Dung dịch rắn và tinh thể lỏng. Tinh thể lỏng trong công nghệ

Tinh thể lỏng được gọi là chất lỏng dị hướng, bao gồm các phân tử duy trì một trật tự nhất định trong sự sắp xếp của chúng so với nhau. (Tính dị hướng là sự phụ thuộc của các đặc tính vật lý của một chất vào hướng.) Ví dụ, các nguyên tử trong phân tử có thể nằm dọc theo một trục nhất định, và các phân tử kéo dài như vậy được định hướng trong tinh thể lỏng, như trong tinh thể rắn, dọc theo một đặc hướng đi. Các hướng đặc biệt trong tinh thể lỏng và rắn được gọi là trục quang học, vì sự tồn tại của chúng gắn liền với các đặc tính quang học đáng chú ý của các vật liệu này (tính lưỡng chiết, sự quay của mặt phẳng phân cực ánh sáng, v.v.). Không giống như tinh thể rắn, nơi các trục quang học được cố định một cách cứng nhắc, trong tinh thể lỏng, hướng của các trục quang học có thể dễ dàng thay đổi bằng cách sử dụng điện trường. Điện áp rất thấp được yêu cầu để kiểm soát các đặc tính quang học của tinh thể lỏng.

Một lưỡng cực điện phát sinh dọc theo trục dài dễ dàng hơn nhiều so với dọc theo trục ngắn, tức là, nói cách khác, đám mây electron dễ bị dịch chuyển so với hạt nhân dương dọc theo phân tử và khó băng qua nó. Do đó, một cặp lực phát sinh, tạo ra mômen quay, làm quay phân tử để trục dài của nó hướng dọc theo trường E.

Nếu môi trường tinh thể lỏng mở rộng vô hạn theo mọi hướng, thì trục quang học sẽ quay theo một trường yếu tùy ý. Trong thực tế, lớp tinh thể lỏng có độ dày hữu hạn (khoảng 0,01 mm) và sự định hướng tương đối chặt chẽ của các phân tử trên bề mặt rắn xác định lớp. Do đó, hoạt động làm lệch hướng của trường mâu thuẫn với hoạt động ổn định của các lực đàn hồi. Trên thực tế, độ lệch của trục quang học trong lớp tinh thể lỏng bắt đầu khi mômen của lực điện trở nên lớn hơn mômen phục hồi của lực đàn hồi. Có một ngưỡng chênh lệch điện thế nhất định (khoảng 1 V), trên đó có thể dễ dàng điều khiển trục quang học trong nhiều loại chỉ thị tinh thể lỏng.

Điều này là do thực tế là tất cả các phân tử tinh thể lỏng liên kết với nhau và định hướng theo cùng một cách, và chỉ cần xoay một trong số chúng là đủ để toàn bộ nhóm phân tử thay đổi hướng của nó.

Ánh sáng tới được phân cực bởi bản phân cực trên, đi qua tấm thủy tinh và đi vào lớp tinh thể lỏng. Nếu mạch điện mở, như trong đường truyền của chùm ánh sáng bên trái, thì ở vị trí này, hướng xoắn của trục quang học được bảo toàn. Do đó, khi chùm ánh sáng bên trái đi qua, sự phân cực của nó sẽ quay theo chuyển động quay của trục quang học. Tại lối ra từ lớp và tấm kính dưới, góc quay này sẽ là 90 °, và sự phân cực ánh sáng trùng với trục của tấm kính phân cực dưới. Kết quả là, chùm tia bên trái đi qua bộ phân cực, phản xạ khỏi gương và truyền đi theo hướng ngược lại. Phần này của chỉ báo trông sáng sủa đối với người quan sát.

Trên mặt cắt bên phải liền kề của vật chỉ thị, một chùm tia sáng đi qua tại thời điểm đóng mạch số 8. Ánh sáng phân cực, đập vào lớp tinh thể lỏng, sẽ gặp ở đây một trục quang học định hướng theo phương thẳng đứng. Đây là cách điện trường quay các phân tử phân cực tốt dọc theo trục dài. Do đó, ánh sáng sẽ đi qua lớp dưới phân đoạn của số 8 mà không thay đổi độ phân cực của nó, và sẽ gặp bộ phân cực thấp hơn, trục của nó vuông góc với phân cực của ánh sáng. Do đó, chùm ánh sáng này sẽ không chiếu tới gương, vì nó sẽ bị hấp thụ trên đường đi và sẽ không quay trở lại người quan sát - số 8 sẽ trông tối trên nền sáng.

Đây là cách các chỉ số chữ và số được sắp xếp trong máy tính, máy dịch điện tử, cân dụng cụ đo lường và cân hiệu chỉnh, các bảng điểm khác nhau, v.v. bộ chuyển đổi hình ảnh (thiết bị nhìn ban đêm), phương tiện điều khiển chùm sáng trong máy tính điện tử tốc độ cao.

Một số chất ở trạng thái tinh thể lỏng có khả năng trộn lẫn với nhau và tạo thành các tinh thể lỏng có cấu trúc và tính chất khác nhau. Điều này mở rộng phạm vi sử dụng của chúng trong công nghệ.

CÔNG VIỆC KHÓA HỌC

tinh thể lỏng. Ứng dụng công nghệ của họenie

Giới thiệu

Sự kết hợp bất thường của hai từ "tinh thể lỏng" có lẽ đã quá quen thuộc với nhiều người, mặc dù không phải ai cũng có thể hình dung ra điều gì đằng sau khái niệm kỳ lạ và có vẻ mâu thuẫn này. Những chất tuyệt vời này kết hợp thành công tính chất dị hướng của tinh thể và đặc tính chảy của chất lỏng.

Đồng thời, có lẽ cứ mỗi giây lại có người mang theo các chỉ số tinh thể lỏng (LC) bên mình và nhìn vào đồng hồ điện tử của mình vài chục lần mỗi ngày. Màn hình LCD - mặt số đếm chính xác giờ, phút, giây và đôi khi là phần nhỏ của giây. Các chỉ báo LCD là cơ sở của máy tính hiện đại, máy tính xách tay Notebook, TV màn hình phẳng thu nhỏ, từ điển phiên dịch, máy nhắn tin và nhiều thiết bị, kỹ thuật điện tử và gia dụng hiện đại khác.

Sản lượng màn hình và màn hình LCD trên toàn cầu lên đến hàng tỷ và dự kiến sẽ còn tăng hơn nữa. Có thể nói không ngoa rằng sự tiến bộ và phát triển của một số ngành khoa học và công nghệ là không thể tưởng tượng được nếu không có sự phát triển của nghiên cứu trong lĩnh vực tinh thể lỏng. Quan tâm không kém là các tinh thể lỏng theo quan điểm của sinh học và các quá trình sống. Hoạt động của màng tế bào và DNA, sự truyền các xung thần kinh, hoạt động của cơ bắp, sự hình thành các mảng xơ vữa động mạch - đây là một danh sách không hoàn chỉnh về các quá trình xảy ra trong giai đoạn LC, với các đặc điểm vốn có trong giai đoạn này - xu hướng tự tổ chức và duy trì tính linh động cao phân tử.

1. Các dạng và tính chất của tinh thể lỏng

1.1 Lịch sử phát hiện ra tinh thể lỏng

Hơn 100 năm đã trôi qua kể từ khi phát hiện ra tinh thể lỏng. Chúng được phát hiện lần đầu tiên bởi nhà thực vật học người Áo Friedrich Reinitzer, quan sát hai điểm nóng chảy của este cholesterol, cholesteryl benzoate (Hình 1).

Ở nhiệt độ nóng chảy (T pl), 145 0 C, chất kết tinh chuyển thành chất lỏng đục, tán xạ ánh sáng mạnh. Khi tiếp tục đun nóng, khi đạt đến nhiệt độ 179 ° C, chất lỏng trở nên trong (điểm trong (T pr)), tức là bắt đầu hoạt động quang học giống như một chất lỏng thông thường, chẳng hạn như nước. Các đặc tính không mong muốn của cholesteryl benzoat được tìm thấy trong pha đục. Kiểm tra pha này dưới kính hiển vi phân cực, Reinitzer nhận thấy rằng nó có hiện tượng lưỡng chiết. Điều này có nghĩa là chiết suất của ánh sáng, tức là tốc độ ánh sáng trong pha này phụ thuộc vào sự phân cực.

Hiện tượng lưỡng chiết là một hiệu ứng tinh thể điển hình, bao gồm thực tế là tốc độ ánh sáng trong tinh thể phụ thuộc vào hướng của mặt phẳng phân cực ánh sáng. Điều quan trọng là nó đạt giá trị cực đại và cực tiểu đối với hai định hướng trực giao lẫn nhau của mặt phẳng phân cực. Tất nhiên, các định hướng phân cực tương ứng với các giá trị cực của tốc độ ánh sáng trong tinh thể được xác định bởi tính dị hướng của các thuộc tính của tinh thể và được xác định duy nhất bởi sự định hướng của các trục tinh thể đối với hướng của ánh sáng. Lan truyền.

