндикатори рідких кристалів холестеричного типу широко застосовуються в медичній та технічній діаностиці. Чутливість цих речовин до температури дозволяє візуалізувати температурний розподіл поверхнею. Це, у свою чергу, застосовується в інтроскопії (спостереження процесів усередині тіл, оптично непрозорих), при виявленні деяких захворювань, а також у цих кристалах формують температурну картину у формі колірної діаграми. Холестерики можуть застосовуватися і при візуалізації полів НВЧ. Для виробництва індикаторів використається ефект динамічного світлового розсіювання. У рідкокристалічних індикаторах застосовується довкілля. Це дозволяє значно знизити споживану потужність. Так, потужність на порядок нижча, ніж у плівкових та порошкових люмінофорах, світлодіодах, газорозрядних індикаторах. Холестерики використовуються в основі перетворення у видиме інфрачервоне зображення.

У рідкому холестеричному кристалі (на відміну від нематичного) динамічне світлове розсіювання може мати пам'ять - стан, що розсіює світло, може зберігатися і після видалення поля. При цьому певні властивості холестерику впливають на тривалість стану. Так, пам'ять може зберігатися від кількох хвилин за кілька років. У початковий стан (нерозсіювальне) холестерика наводить змінну напругу. Зазначене властивість застосовується для формування осередків пам'яті.

Рідкі кристали – графічна візуалізація

Рідкий кристал – це такий фазовий стан, під час якого речовина одночасно має як властивості рідин, так і властивості кристалів. Тобто вони мають плинність, і разом з тим їм властива анізотропія - відмінність властивостей даного середовища в залежності від напрямку всередині неї (наприклад, показник заломлення, швидкість звуку або теплопровідність).

Рідкі кристали мають структуру в'язких рідин, що складається з молекул дископодібної форми. Орієнтація даних молекул може змінюватись при взаємодії з електричними полями.

У 1888-му році австрійський ботанік Фрідеріх Рейнітцер з'ясував, що деякі типи кристалів мають дві точки плавлення, з чого випливає, що існує два різні рідкі стани, в одному з яких речовина прозора, а в іншому – каламутна.

І хоча 1904-го року німецький фізик Отто Леман надав низку наукових доказів на користь рідких кристалів у своїй однойменній книзі, все ж таки довгий час рідкі кристали не визнавалися як окремі стани речовини. У 1963-му році американський винахідник Джеймс Фергюсон знайшов застосування однієї з властивостей РК - зміна кольору в залежності від температури. Американець отримав патент на винахід, який здатний виявляти невидимі для очей теплові поля. З цього популярність рідких кристалів почала зростати.

Групи рідких кристалів та їх властивості

Рідкі кристали зазвичай поділяють на дві групи:

1. Ліотропні - утворюються в сумішах, що складаються із стрижнеподібних молекул даної речовини та полярних розчинників (наприклад, води).

Застосування рідких кристалів

РК-дисплеї

Насамперед слід відзначити не найбільш корисне, але найвідоміше застосування РК – рідкокристалічні дисплеї. Іноді вони називаються LCD-дисплеї, що є скороченням англійського "liquid crystal display". У вік гаджетів такі дисплеї присутні практично в будь-якому електронному пристрої: телевізори, монітори комп'ютерів, цифрові фотоапарати, навігатори, калькулятори, електронні книги, планшети, телефони, електронний годинник, плеєри та ін.

Пристрій РК-дисплеїв досить складний, однак у загальному вигляді є набір скляних пластин, між якими розташовані рідкі кристали (ЖК-матриця), і безліч джерел світла. Піксель РК-матриці включає пару прозорих електродів, які дозволяють змінювати орієнтацію молекул рідкого кристала, а також пару поляризаційних фільтрів, які регулюють ступінь прозорості та ін.

Термографія

Менш популярне, але важливіше застосування РК – це термографія. Термографія дозволяє отримати теплове зображення об'єкта, внаслідок реєстрації інфрачервоного випромінювання – тепла. Інфрачервоні прилади нічного зору використовуються пожежниками у разі задимлення приміщення з метою виявлення постраждалих у пожежі. Також вони знайшли застосування у служб безпеки та військових служб.