Do đó, những gì đã nói giải thích rằng sự tồn tại của hiện tượng lưỡng chiết trong một chất lỏng, chất lỏng phải là đẳng hướng, tức là rằng các thuộc tính của nó phải độc lập với hướng dường như là nghịch lý. Điều hợp lý nhất tại thời điểm đó dường như là sự hiện diện trong pha đục của các hạt nhỏ không tráng men, tinh thể, là nguồn gốc của hiện tượng lưỡng chiết. Tuy nhiên, các nghiên cứu chi tiết hơn, mà Reinitzer có sự tham gia của nhà vật lý nổi tiếng người Đức Otto Lehmann, đã chỉ ra rằng pha đục không phải là một hệ hai pha, mà là không đẳng hướng. Vì tính chất dị hướng vốn có trong một tinh thể rắn, và chất trong pha đục là chất lỏng, Lehman gọi nó là tinh thể lỏng.

Kể từ đó, những chất có khả năng kết hợp đồng thời tính chất của chất lỏng (tính lưu động, khả năng tạo thành giọt) và tính chất của thể kết tinh (tính dị hướng) trong một khoảng nhiệt độ nhất định trên điểm nóng chảy được gọi là tinh thể lỏng hay tinh thể lỏng. Các chất LC thường được gọi là mesomorphic, và pha LC do chúng tạo thành được gọi là mesophase. Trạng thái như vậy là trạng thái pha ổn định về mặt nhiệt động lực học và đúng ra, cùng với rắn, lỏng và khí, nó có thể được coi là trạng thái thứ tư của vật chất.

Tuy nhiên, sự hiểu biết về bản chất của LC - trạng thái của các chất, việc thiết lập và nghiên cứu tổ chức cấu trúc của chúng đến muộn hơn nhiều. Sự ngờ vực nghiêm trọng về sự tồn tại của các hợp chất bất thường như vậy trong những năm 20-30 đã được thay thế bằng nghiên cứu tích cực của họ. Công trình của D. Vorlender ở Đức đã đóng góp rất nhiều vào việc tổng hợp các hợp chất LC mới. Đủ để nói rằng 85 luận án về tinh thể lỏng đã được hoàn thành dưới sự giám sát của ông. Vào những năm hai mươi, Friedel đề xuất chia tất cả các tinh thể lỏng thành ba nhóm lớn. Friedel gọi các nhóm tinh thể lỏng:

1. nematic

2. smectic

3. cholesteric

Ông cũng đề xuất một thuật ngữ chung cho các tinh thể lỏng - "pha trung tính". Thuật ngữ này xuất phát từ từ tiếng Hy Lạp "mesos" (trung gian), và khi giới thiệu nó, Friedel muốn nhấn mạnh rằng tinh thể lỏng chiếm vị trí trung gian giữa tinh thể thực và chất lỏng cả về nhiệt độ và tính chất vật lý của chúng.

Sau đó người Hà Lan S. Oseen và người Séc H. Zocher sáng tạo ra thuyết co giãn, các nhà khoa học Nga V.K. Frederiks và V.N. Tsvetkov ở Liên Xô vào những năm 1930 lần đầu tiên điều tra hoạt động của các tinh thể lỏng trong điện trường và từ trường. Tuy nhiên, cho đến những năm 1960, nghiên cứu về tinh thể lỏng không được quan tâm thực tế đáng kể, và tất cả các nghiên cứu khoa học chỉ có một mối quan tâm khá hạn chế, thuần túy mang tính học thuật.

Tình hình đã thay đổi đáng kể vào giữa những năm 1960, khi do sự phát triển nhanh chóng của vi điện tử và vi mô hóa các thiết bị, cần có các chất có thể phản xạ và truyền thông tin trong khi tiêu thụ năng lượng tối thiểu. Và ở đây, các tinh thể lỏng đã ra tay giải cứu, bản chất kép của nó (tính dị hướng của các thuộc tính và tính linh động phân tử cao) giúp nó có thể tạo ra các chỉ báo LCD tốc độ cao và tiết kiệm được điều khiển bởi điện trường bên ngoài, về cơ bản là yếu tố chính của "đội quân" hàng triệu đô la gồm đồng hồ, máy tính, TV màn hình phẳng, v.v.

Đến lượt nó, sự bùng nổ của tinh thể lỏng đã kích thích hoạt động khoa học tích cực, các hội nghị chuyên đề quốc tế và hội nghị về tinh thể lỏng được triệu tập, các trường học cho các nhà khoa học trẻ được tổ chức, các bộ sưu tập và sách chuyên khảo được xuất bản.

Những tinh thể bất thường này là gì, và những tính chất đặc biệt nào đã khiến chúng trở nên gần như không thể thiếu ngày nay?

1.2 Cấu trúc phân tử và cấu trúc của tinh thể lỏng

Khoảng một trăm nghìn chất hữu cơ hiện đã được biết có thể ở trạng thái LC, và số lượng các hợp chất như vậy đang không ngừng tăng lên. Nếu những thập kỷ đầu tiên sau khi phát hiện ra tinh thể lỏng, đại diện chính của những hợp chất này chỉ là những chất bao gồm các phân tử hình que không đối xứng, được gọi là calamitics (từ tiếng Hy Lạp "calamis" - cây sậy), thì sau này người ta đã phát hiện ra rằng nhiều loại chất có phân tử có hình dạng phức tạp hơn (đĩa, đĩa, v.v.). Các phân tử của hợp chất LC rất thường được gọi là mesogens, và các nhóm hoặc đoạn phân tử góp phần hình thành pha LC được gọi là nhóm mesogenic. Hình 1a cho thấy các ví dụ về mesogens hình que - calomitics, cũng như công thức hóa học của mesogens hình đĩa (discotic) và hình ván (sanidiki) (từ tiếng Hy Lạp "sanidis" - tấm ván).

Như có thể thấy từ Hình 1a, các nhóm trung bì phổ biến nhất là các vòng benzen liên kết trực tiếp với nhau với sự trợ giúp của các nhóm hóa học khác nhau (-CH = CH-, -CH = N-, -NH-CO, v.v.). Một tính năng đặc trưng của tất cả các hợp chất LC là hình dạng maleku không đối xứng, cung cấp tính dị hướng phân cực và xu hướng các phân tử chủ yếu song song với nhau dọc theo trục dài (calamitika và sanidiki) và ngắn (discotic) của chúng.

1.3 Tinh thể lỏng nhiệt định hướng

Tùy thuộc vào bản chất của sự sắp xếp của các phân tử, theo cách phân loại do Friedel đề xuất, ba dạng cấu trúc chính của hợp chất LC được phân biệt: smectic, nematic và cholesteric. Các loại cấu trúc được chỉ ra đề cập đến cái gọi là tinh thể lỏng hướng nhiệt, sự hình thành của chúng chỉ được thực hiện dưới tác động nhiệt lên chất (làm nóng hoặc làm lạnh). Trên hình. Hình 2 cho thấy sự sắp xếp của các phân tử hình que và hình đĩa trong ba biến đổi cấu trúc được liệt kê của tinh thể lỏng.

Loại tinh thể lỏng smectic (smectics - từ tiếng Hy Lạp "smegma" - xà phòng) gần với các thể tinh thể thật. Các phân tử được sắp xếp thành từng lớp, và trọng tâm của chúng di động theo hai chiều (trên mặt phẳng smectic). Trong trường hợp này, các trục dài của các phân tử trong mỗi lớp có thể nằm vuông góc với mặt phẳng của lớp (smectics trực giao) và ở một góc nào đó (smectics xiên). Hướng của sự định hướng chủ yếu của các trục phân tử thường được gọi là đạo, thường được ký hiệu là vectơ n (Hình 2a).

Loại tinh thể lỏng nematic (tinh thể lỏng từ tiếng Hy Lạp "nema" - sợi chỉ) được đặc trưng bởi sự hiện diện của trật tự định hướng một chiều của các trục dài (calamitic) hoặc ngắn (discotic) của các phân tử (Hình 2 b và d, tương ứng). Trong trường hợp này, trọng tâm của các phân tử nằm ngẫu nhiên trong không gian, điều này cho thấy không có trật tự tịnh tiến.

Loại trật tự phức tạp nhất của các phân tử tinh thể lỏng là cholesteric (cholesteric), được hình thành bởi các phân tử bất đối (hoạt động quang học) có chứa một nguyên tử cacbon không đối xứng. Điều này có nghĩa là các phân tử như vậy là không đối xứng gương, trái ngược với các phân tử đối xứng gương của bệnh nhân sơ sinh. Mesophase cholesteric lần đầu tiên được quan sát đối với các dẫn xuất của cholesterol, do đó có tên như vậy. Cholesteric ở nhiều khía cạnh tương tự như bệnh nhân sơ học, trong đó trật tự định hướng một chiều được thực hiện; chúng cũng được hình thành bằng cách thêm một lượng nhỏ các hợp chất bất đối (1-2 mol.%) vào tân sinh. Như có thể thấy từ hình. 2c, trong trường hợp này, sự xoắn xoắn của các phân tử được thực hiện một cách bổ sung, và rất thường cholesteric được gọi là nematic xoắn.

Cấu trúc xoắn tuần hoàn của cholesteric xác định tính năng độc đáo của chúng - khả năng phản xạ có chọn lọc ánh sáng tới, "hoạt động" trong trường hợp này như một cách tử nhiễu xạ. Ở một góc phản xạ cố định, các điều kiện giao thoa chỉ được thoả mãn đối với các chùm cùng màu và lớp cholesteric (hoặc phim) dường như có một màu. Màu sắc này được xác định bởi bước của đường xoắn P, ở góc tới của ánh sáng bình thường, chỉ đơn giản là liên quan đến bước sóng cực đại của ánh sáng phản xạ cực đại:

P = max / n, (1)

với n là chiết suất của cholesteric. Hiệu ứng phản xạ chọn lọc ánh sáng có bước sóng nhất định bởi màng cholesteric được gọi là phản xạ chọn lọc. Tùy thuộc vào độ lớn của đường xoắn, được xác định bởi bản chất hóa học của cholesteric, bước sóng tối đa của ánh sáng phản xạ có thể nằm trong vùng nhìn thấy, cũng như trong vùng IR và UV của quang phổ, xác định các vùng sử dụng rộng của các đặc tính quang học của cholesteric.

Bất kỳ loại nào trong số ba loại trung mô thường được coi là môi trường dị hướng liên tục, trong đó trong các vi điện tử nhỏ (thường được gọi là đám hoặc miền), bao gồm, theo quy luật, gồm 10 4-10 5 phân tử, các phân tử được định hướng song song với nhau .

Bây giờ chúng ta hãy xem xét cấu trúc vĩ mô của tinh thể lỏng, mà thường được gọi là kết cấu, có nghĩa là tổng thể các chi tiết cấu trúc của một mẫu tinh thể lỏng được đặt giữa hai kính và được kiểm tra bằng kính hiển vi phân cực quang học. Mỗi loại tinh thể lỏng hình thành một cách tự nhiên các kết cấu đặc trưng của riêng nó, nhờ đó chúng thường có thể được xác định. Theo quy luật, kết cấu của các tinh thể lỏng rất "ăn ảnh" đến nỗi những tấm ảnh chụp vi tinh thể đẹp của chúng thường bị cản trở trên trang bìa của các tạp chí khoa học và các ấn phẩm khoa học nổi tiếng.

Các tinh thể lỏng hình tròn được đặc trưng bởi cái gọi là kết cấu schlieren (Hình 3a), là một hệ thống các đường và chấm dạng sợi mảnh với các "đuôi" màu đen dạng sợi. Những đường này được gọi là dislination (từ tiếng Hy Lạp "kline" - độ dốc). Chúng đại diện cho những nơi có sự thay đổi mạnh về hướng định hướng của các trục dài của phân tử. Kết cấu đặc trưng của smectics là kết cấu hình quạt, theo nhiều khía cạnh giống với các tinh thể của chất rắn thông thường (Hình 3b), điều này nhấn mạnh sự giống nhau lớn nhất trong tổ chức cấu trúc của các tinh thể có thứ tự hai chiều và tinh thể ba chiều. Cholesteric không định hướng tạo thành một cấu trúc đồng tiêu, bao gồm các cấu tạo phức tạp riêng biệt và liên kết với nhau được gọi là miền đồng tiêu (Hình 3c).

Điều quan trọng cần lưu ý là tất cả các kết cấu được coi là cực kỳ không bền và dễ dàng trải qua sự sắp xếp lại cấu trúc dưới tác động của các tác động bên ngoài nhỏ (ứng suất cơ học, điện trường, nhiệt độ, v.v.).

1.4 Tinh thể lỏng lyotropic

Không giống như tinh thể lỏng hướng nhiệt, tinh thể lỏng lyotropic được hình thành bằng cách hòa tan một số hợp chất lưỡng tính trong một số dung môi nhất định và theo quy luật, có cấu trúc phức tạp hơn tinh thể lỏng hướng nhiệt. Các hợp chất lưỡng tính được cấu tạo bởi các phân tử có chứa các nhóm ưa nước và kỵ nước. Các hợp chất như vậy phân bố rộng rãi trong tự nhiên. Vì vậy, ví dụ, bất kỳ axit béo nào đều là amphiphilic. Phân tử của nó bao gồm hai phần: "đầu" phân cực (nhóm COOH) và "đuôi" hydrocacbon [CH 3 (CH 2) n -]. Các hợp chất như vậy, khi hòa tan trong nước, thường tạo thành các dung dịch micellar trong đó các đầu phân cực nhô ra ngoài khi tiếp xúc với nước và các đuôi hydrocacbon khi tiếp xúc với nhau sẽ hướng vào trong. Các mixen như vậy (Hình 4, a) là các yếu tố cấu trúc mà từ đó các tinh thể lỏng lyotropic được xây dựng, hình thành, ví dụ, hình trụ hoặc hình phiến (Hình 4, b, c).

Không giống như các tinh thể lỏng đẳng nhiệt, trong đó sự hình thành của một loại mesophase nhất định chỉ được xác định bởi nhiệt độ, trong hệ lyotropic, kiểu tổ chức cấu trúc đã được xác định bởi hai thông số: nồng độ của chất và nhiệt độ. Các tinh thể lỏng lyotropic thường được hình thành bởi các hệ thống sinh học hoạt động trong môi trường nước. Chính trong các hệ thống này, các tính năng độc đáo của tinh thể lỏng, kết hợp tính linh hoạt và xu hướng tự tổ chức cao, thể hiện ở dạng nổi bật nhất. Chúng ta chỉ giới hạn bản thân trong một ví dụ, liên quan đến tế bào và các bào quan nội bào được bao phủ bởi lớp vỏ mỏng, có trật tự cao - màng. Các nghiên cứu cấu trúc hiện đại cho thấy màng là cấu trúc LC không bền màu lyotropic điển hình, bao gồm một lớp kép của phospholipid, trong đó protein, polysaccharyls, cholesterol và các thành phần quan trọng khác được “hòa tan” (Hình 4d). Một mặt, cấu trúc dị hướng như vậy của màng làm cho nó có thể bảo vệ phần bên trong của nó khỏi những tác động không mong muốn từ bên ngoài, và mặt khác, bản chất “lỏng” của nó cung cấp các đặc tính vận chuyển cao (tính thấm, vận chuyển ion, v.v.) , cung cấp cho tế bào một vai trò quyết định trong các quá trình hoạt động quan trọng.

1.5 Tính dị hướng của các tính chất vật lý - đặc điểm chính của tinh thể lỏng

Vì đặc điểm cấu trúc chính của tinh thể lỏng là sự hiện diện của trật tự định hướng do hình dạng dị hướng của các phân tử, nên điều tự nhiên là tất cả các tính chất của chúng được xác định theo cách này hay cách khác bởi mức độ sắp xếp định hướng. Về mặt định lượng, mức độ sắp xếp của một tinh thể lỏng được xác định bởi tham số bậc S do V.I. Tsvetkov những năm 40:

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

đâu là góc giữa trục của một phân tử tinh thể lỏng riêng lẻ và hướng chủ yếu của toàn bộ tập hợp, được xác định bởi đạo diễn n (Hình 2) (dấu ngoặc nhọn có nghĩa là trung bình trên tất cả các hướng phân tử). Có thể hiểu đơn giản rằng trong pha lỏng đẳng hướng hoàn toàn là S = 0 và trong tinh thể rắn hoàn toàn S = 1. Tham số bậc của tinh thể lỏng nằm trong khoảng từ 0 đến 1. Chính sự tồn tại của trật tự định hướng sẽ xác định tính dị hướng của tất cả các tính chất vật lý của tinh thể lỏng. Do đó, hình dạng dị hướng của các phân tử calamitic xác định sự xuất hiện của lưỡng chiết (n) và dị hướng điện môi (), các giá trị của chúng có thể được biểu thị như sau:

n = n - n và = - (3)

trong đó n, n và, lần lượt là chiết suất và hằng số điện môi, được đo theo hướng song song và vuông góc của trục dài của các phân tử so với đạo trình. Các giá trị của n đối với các hợp chất LC thường rất lớn và rất khác nhau tùy thuộc vào cấu trúc hóa học của chúng, đôi khi đạt đến các giá trị bậc 0,3-0,4. Độ lớn và dấu hiệu phụ thuộc vào mối quan hệ giữa tính dị hướng phân cực của phân tử, giá trị của mômen lưỡng cực vĩnh viễn, và cũng vào góc giữa hướng của mômen lưỡng cực và trục dài của phân tử. Ví dụ về hai hợp chất LC được đặc trưng bởi một giá trị dương và một giá trị âm được hiển thị dưới đây:

Làm nóng một tinh thể lỏng, làm giảm thứ tự định hướng của nó, kèm theo sự giảm đơn điệu trong các giá trị của n và, do đó tại điểm mà pha LC biến mất tại Tp, tính dị hướng của các tính chất hoàn toàn biến mất.

Đồng thời, tính dị hướng của tất cả các đặc tính vật lý của tinh thể lỏng, kết hợp với độ nhớt thấp của các hợp chất này, làm cho nó có thể dễ dàng và hiệu quả định hướng (và định hướng lại) các phân tử của chúng dưới tác động của “nhiễu động nhỏ ”Các yếu tố (điện trường và từ trường, ứng suất cơ học), làm thay đổi đáng kể cấu trúc và tính chất của chúng. Đó là lý do tại sao các tinh thể lỏng trở thành phương tiện hoạt động điện quang không thể thiếu, trên cơ sở đó một thế hệ mới của cái gọi là chỉ thị LCD đã được tạo ra.