Теплові зображення дозволяють виявляти місця перегріву, порушення теплоізоляції або інші аварійні ділянки при обслуговуванні ліній електропередачі або будівництві.

Також термографія використовується при медичній візуалізації, переважно для спостереження молочних залоз. Це дозволяє виявляти різні онкологічні захворювання, як рак молочної залози.

Електронні індикатори

Електронні індикатори, що створюються за допомогою рідких кристалів, реагують на різні температури, внаслідок чого можуть поінформувати про збої та порушення в електроніці. Наприклад, РК як плівки наносять на друковані плати і інтегральні схеми, і навіть – транзистори. Несправні сегменти електроніки легко відрізнити за наявності такого індикатора.

Крім цього, РК-індикатори, розташовані на шкірі пацієнта, дозволяють виявляти запалення та пухлини у людини.

Індикатори рідких кристалів використовують і для виявлення парів різних шкідливих хімічних сполук, а також виявлення ультрафіолетового і гамма-випромінювання. Із застосуванням РК розробляються детектори ультразвуку та вимірювачі тиску.

Крім прямого застосування РК у перелічених вище сферах, слід зазначити, що рідкі кристали багато в чому схожі деякі клітинні структури, і іноді присутні у них. В силу своїх діелектричних властивостей рідкі кристали регулюють взаємини всередині клітини, між клітинами та тканинами, а також між клітиною та навколишнім середовищем. Таким чином, вивчення природи та поведінки рідких кристалів може зробити внесок у молекулярну біологію.

Св-в (оптич., електрич., магнітних та інших.) за відсутності тривимірного далекого порядку розташування частинок ( , ). Тому рідкокристаліч. стан часто зв. також мезоморфним (мезофазою). На температурний інтервал існування рідких обмежений т-рою твердих і т. зв. т-рой просвітлення, при к-рой рідкокристалліч. каламутні зразки стають прозорими внаслідок мезофази та перетворення її на ізотропну. рідкокристаліч. з'єдн. мають стрижнеподібну або дископодібну форму і мають тенденцію розташовуватися переважно. паралельно одне одному. Т. зв. рідкі термотропні утворюються при терміч. вплив на в-во. Такі рідкі утворюють, напр., похідні ароматич. соед., містять лінійні, що чергуються, і циклич. угруповання (бензольні кільця). Рідкокристалічний. фаза утворюється найчастіше в тому випадку, якщо заступники розташовуються в пара-положенні. Велика кількість термотропних рідкокристалліч. з'єдн. м. б. зображено загальною формулою:

X зазвичай -СН=N-, - СН 2 -СН 2 -, - НС=СН-, -С(О)-NH-. Кінцевими групами Y та Z м. б. алкільні і алкоксильні угруповання, ціано-, нітро- та ін. Приклади деяких рідких наведені в таблиці. Часто жорсткі фрагменти, напр., цикліч. угруповання, що визначають існування мезофази, зв. "мезогенними". Наявність розгалужень призводить до звуження температурного інтервалу існування мезофази.

K – тверде кристалліч. стан, I - ізотропна (), N - нематики, S(SA, S B, S F - смектики, D - дискотики, Ch - холестерики. Ліотропні рідкі утворюються при деяких в-в у певних розчинниках. Напр., водні розчини, та ін. утворюють рідкі в певному інтервалі і т-р. Структурними одиницями ліотропних рідких є надмолекулярні утворення разл. типів, розподілені в середовищі р-телегля і мають циліндрич., сферич. або ін. Залежно від характеру розташування стрижнеподібних розрізняють три осн. типу рідких – смектичний, нематичний та холестеричний. У смектіч. рідких (їх зв. смектиками, позначають S) розташовуються в шарах. Центри тяжкості подовжених знаходяться в рівновіддалених один від одного площинах і рухомі у двох вимірах (на смектич. площині). Довгі осі можуть розташовуватися як перпендикулярно до площини смектіч. шару (ортогональні смектики, рис. 1, а), і під нек-рым кутом до шару (похилі смектики, рис. 1,б).