2. Phương pháp luận công nghệ

2.1 Các phương pháp điều khiển tinh thể lỏng

kiểm soát chất lỏng phân tử tinh thể

Cơ sở của bất kỳ chỉ báo LCD nào là cái gọi là tế bào điện quang, thiết bị được thể hiện trong Hình. 5. Hai tấm thủy tinh phẳng được phủ một lớp dẫn điện trong suốt bằng thiếc oxit hoặc oxit indium, đóng vai trò như điện cực, được ngăn cách bằng miếng đệm mỏng làm bằng vật liệu không dẫn điện (polyetylen, teflon). Khoảng trống kết quả giữa các tấm, khoảng từ 5 đến 50 micron (tùy thuộc vào mục đích của tế bào), được lấp đầy bằng tinh thể lỏng và toàn bộ cấu trúc "bánh sandwich" xung quanh chu vi được "niêm phong" bằng chất bịt kín hoặc vật liệu cách nhiệt khác. (Hình 5). Do đó, tế bào thu được có thể được đặt giữa hai bản phân cực màng rất mỏng, các mặt phẳng phân cực của chúng tạo thành một góc nhất định, để quan sát các tác động định hướng của các phân tử dưới tác dụng của điện trường. Việc áp dụng ngay cả một hiệu điện thế nhỏ (1,5-3 V) vào một lớp LC mỏng do độ nhớt tương đối thấp và ma sát bên trong của chất lỏng dị hướng dẫn đến sự thay đổi hướng của tinh thể lỏng. Điều quan trọng cần nhấn mạnh ở đây là điện trường không tác động lên các phân tử riêng lẻ mà tác động lên các nhóm phân tử có định hướng (bầy hoặc miền) bao gồm hàng chục nghìn phân tử, do đó năng lượng của tương tác tĩnh điện vượt quá năng lượng chuyển động nhiệt của các phân tử. Kết quả là, tinh thể lỏng có xu hướng quay theo hướng của hằng số điện môi cực đại trùng với hướng của điện trường. Và do giá trị lưỡng chiết n lớn, quá trình định hướng dẫn đến sự thay đổi mạnh mẽ về cấu trúc và tính chất quang học của tinh thể lỏng.

Lần đầu tiên, tác dụng của điện trường và từ trường lên tinh thể lỏng được nghiên cứu bởi nhà vật lý người Nga V.K. Frederiks, và các quá trình định hướng của chúng được gọi là quá trình chuyển đổi (hoặc hiệu ứng) điện quang của Frederiks. Một trong ba định hướng phân tử phổ biến nhất được thể hiện trong Hình. 5. a. Đây là hướng phẳng, đặc trưng cho bệnh nhân sơ sinh có dị hướng điện môi âm (< 0), когда длинные оси молекул параллельны стеклянным поверхностям ячейки.

Định hướng đồng hướng được thực hiện đối với các tinh thể lỏng có tính dị hướng điện môi dương (> 0) (Hình 5b). Trong trường hợp này, các trục dài của phân tử có mômen lưỡng cực dọc nằm dọc theo hướng trường vuông góc với bề mặt tế bào. Cuối cùng, sự định hướng xoắn hoặc xoắn của các phân tử có thể xảy ra (Hình 5c). Sự định hướng này đạt được nhờ quá trình xử lý đặc biệt của các tấm thủy tinh, trong đó các trục dài của các phân tử được quay theo hướng từ mặt dưới lên mặt kính phía trên của tế bào điện quang. Điều này thường đạt được bằng cách cọ xát thủy tinh theo các hướng khác nhau hoặc sử dụng các chất đặc biệt - chất định hướng thiết lập hướng định hướng phân tử.

Hoạt động của bất kỳ chất chỉ thị LC nào đều dựa trên sự sắp xếp lại cấu trúc giữa các kiểu định hướng phân tử được chỉ định, được tạo ra khi đặt một điện trường yếu. Ví dụ, chúng ta hãy xem xét cách mặt số LCD của đồng hồ điện tử hoạt động. Cơ sở của mặt số đã quen thuộc với tế bào điện quang của chúng ta, mặc dù có phần bổ sung (Hình 6, a, b). Ngoài kính có các điện cực rải rác, hai phân cực, các mặt phẳng phân cực của chúng ngược nhau, nhưng trùng với hướng của trục dài của các phân tử ở các điện cực, một gương cũng được thêm vào nằm dưới bộ phân cực dưới (không được hiển thị trong nhân vật). Điện cực dưới thường được làm rắn và điện cực trên có hình dạng, bao gồm bảy đoạn điện cực nhỏ, trên đó bạn có thể mô tả bất kỳ số hoặc chữ cái nào (Hình 6, c). Mỗi phân đoạn như vậy được "cung cấp" bằng điện và được bật theo một chương trình nhất định từ một máy phát điện thu nhỏ. Hướng ban đầu của nematic là xoắn, tức là chúng ta có cái gọi là hướng xoắn của các phân tử (xem Hình 5, c và 6, a). Ánh sáng rơi vào bộ phân cực trên và trở thành phân cực phẳng theo sự phân cực của nó.

Trong trường hợp không có điện trường (nghĩa là ở trạng thái tắt), ánh sáng, "theo" hướng xoắn của nematic, thay đổi hướng của nó theo trục quang học của nematic và ở đầu ra sẽ có cùng hướng phân cực với phân cực dưới (xem Hình 6, a). Nói cách khác, ánh sáng sẽ bật ra khỏi gương và chúng ta sẽ thấy một nền sáng. Khi bật điện trường đối với tinh thể lỏng nematic có tính dị hướng điện môi dương (> 0), thì sự chuyển từ hướng xoắn xoắn sang hướng hướng nội của các phân tử sẽ xảy ra, tức là các trục dài của phân tử sẽ quay theo hướng vuông góc với các điện cực, và cấu trúc xoắn ốc sẽ sụp đổ (Hình 6, b). Bây giờ ánh sáng, không thay đổi hướng của phân cực ban đầu, trùng với phân cực của phân cực trên, sẽ có hướng phân cực ngược lại với phân cực dưới, và chúng, như được thấy trong Hình. 6b đang ở vị trí gạch chéo. Trong trường hợp này, ánh sáng sẽ không chiếu tới gương, và chúng ta sẽ thấy một nền tối. Nói cách khác, bao gồm cả trường, bạn có thể vẽ bất kỳ ký tự tối nào (chữ cái, số) trên nền sáng, ví dụ, bằng cách sử dụng hệ thống điện cực bảy đoạn đơn giản (Hình 6c).

Đây là nguyên lý hoạt động của bất kỳ đèn báo LCD nào. Ưu điểm chính của các chỉ số này là điện áp điều khiển thấp (1,5-5 V), tiêu thụ điện năng thấp (1-10 μW), độ tương phản hình ảnh cao, dễ dàng tích hợp vào bất kỳ mạch điện tử nào, độ tin cậy và giá thành tương đối rẻ.

2.2 Các cách để kiểm soát vòng xoắn cholesteric

Trong số các loại tinh thể lỏng được xem xét, cholesteric có lẽ có những đặc tính quang học kỳ lạ nhất. Cấu trúc xoắn ốc có tổ chức bất thường của các tinh thể lỏng cholesteric (xem Hình 2, c) cực kỳ nhạy cảm với nhiều tác động bên ngoài. Bằng cách thay đổi nhiệt độ, áp suất, áp dụng trường điện từ và ứng suất cơ học, có thể thay đổi đáng kể bước của vòng xoắn cholesteric, và theo phương trình (1), có thể dễ dàng thay đổi màu sắc của cholesteric. Độ nhạy cực lớn của các hợp chất này, cho phép "chạy xuyên qua" tất cả các màu của quang phổ trong khoảng 0,01 -0,001 ° C. cho thấy những khả năng phi thường nào mà việc sử dụng các chất này mở ra như các chất chỉ thị nhiệt hiệu quả cao.

Đối với hầu hết các chất cholesteric, bước sóng xoắn giảm khi nhiệt độ tăng, và do đó, bước sóng của ánh sáng phản xạ chọn lọc tối đa cũng giảm (Hình 7). Nói cách khác, mỗi người trong số họ được hiển thị trong Hình. 7 nhiệt độ - T 0, T 1, T 2 và T 3 - tương ứng với màu của nó. Do đó, bằng cách áp dụng các tinh thể lỏng cholesteric lên bề mặt của các vật thể khác nhau, có thể thu được địa hình của sự phân bố nhiệt độ, điều này làm cho chúng trở thành các chất chỉ thị và hình ảnh nhiệt không thể thiếu cho các ứng dụng khác nhau trong kỹ thuật và y học. Bằng cách đưa cholesteric vào màng polyme, tức là bằng cách thu được cái gọi là tinh thể lỏng được bao bọc, người ta có thể tạo ra vật liệu phim rất tiện lợi có thể được sử dụng làm nhiệt kế, cũng như để hình dung và "chụp ảnh" trường nhiệt.

Trong những năm gần đây, hỗn hợp các tinh thể lỏng cholesteric đã được phát triển làm thay đổi màu sắc đáng kể (và do đó có độ lớn của đường xoắn) dưới ảnh hưởng của nồng độ nhỏ nhưng nguy hiểm của hơi độc hại của các hợp chất hóa học khác nhau. Các chỉ số LCD như vậy có thể thay đổi màu sắc trong thời gian rất ngắn (1-2 phút) khi vượt quá nồng độ cho phép của hơi độc hại, do đó hoạt động như một loại cảm biến hóa học.

Một trong những yếu tố bên ngoài có thể được sử dụng để kiểm soát độ cao của vòng xoắn cholesteric có thể là điện trường hoặc từ trường. Khi trường được đặt vào, vòng xoắn cholesteric bắt đầu dần dần giãn ra, trong khi bước của đường xoắn tăng lên, rõ ràng "theo dõi" độ lớn của điện áp đặt vào. Và điều này có nghĩa là bạn có thể liên tục kiểm soát màu sắc của lớp cholesteric của tinh thể lỏng. Ở một số gọi là cường độ trường tới hạn, đường xoắn có thể hoàn toàn không bị xoắn, do đó biến một tinh thể lỏng cholesteric thành một tinh thể nematic (một trong những dạng của hiệu ứng Freedericksz). Quy trình tháo cuộn xoắn ốc hiện đang được nghiên cứu tích cực để sử dụng trong các màn hình phẳng màu được điều khiển điện tử.

3. Ứng dụng của tinh thể lỏng

3.1 Tinh thể lỏng hôm nay và ngày mai

Nhiều hiệu ứng quang học trong tinh thể lỏng, đã được thảo luận ở trên, đã được công nghệ làm chủ và được sử dụng trong các sản phẩm sản xuất hàng loạt. Ví dụ, mọi người đều biết đồng hồ có chỉ số trên tinh thể lỏng, nhưng không phải ai cũng biết rằng chính tinh thể lỏng đó được sử dụng để sản xuất đồng hồ có máy tính tích hợp. Ở đây thậm chí rất khó để nói những gì gọi một thiết bị như vậy, đồng hồ hay máy tính. Nhưng đây là những sản phẩm đã được ngành công nghiệp làm chủ, mặc dù chỉ vài thập kỷ trước đây, điều này dường như không thực tế. Triển vọng về khối lượng và các ứng dụng hiệu quả của tinh thể lỏng trong tương lai thậm chí còn đáng ngạc nhiên hơn. Do đó, cần phải nói về một số ý tưởng kỹ thuật về việc sử dụng tinh thể lỏng vẫn chưa được thực hiện, nhưng có lẽ trong vài năm tới chúng sẽ là cơ sở để tạo ra các thiết bị trở nên quen thuộc với chúng ta như , giả sử, máy thu bóng bán dẫn bây giờ.

3.2 Micrô quang học

Trong các hệ thống truyền thông và xử lý thông tin quang học, việc chuyển đổi không chỉ các tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu ánh sáng, mà còn rất nhiều các ảnh hưởng khác thành tín hiệu ánh sáng trở nên cần thiết. Những ảnh hưởng đó có thể là áp suất, âm thanh, nhiệt độ, biến dạng, v.v. Và để chuyển đổi những ảnh hưởng này thành tín hiệu quang học, các thiết bị tinh thể lỏng lại trở thành những phần tử rất tiện lợi và đầy hứa hẹn của hệ thống quang học.

Tất nhiên, có nhiều phương pháp để chuyển đổi các hiệu ứng được liệt kê thành tín hiệu quang học, nhưng phần lớn các phương pháp này đầu tiên liên quan đến việc chuyển đổi hiệu ứng thành tín hiệu điện, sau đó bạn có thể kiểm soát thông lượng ánh sáng. Vì vậy, các phương pháp này là hai giai đoạn và do đó, không quá đơn giản và tiết kiệm để thực hiện. Ưu điểm của việc sử dụng tinh thể lỏng cho mục đích này là với sự trợ giúp của chúng, nhiều loại hiệu ứng có thể được chuyển đổi trực tiếp thành tín hiệu quang học, giúp loại bỏ liên kết trung gian trong chuỗi tín hiệu ánh sáng hiệu ứng, và do đó giới thiệu sự đơn giản hóa cơ bản trong điều khiển của quang thông. Một ưu điểm khác của các phần tử LCD là chúng dễ dàng tương thích với các cụm thiết bị sợi quang.

Để minh họa các khả năng sử dụng LCD để điều khiển tín hiệu ánh sáng, chúng ta hãy nói về nguyên tắc hoạt động của "micrô quang" trên thiết bị LCD, được đề xuất để chuyển đổi trực tiếp tín hiệu âm thanh thành tín hiệu quang học.

Sơ đồ mạch của micrô quang rất đơn giản. Phần tử hoạt động của nó là một lớp nematic có định hướng. Các dao động âm thanh tạo ra sự biến dạng tuần hoàn theo thời gian của lớp, điều này cũng gây ra sự định hướng lại của các phân tử và điều chỉnh độ phân cực (cường độ) của thông lượng ánh sáng phân cực đi qua.

Các nghiên cứu về đặc điểm của micrô quang trên màn hình LCD cho thấy các thông số của nó không thua kém các mẫu hiện có và có thể được sử dụng trong đường truyền quang, cho phép chuyển đổi trực tiếp tín hiệu âm thanh thành tín hiệu quang. Nó cũng chỉ ra rằng trong gần như toàn bộ phạm vi nhiệt độ của sự tồn tại của pha nematic, các đặc tính quang học của nó thực tế vẫn không thay đổi.

3.3 Cách tạo TV âm thanh nổi

Là một ứng dụng hấp dẫn, bất ngờ và liên quan đến hầu hết tất cả các ứng dụng của tinh thể lỏng, điều đáng nói là ý tưởng tạo ra một hệ thống truyền hình âm thanh nổi sử dụng tinh thể lỏng. Hơn nữa, có vẻ đặc biệt hấp dẫn, một hệ thống "truyền hình âm thanh nổi trên tinh thể lỏng" như vậy có thể được thực hiện với chi phí là một sửa đổi rất đơn giản của máy ảnh truyền hình và việc bổ sung máy thu hình thông thường với kính đặc biệt, kính của chúng được trang bị bộ lọc tinh thể lỏng.

Ý tưởng đằng sau hệ thống truyền hình âm thanh nổi này cực kỳ đơn giản. Nếu chúng ta tính đến việc khung hình ảnh trên màn hình TV được tạo thành từng dòng, và theo cách mà các dòng lẻ hiển thị trước rồi đến các dòng chẵn, thì việc sử dụng kính có bộ lọc tinh thể lỏng sẽ rất dễ dàng. chẳng hạn như mắt phải chỉ nhìn thấy các vạch chẵn và mắt trái - lẻ. Để làm điều này, chỉ cần đồng bộ hóa việc bật và tắt các bộ lọc tinh thể lỏng, tức là khả năng cảm nhận xen kẽ ảnh trên màn bằng mắt này hoặc mắt kia, làm trong suốt xen kẽ một hoặc một kính của kính có các vạch chẵn và vạch lẻ.

Bây giờ nó đã khá rõ ràng những gì phức tạp của máy quay truyền hình sẽ mang lại cho người xem một hiệu ứng âm thanh nổi. Điều cần thiết là camera truyền hình truyền phải là âm thanh nổi, tức là Để nó có hai thấu kính tương ứng với việc mắt trái và mắt phải của một người có thể nhận biết được một vật thể, các vạch chẵn trên màn hình được tạo ra bằng cách sử dụng bên phải và các vạch lẻ bằng cách sử dụng thấu kính bên trái của máy ảnh truyền tải.

Hệ thống kính có bộ lọc màn trập tinh thể lỏng đồng bộ với hoạt động của TV có thể không phù hợp để sử dụng đại trà. Có thể một hệ thống âm thanh nổi trong đó kính được trang bị polaroid thông thường sẽ trở nên cạnh tranh hơn. Trong trường hợp này, mỗi kính đeo kính truyền ánh sáng phân cực thẳng, mặt phẳng phân cực của nó vuông góc với mặt phẳng phân cực của ánh sáng truyền bởi kính thứ hai. Hiệu ứng âm thanh nổi trong trường hợp này đạt được bằng cách sử dụng màng tinh thể lỏng đặt trên màn hình TV và truyền ánh sáng từ các vạch chẵn của một phân cực tuyến tính và từ các vạch lẻ khác phân cực tuyến tính vuông góc với phân cực tuyến tính đầu tiên.

Hệ thống truyền hình âm thanh nổi được mô tả nào sẽ được thực hiện hoặc một hệ thống hoàn toàn khác sẽ tồn tại, tương lai sẽ hiển thị.

3.4 Kính đeo cho phi hành gia

Trước đây, làm quen với mặt nạ cho thợ hàn điện, và bây giờ với kính cho truyền hình âm thanh nổi, bạn sẽ nhận thấy rằng trong các thiết bị này, một bộ lọc tinh thể lỏng được kiểm soát ngay lập tức chặn toàn bộ trường nhìn của một hoặc cả hai mắt. Trong khi đó, có những trường hợp không thể chặn toàn bộ trường nhìn của một người và đồng thời cần phải chặn từng phần của trường nhìn.

Ví dụ, nhu cầu như vậy có thể nảy sinh đối với các nhà du hành vũ trụ trong điều kiện làm việc của họ trong không gian dưới ánh sáng mặt trời cực sáng, không bị suy yếu bởi bầu khí quyển hoặc mây. Nhiệm vụ này, như trong trường hợp mặt nạ cho thợ hàn điện hoặc kính cho truyền hình âm thanh nổi, có thể được giải quyết bằng các bộ lọc tinh thể lỏng có kiểm soát.