Рис. 1. Структура смектичних (а і б) та нематичних (в) рідких (а – ортогональне, б – похило розташування).

Крім того, можливо впорядковане та невпорядковане розташування у самих шарах. Усе це зумовлює можливості освіти разл. поліморфних модифікацій Відомо св. десятка поліморфних смектіч. модифікацій, що позначаються літерами латинського , смектики А, В, С і т. д. (або S А, S, S C і т. д.). Формування смектіч. фаз характерно для рідкокристаліч. соед., яких брало містять довгі кінцеві алкільні або алкоксильні групи Y і Z з числом/ 4-6. Нематіч. рідкі (нематики N) характеризуються наявністю орієнтаційного порядку, при якому довгі осі розташовані односпрямовано при безладному розташуванні центрів тяжіння (рис. 1, в). Нематіч. тип рідких утворюють соед., в яких брало є короткі алкільні або алкоксильні групи (число[ 3).

Рис. 2. Структура холестеричних рідких; пунктиром зображено крок; стрілки вказують напрямок довгих осей.

Холестерич. тип мезофази (холестерики Сhоl) утворюється двома групами з'єд.: похідними оптично активних, гол. обр. (звідси назв.), і нестероїдними соед., що належать до тих же класів соед., які утворюють нематич. рідкі, але володіють (алкіл-, алкокси-, ацилоксизаміщені азометини, похідні коричної к-ти, азо- та ін). У холестерич. рідких розташовані так само, як у нематичних, але в кожному шарі повернуті щодо їхнього розташування в сусідньому шарі на певний кут. У цілому нині реалізується структура, описувана спіраллю (рис. 2). В-ва з дископодібними (дискотики D) можуть утворювати рідкі, в яких брало упаковані в колонки (є далекий порядок в орієнтації площин дископодібних) або розташовані так само, як у нематиках (далекий порядок відсутній) (рис. 3, а і б ). Своєрідна структура рідкокристалліч. з'єдн., що забезпечує поєднання упорядкованості в розташуванні з їх високою рухливістю, визначає широкі області практич. використання рідких. Напрямок переваг. орієнтації, що характеризується аксіальним одиничним, або директором, може легко змінюватися під впливом разл. зовніш. факторів – т-ри, хутро. напруги, напруженості електрич. та магн. полів.

Рис. 3. Структура дискотичних рідких: а - колончаста фаза; б – нематична фаза.

Безпосередня причина орієнтації чи переорієнтації директора - в'язкопружних, оптич., електрич. чи магн. св-в середовищі. У свою чергу, зміна переваг. орієнтації викликає зміну оптич., електрич. та інших. св-в рідких , т. е. створює можливість управління цими св-вами у вигляді порівняно слабких внеш. впливів, а також дозволяє реєструвати зазначені дії. Електрооптич. св-ва нематич. рідких широко використовують у системах обробки та відображення інформації, в буквено-цифрових (електронний годинник, мікрокалькулятори, дисплеї тощо), оптич. затворах та ін. світлоклапанних пристроях. Переваги цих приладів - низька споживана потужність (близько 0,1 мВт/см 2 ), низька напруга живлення (дек. В), що дозволяє, напр., поєднувати рідкокристалліч. дисплеї з інтегральними схемами і цим забезпечувати мініатюризацію індикаторних приладів (плоскі телевіз. екрани). Спіральна структура холестериків визначає їхню високу оптич. (К-раю на дек. порядків вище, ніж у звичайних орг. І твердих) і здатність селективно відображати циркулярно поляризоване світло видимого, ІЧ та УФ діапазонів. При зміні т-ри складу середовища, напруженості електромагн. поля змінюється крок, що супроводжується зміною оптич. св-в, зокрема кольори. Це дозволяє вимірювати т-ру тіла щодо зміни кольору рідкого