Sự phức tạp của kính trong trường hợp này là trường nhìn của mỗi mắt bây giờ không phải chồng lên nhau một bộ lọc, mà là một số bộ lọc được kiểm soát độc lập. Ví dụ, các bộ lọc có thể được làm dưới dạng các vòng đồng tâm tập trung vào kính đeo kính hoặc ở dạng dải trên kính của kính, mỗi bộ lọc khi được bật lên chỉ che một phần trường nhìn của mắt.

Những chiếc kính như vậy có thể hữu ích không chỉ cho các nhà du hành vũ trụ, mà còn cho những người làm nghề khác, những người có thể liên quan đến công việc không chỉ với ánh sáng không bị tán xạ mà còn với nhu cầu nhận thức một lượng lớn thông tin thị giác.

Ví dụ, trong buồng lái của một chiếc máy bay hiện đại, có một số lượng lớn các bảng thiết bị. Tuy nhiên, không phải tất cả chúng đều được phi công cần cùng một lúc. Do đó, việc phi công sử dụng kính giới hạn trường nhìn có thể hữu ích và tạo điều kiện thuận lợi cho công việc của anh ta, vì nó giúp anh ta chỉ tập trung chú ý vào một phần của các công cụ cần thiết vào lúc này và loại bỏ ảnh hưởng phân tán của thông tin điều đó không cần thiết vào thời điểm đó.

Những chiếc kính như vậy cũng sẽ rất hữu ích trong các nghiên cứu y sinh học về công việc của người vận hành liên quan đến nhận thức về một lượng lớn thông tin thị giác. Kết quả của những nghiên cứu như vậy, có thể xác định được tốc độ phản ứng của người vận hành đối với các tín hiệu hình ảnh, xác định các giai đoạn khó khăn và tẻ nhạt nhất trong công việc của anh ta, và cuối cùng là tìm ra cách tổ chức công việc của mình một cách tối ưu. Điều thứ hai có nghĩa là xác định cách tốt nhất để bố trí bảng thiết bị, loại chỉ báo thiết bị, màu sắc và bản chất của các tín hiệu có mức độ quan trọng khác nhau.

Các bộ lọc loại này và các chỉ số trên tinh thể lỏng chắc chắn sẽ tìm thấy (và đã tìm thấy) ứng dụng rộng rãi trong phim và thiết bị chụp ảnh. Vì mục đích này, chúng hấp dẫn ở chỗ chúng cần một lượng năng lượng không đáng kể để điều khiển chúng và trong một số trường hợp, chúng có thể loại trừ khỏi các bộ phận thiết bị thực hiện các chuyển động cơ học. Và như bạn đã biết, hệ thống cơ khí thường cồng kềnh nhất và không đáng tin cậy.

Ý bạn là những bộ phận cơ khí nào của thiết bị quay phim và chụp ảnh? Trước hết, đây là các màng chắn, bộ lọc - bộ suy giảm thông lượng ánh sáng, và cuối cùng là các bộ làm gián đoạn thông lượng ánh sáng trong máy ảnh phim, được đồng bộ hóa với chuyển động của phim và cung cấp độ phơi sáng từng khung hình cho nó.

Nguyên tắc thiết kế của các phần tử LCD như vậy đã rõ ràng so với phần trước. Là bộ ngắt và bộ lọc suy giảm, tự nhiên sử dụng các tế bào LC, trong đó, dưới tác động của tín hiệu điện, sự truyền ánh sáng thay đổi trên toàn bộ khu vực của chúng. Đối với màng ngăn không có bộ phận cơ học, một hệ thống các ô ở dạng các vòng đồng tâm, có thể thay đổi diện tích của cửa sổ trong suốt truyền ánh sáng dưới tác dụng của tín hiệu điện. Cũng cần lưu ý rằng các cấu trúc phân lớp có chứa tinh thể lỏng và chất bán dẫn quang, tức là các yếu tố như độ trong suốt quang học được kiểm soát không chỉ có thể được sử dụng làm chỉ báo, ví dụ, độ phơi sáng, mà còn để cài đặt khẩu độ tự động trong phim và thiết bị chụp ảnh.

Bất chấp sự đơn giản cơ bản của các thiết bị được thảo luận, việc chúng được đưa vào sản xuất hàng loạt rộng rãi phụ thuộc vào một số vấn đề công nghệ liên quan đến việc đảm bảo tuổi thọ lâu dài của các phần tử LCD, hoạt động của chúng trong một phạm vi nhiệt độ rộng và cuối cùng là sự cạnh tranh với các kỹ thuật truyền thống và đã được thiết lập các giải pháp, v.v. Tuy nhiên, giải pháp của tất cả những vấn đề này chỉ là vấn đề thời gian, và có lẽ sẽ rất khó để tưởng tượng một chiếc máy ảnh hoàn hảo mà không có thiết bị LCD.

Sự kết luận

Vì vậy, tinh thể lỏng có tính chất kép, kết hợp tính chất của chất lỏng (tính lưu động) và tính chất của vật thể kết tinh (tính dị hướng). Hành vi của họ không phải lúc nào cũng có thể được mô tả bằng các phương pháp và khái niệm thông thường. Nhưng chính ở chỗ, sức hấp dẫn của chúng nằm ở chỗ đối với các nhà nghiên cứu đang tìm cách biết những điều vẫn chưa được biết đến.

Gần đây, các polyme tinh thể lỏng đã được phát hiện và nghiên cứu chuyên sâu, các chất sắt polyme LC đã xuất hiện, và các hợp chất cơ quan chuỗi linh hoạt và LC chứa kim loại tạo thành các loại trung mô mới đang được tích cực nghiên cứu. Thế giới tinh thể lỏng rộng lớn vô hạn và bao gồm phạm vi rộng nhất của các vật thể tự nhiên và tổng hợp, thu hút sự chú ý của không chỉ các nhà khoa học - nhà vật lý, nhà hóa học và nhà sinh học, mà còn cả các nhà nghiên cứu thực tiễn làm việc trong nhiều ngành của công nghệ hiện đại (điện tử, quang điện tử, khoa học máy tính, ảnh ba chiều, v.v.). tr).

Thư mục

1. Shibaev V.P. Tinh thể bất thường hoặc chất lỏng bí ẩn // Tạp chí Giáo dục Soros. Năm 1996. N11. trang 37-46.

2. Chandrasekhar S. Tinh thể lỏng - M.: Mir, 1980 tr. 344

3. Titov V.V., Sevostyanov V.P., Kuzmin N.G., Semenov A.M. Màn hình tinh thể lỏng: cấu trúc, tổng hợp, tính chất của tinh thể lỏng. - Minsk: Nhà xuất bản NPOOO "Microvideosystems", 1998 tr. 238

Tài liệu tương tự

Lịch sử phát hiện ra tinh thể lỏng. Phân loại, cấu trúc phân tử và cấu trúc của chúng. Tinh thể lỏng nhiệt: loại smectic, nematic và cholesteric. Lyotropic LCD. Tính dị hướng của tính chất vật lý. Cách quản lý tinh thể lỏng.

tóm tắt, bổ sung 27/05/2010

Đặc điểm chung của hiện tượng bề mặt trong tinh thể lỏng. Xem xét các tính năng đặc biệt của tinh thể lỏng smectic, các mức độ sắp xếp khác nhau của chúng. Nghiên cứu tính dị hướng của các đặc tính vật lý của mesophase, mức độ sắp xếp.

trừu tượng, thêm 10/10/2015

Tinh thể rắn: cấu trúc, sự phát triển, tính chất. "Sự hiện diện của trật tự" trong định hướng không gian của các phân tử như một thuộc tính của tinh thể lỏng. Ánh sáng phân cực tuyến tính. Các tinh thể tuyến trùng, smectic và cholesteric. Khái niệm chung về chất sắt điện tử.

hạn giấy, bổ sung 17/11/2012

Trạng thái tinh thể lỏng (trung tính) của vật chất. Sự hình thành của một giai đoạn mới. Các loại tinh thể lỏng: smectic, nematic và cholesteric. Các tinh thể lỏng nhiệt hướng và lyotropic. Công trình của D. Forlender, góp phần tổng hợp các hợp chất.

trình bày, thêm 12/27/2010

Các loại tinh thể chính. Tăng trưởng tinh thể tự nhiên và nhân tạo. Nuôi cấy tinh thể như một quá trình vật lý và hóa học, thiết bị cần thiết. Các phương pháp hình thành tinh thể. Phát triển đơn tinh thể từ tan chảy, dung dịch và pha hơi.

tóm tắt, thêm 06/07/2013

Nghiên cứu khái niệm, các dạng và phương pháp hình thành tinh thể - chất rắn trong đó các nguyên tử được sắp xếp đều đặn, tạo thành sự sắp xếp không gian tuần hoàn theo chiều ba chiều - mạng tinh thể. Hình thành tinh thể từ nóng chảy, dung dịch, hơi nước.

trình bày, thêm 04/08/2012

Nguyên nhân và điều kiện kết tinh của các hạt vật chất. Các lý thuyết về nguồn gốc và sự phát triển của các tinh thể lý tưởng trong các công trình của Gibbs, Volmer, Kossel và Stranski. Mô tả các khuyết tật điểm, tuyến tính, hai chiều và thể tích. Lịch sử của việc lấy tinh thể nhân tạo.

tóm tắt, thêm 18/11/2010

Khái niệm về cấu trúc của vật chất và các nhân tố chính ảnh hưởng đến sự hình thành của nó. Các đặc điểm chính của vật chất vô định hình và tinh thể, các loại mạng tinh thể. Ảnh hưởng của kiểu liên kết đến cấu trúc và tính chất của tinh thể. Tính chất đẳng cấu và đa hình.

thử nghiệm, thêm ngày 26 tháng 10 năm 2010

Cấu trúc của cấu trúc nano cacbon. Lịch sử khám phá, cấu trúc hình học và phương pháp thu được fulleren. Các tính chất vật lý, hóa học, hấp phụ, quang học, cơ học và vật chất ma sát của chúng. Triển vọng cho việc sử dụng thực tế của fullerenes.

hạn giấy, bổ sung 13/11/2011

Lịch sử phát hiện ra hydro. Đặc điểm chung của chất. Vị trí của nguyên tố trong hệ thống tuần hoàn, cấu tạo của nguyên tử, tính chất hóa học và vật lý của nó trong tự nhiên. Thực tiễn sử dụng khí đốt có lợi và có hại.

Tinh thể lỏng là những chất ở trạng thái trung lượng (trung gian, trung gian) giữa chất lỏng đẳng hướng và chất rắn kết tinh. Các yếu tố này là chất lỏng, có khả năng ở dạng giọt. Cùng với sự biểu hiện của những đặc tính này, tinh thể lỏng thể hiện tính dị hướng của từ tính, điện, quang học và các tính chất khác do tính trật tự trong định hướng phân tử. Nói cách khác, các chất có đặc tính đa hướng. Trong trường hợp không có ảnh hưởng bên ngoài, tính dẫn nhiệt, dẫn điện và tính cảm từ là dị hướng trong tinh thể lỏng. Tính lưỡng tính và lưỡng chiết được ghi nhận trong các chất.

Tinh thể lỏng smectic

Lần đầu tiên chúng được tìm thấy trong xà phòng (do đó có tên - "smegma" - xà phòng). Các đầu của các phân tử dường như được cố định trong các mặt phẳng vuông góc với trục dọc của chúng. Tinh thể lỏng Smectic được đặc trưng bởi cấu trúc phân lớp. Các chất này bao gồm dung dịch nước của xà phòng, ancol etylic của axit azoxybenzoic.

"Smectics" được coi là lớp tinh thể lỏng rộng rãi nhất. Một số giống của chúng cũng được phát hiện có tính sắt điện (sự hiện diện của sự phân cực tự phát trong một phạm vi nhiệt độ nhất định). Độ nhớt cao ngăn cản ứng dụng rộng rãi của tinh thể lỏng smectic trong công nghệ.

Nematics

Các tinh thể lỏng dạng xoắn khác nhau về hướng của các trục phân tử dọc theo một hướng nhất định. Nói cách khác, chúng được đặc trưng bởi trật tự định hướng tầm xa. Tên của các tinh thể bắt nguồn từ định nghĩa "nema" trong tiếng Hy Lạp - một sợi chỉ. Disinclination (sợi) có tính di động cao và có thể nhìn thấy rõ ràng trong ánh sáng tự nhiên.

Tinh thể lỏng cholesteric và ứng dụng của chúng

Dạng phân tử của các chất thuộc loại này là một phiến thuôn dài song song. Cholesteric tạo ra propyl cholesterol ester, cholesteryl cinnamate, các dẫn xuất cholesterol khác.

Các chất chỉ thị nhiệt của tinh thể lỏng loại cholesteric được sử dụng rộng rãi trong chẩn đoán y tế và kỹ thuật. Sự nhạy cảm của các chất này với nhiệt độ giúp chúng ta có thể hình dung được sự phân bố nhiệt độ trên bề mặt. Điều này, đến lượt nó, được sử dụng trong nội soi (quan sát các quá trình bên trong các cơ thể bị mờ đục về mặt quang học), trong việc phát hiện một số bệnh và cũng trong các tinh thể này tạo thành một bức tranh nhiệt độ dưới dạng biểu đồ màu. Cholesteric cũng có thể được sử dụng để hiển thị các trường vi sóng. Để sản xuất các chất chỉ thị, hiệu ứng của tán xạ ánh sáng động được sử dụng. Màn hình tinh thể lỏng sử dụng ánh sáng xung quanh. Điều này cho phép giảm đáng kể điện năng tiêu thụ. Do đó, công suất thấp hơn một bậc độ lớn so với trong phim và phốt pho bột, điốt phát quang và chỉ thị phóng điện. Cholesteric được sử dụng trên cơ sở chuyển đổi sang hình ảnh hồng ngoại nhìn thấy được.

Trong tinh thể lỏng cholesteric (trái ngược với tinh thể nematic), hiện tượng tán xạ ánh sáng động có thể có bộ nhớ - trạng thái tán xạ ánh sáng có thể tồn tại ngay cả sau khi trường bị loại bỏ. Đồng thời, một số đặc tính của cholesteric ảnh hưởng đến thời gian của trạng thái. Như vậy, trí nhớ có thể tồn tại từ vài phút đến vài năm. Một hiệu điện thế xoay chiều dẫn đến trạng thái ban đầu (không tiêu tán) của cholesteric. Thuộc tính được chỉ định được sử dụng trong việc hình thành các ô nhớ.

Tinh thể lỏng - trực quan hóa đồ họa

Tinh thể lỏng là một trạng thái pha trong đó một chất có đồng thời cả tính chất của chất lỏng và tính chất của tinh thể. Nghĩa là, chúng có tính lưu động, đồng thời được đặc trưng bởi tính dị hướng - sự khác biệt về các đặc tính của một môi trường nhất định phụ thuộc vào hướng bên trong nó (ví dụ, chiết suất, tốc độ của âm thanh hoặc độ dẫn nhiệt).

Tinh thể lỏng có cấu trúc lỏng nhớt bao gồm các phân tử hình đĩa. Hướng của các phân tử này có thể thay đổi khi tương tác với điện trường.

Năm 1888, nhà thực vật học người Áo Friedrich Reinitzer đã phát hiện ra rằng một số loại tinh thể có hai điểm nóng chảy, điều này ngụ ý rằng có hai trạng thái lỏng khác nhau, trong đó một chất là trong suốt, còn một chất thì có màu đục.

Và mặc dù vào năm 1904, nhà vật lý người Đức Otto Lehmann đã đưa ra một số bằng chứng khoa học ủng hộ tinh thể lỏng trong cuốn sách cùng tên của mình, nhưng tinh thể lỏng đã không được công nhận là trạng thái riêng biệt của vật chất trong một thời gian dài. Vào năm 1963, nhà phát minh người Mỹ James Ferguson đã tìm thấy một trong những đặc tính của LC - thay đổi màu sắc tùy thuộc vào nhiệt độ. Một người Mỹ đã nhận được bằng sáng chế cho một phát minh có thể phát hiện ra các trường nhiệt mà mắt thường không nhìn thấy được. Kể từ đó, sự phổ biến của tinh thể lỏng bắt đầu phát triển.

Các nhóm tinh thể lỏng và tính chất của chúng

Tinh thể lỏng thường được chia thành hai nhóm:

Lyotropic - được tạo thành trong hỗn hợp bao gồm các phân tử hình que của một chất nhất định và dung môi phân cực (ví dụ, nước).

Ứng dụng tinh thể lỏng

Màn hình LCD

Trước hết, cần lưu ý không phải ứng dụng hữu ích nhất mà là ứng dụng nổi tiếng nhất của LCD - màn hình tinh thể lỏng. Đôi khi chúng được gọi là màn hình LCD, là viết tắt của từ tiếng Anh "liquid crystal display". Trong thời đại của các tiện ích, những màn hình như vậy có mặt trong hầu hết mọi thiết bị điện tử: TV, màn hình máy tính, máy ảnh kỹ thuật số, điều hướng, máy tính, sách điện tử, máy tính bảng, điện thoại, đồng hồ điện tử, đầu đĩa, v.v.

Thiết bị của màn hình LCD khá phức tạp, nhưng nhìn chung nó là một tập hợp các tấm kính, giữa đó là các tinh thể lỏng (ma trận LCD) và rất nhiều nguồn sáng. Pixel ma trận LCD bao gồm một cặp điện cực trong suốt cho phép bạn thay đổi hướng của các phân tử tinh thể lỏng, cũng như một cặp bộ lọc phân cực điều chỉnh mức độ trong suốt, v.v.

đo nhiệt độ

Một ứng dụng ít phổ biến hơn nhưng quan trọng hơn của LCD là đo nhiệt độ. Thermography cho phép bạn có được hình ảnh nhiệt của một vật thể, là kết quả của việc đăng ký bức xạ hồng ngoại - nhiệt. Các thiết bị quan sát ban đêm bằng tia hồng ngoại được sử dụng bởi lính cứu hỏa, trong trường hợp có khói trong phòng, để phát hiện nạn nhân của đám cháy. Họ cũng tìm thấy ứng dụng trong các dịch vụ an ninh và dịch vụ quân sự.

Hình ảnh nhiệt cho phép bạn phát hiện các điểm nóng, lỗi cách nhiệt hoặc các khu vực khẩn cấp khác trong quá trình bảo trì hoặc xây dựng đường dây điện.

Máy đo nhiệt độ cũng được sử dụng trong hình ảnh y tế, chủ yếu để quan sát các tuyến vú. Điều này cho phép bạn phát hiện các bệnh ung thư khác nhau, chẳng hạn như ung thư vú.

Chỉ báo điện tử

Các chỉ thị điện tử được tạo ra bằng cách sử dụng các tinh thể lỏng phản ứng với các nhiệt độ khác nhau, do đó chúng có thể thông báo về các lỗi và vi phạm trong thiết bị điện tử. Ví dụ, LC ở dạng phim được áp dụng cho bảng mạch in và mạch tích hợp, cũng như các bóng bán dẫn. Các phân đoạn điện tử bị lỗi rất dễ phân biệt với chỉ số này.

Ngoài ra, các chỉ số LCD nằm trên da của bệnh nhân giúp phát hiện ra tình trạng viêm và khối u ở người.

Chất chỉ thị tinh thể lỏng cũng được sử dụng để phát hiện hơi của các hợp chất hóa học có hại khác nhau, cũng như để phát hiện tia cực tím và bức xạ gamma. LC được sử dụng để phát triển máy dò siêu âm và máy đo áp suất.

Ngoài ứng dụng trực tiếp của LC trong các lĩnh vực được liệt kê ở trên, cần lưu ý rằng các tinh thể lỏng theo nhiều cách tương tự như một số cấu trúc tế bào và đôi khi có mặt trong chúng. Do tính chất điện môi của chúng, các tinh thể lỏng điều chỉnh các mối quan hệ trong tế bào, giữa tế bào và mô, và giữa tế bào với môi trường. Do đó, việc nghiên cứu bản chất và hành vi của tinh thể lỏng có thể đóng góp vào sinh học phân tử.

St. in (quang, điện, từ, v.v.) trong trường hợp không có trật tự phạm vi dài ba chiều trong sự sắp xếp của các hạt (,). Do đó, tinh thể lỏng điều kiện thường được gọi là còn trung hình (mesophase). Khoảng nhiệt độ cho sự tồn tại của chất lỏng được giới hạn ở chất rắn và được gọi là. t-bầy của sự giác ngộ, với một bầy tinh thể lỏng. các mẫu vẩn đục trở nên trong suốt do mesophase và sự biến đổi của nó thành đẳng hướng. tinh thể lỏng conn. có dạng hình que hoặc hình đĩa và có xu hướng định vị là chủ yếu. song song với nhau. T. naz. chất lỏng hướng nhiệt được hình thành trong quá trình nhiệt. tác động vào trong. Các chất lỏng như vậy tạo thành, ví dụ, các dẫn xuất thơm. Comm. Chứa tuyến tính và chu kỳ xen kẽ. nhóm (vòng benzen). LCD pha được hình thành thường xuyên nhất nếu các nhóm thế nằm ở vị trí para. Một số lượng lớn các tinh thể lỏng đẳng nhiệt. conn. m. b. được biểu diễn bằng công thức chung:

X thường -CH = N-, - CH 2 -CH 2 -, - HC \ u003d CH- ,, -C (O) -NH-. Kết thúc nhóm Y và Z m. nhóm alkyl và alkoxyl, xyano-, nitro-, v.v. Ví dụ về một số nhóm chất lỏng được đưa ra trong bảng. Thường là các mảnh cứng nhắc, ví dụ, theo chu kỳ. các nhóm xác định sự tồn tại của mesophase, được gọi là. "mê hồn". Sự hiện diện của các nhánh dẫn đến sự thu hẹp khoảng nhiệt độ cho sự tồn tại của trung mô.

K - kết tinh rắn. trạng thái, I - đẳng hướng (), N - tân học, S (S A, S B, S F - smectics, D - khám phá, Ch - cholesteric. Chất lỏng lyotropic được tạo thành với một số chất trong một số dung môi nhất định. Ví dụ, các dung dịch nước, v.v ... tạo thành chất lỏng trong một khoảng thời gian nhất định và t-r. Các đơn vị cấu trúc của chất lỏng lyotropic là các dạng siêu phân tử bị phân hủy. loại, phân bố trong dung môi p trung bình và có hình trụ, hình cầu. hoặc hình thức khác. Tùy thuộc vào bản chất của vị trí của hình que, có ba chính. các loại chất lỏng - smectic, nematic và cholesteric. Trong smectic chất lỏng (chúng được gọi là smectics, ký hiệu là S) nằm trong các lớp. Trọng tâm của các hình kéo dài nằm trong các mặt phẳng cách đều nhau và có thể di động theo hai chiều (trên mặt phẳng smectic). Các trục dài có thể nằm vuông góc với mặt phẳng smectic. lớp (smectics trực giao, Hình 1, a), và ở một góc nhất định với lớp (smectics xiên, Hình 1, b).

Cơm. 1. Cấu trúc của chất lỏng smectic (a và b) và nematic (c) (a - sắp xếp trực giao, b - xiên).

Ngoài ra, có thể sắp xếp có thứ tự và không có thứ tự trong chính các lớp. Tất cả điều này xác định khả năng phân hủy giáo dục. biến đổi đa hình. Được biết đến St. một tá smectic đa hình. các sửa đổi được ký hiệu bằng các chữ cái Latinh, smectics A, B, C, v.v. (hoặc S A, S B, S C, v.v.). Sự hình thành của smectic pha đặc trưng của tinh thể lỏng. Comm., To-rykh chứa các nhóm alkyl hoặc alkoxy ở đầu cuối dài Y và Z với số/ 4-6. Nematic chất lỏng (tân sinh N) được đặc trưng bởi sự hiện diện của trật tự định hướng, với các trục dài Krom được đặt theo một hướng với sự sắp xếp ngẫu nhiên của các trọng tâm (Hình 1, c). Nematic loại hợp chất dạng lỏng, trong đó có các nhóm alkyl hoặc alkoxy ngắn (số[ 3).

Cơm. 2. Cấu trúc của chất lỏng cholesteric; đường chấm chấm hiển thị bước; các mũi tên chỉ hướng của các trục dài.

Cholesteric loại mesophase (Chol cholesterics) được tạo thành bởi hai nhóm hợp chất: dẫn xuất hoạt động quang học, ch. arr. (do đó có tên), và các hợp chất không steroid thuộc cùng các nhóm hợp chất, từ lúa mạch đen tạo thành nematic. lỏng, nhưng có (alkyl-, alkoxy-, azomethines được thay thế bằng acyloxy, các dẫn xuất của quế to-you, azo-, v.v.). Trong cholesteric các chất lỏng được định vị theo cách giống như ở lớp nematic, nhưng trong mỗi lớp, chúng được quay so với vị trí của chúng trong lớp bên cạnh một góc nhất định. Nhìn chung, một cấu trúc được mô tả bởi một chuỗi xoắn được thực hiện (Hình 2). V-va có hình đĩa (disco D) có thể tạo thành chất lỏng, trong đó chúng được đóng gói thành cột (có một khoảng trật tự dài theo hướng của các mặt phẳng hình đĩa) hoặc được sắp xếp theo cách tương tự như trong sơ đồ (có không phải là thứ tự tầm xa) (Hình 3, a và b). Cấu trúc đặc biệt của tinh thể lỏng. Comm., Cung cấp sự kết hợp giữa trật tự trong sắp xếp với tính di động cao của chúng, xác định một loạt các thiết thực. sử dụng chất lỏng. Hướng lợi ích. định hướng, được đặc trưng bởi một đơn vị trục, hoặc giám đốc, có thể dễ dàng thay đổi dưới ảnh hưởng của sự phân hủy. máy lẻ các yếu tố - t-ry, lông. hiệu điện thế, hiệu điện thế. và magn. lĩnh vực.

Cơm. 3. Cấu trúc của chất lỏng dạng đĩa: a - pha cột; b - pha nematic.

Nguyên nhân trực tiếp dẫn đến sự định hướng hoặc định hướng lại của giám đốc - nhớt, quang, điện. hoặc magn. Thứ Tư St. Đổi lại, lợi ích thay đổi. định hướng gây ra sự thay đổi về quang, điện. và St. khác ở thể lỏng, tức là, nó tạo ra khả năng kiểm soát những St. bạn thông qua bên ngoài tương đối yếu. các tác động và cũng cho phép bạn đăng ký các tác động này. Điện quang Nematic St. chất lỏng được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống xử lý và hiển thị thông tin, dưới dạng chữ và số (đồng hồ điện tử, máy tính, màn hình, v.v.), quang học. cửa và các thiết bị van nhẹ khác. Ưu điểm của các thiết bị này là tiêu thụ điện năng thấp (khoảng 0,1 mW / cm 2), điện áp cung cấp thấp (vài V), ví dụ, có thể kết hợp tinh thể lỏng. hiển thị với mạch tích hợp và do đó đảm bảo thu nhỏ các thiết bị chỉ thị (màn hình TV phẳng). Cấu trúc xoắn ốc của cholesteric quyết định độ quang học cao của chúng. (các cạnh có cường độ cao hơn vài bậc so với các cạnh của tổ chức thông thường và các cạnh đặc) và khả năng phản xạ có chọn lọc ánh sáng phân cực tròn trong phạm vi nhìn thấy, IR và UV. Khi thay đổi t-ry, thành phần của môi trường, cường độ của nam châm điện. trường thay đổi cao độ, kéo theo sự thay đổi quang học. sv-in, cụ thể là các màu. Điều này cho phép bạn đo nhiệt độ của cơ thể bằng cách thay đổi màu sắc của chất lỏng