Tekoči kristali na kratko. Začnite v znanosti

Tekoči kristali

Uvod

Tekoči kristali (skrajšano LC) so snovi, ki imajo hkrati lastnosti tekočin (fluidnost) in kristalov (anizotropija). Po strukturi so tekoči kristali želatinaste tekočine, sestavljene iz podolgovatih molekul, razvrščenih na določen način po celotnem volumnu te tekočine. Najbolj značilna lastnost LC je njihova sposobnost spreminjanja orientacije molekul pod vplivom električnih polj, kar odpira široke možnosti za njihovo uporabo v industriji. Glede na vrsto tekoče kristale običajno delimo v dve veliki skupini: nematike in smektike. Nematike pa delimo na nematske in holesterične tekoče kristale.

Zgodovina odkritja tekočih kristalov

Tekoče kristale je leta 1888 odkril avstrijski botanik F. Reinitzer. Opazil je, da imajo kristali holesteril benzoata in holesteril acetata dve tališči in s tem dve različni tekoči stanji - motno in prozorno. Vendar znanstveniki niso posvečali veliko pozornosti nenavadnim lastnostim teh tekočin. Fiziki in kemiki dolgo časa načeloma niso priznavali tekočih kristalov, saj je njihov obstoj rušil teorijo o treh agregatnih stanjih: trdnem, tekočem in plinastem. Znanstveniki so tekoče kristale razvrstili med koloidne raztopine ali emulzije. Znanstveni dokaz je po dolgoletnem raziskovanju zagotovil profesor Univerze Karlsruhe Otto Lehmann (nem. Otto Lehmann), vendar tudi po izidu njegove knjige “Tekoči kristali” leta 1904 odkritje ni bilo uporabljeno.

Leta 1963 je Američan J. Ferguson uporabil najpomembnejšo lastnost tekočih kristalov - spreminjanje barve pod vplivom temperature - za zaznavanje prostim očesom nevidnih toplotnih polj. Potem ko je prejel patent za svoj izum (ameriški patent 3114836), se je zanimanje za tekoče kristale močno povečalo.

Leta 1965 je bila v ZDA prva mednarodna konferenca, posvečena tekočim kristalom. Leta 1968 so ameriški znanstveniki ustvarili popolnoma nove indikatorje za sisteme za prikaz informacij. Načelo njihovega delovanja temelji na dejstvu, da molekule tekočih kristalov, ki se obračajo v električnem polju, odbijajo in prenašajo svetlobo na različne načine. Pod vplivom napetosti na vodnike, spajkane v zaslon, se je na njem pojavila slika, sestavljena iz mikroskopskih pik. Šele po letu 1973, ko je skupina angleških kemikov pod vodstvom Georgea Williama Graya sintetizirala tekoče kristale iz razmeroma poceni in dostopnih surovin, so te snovi postale razširjene v najrazličnejših napravah.

Skupine tekočih kristalov

Glede na njihove splošne lastnosti lahko LC razdelimo v dve veliki skupini:

termotropne LC, ki nastanejo kot posledica segrevanja trdne snovi in obstajajo v določenem območju temperatur in tlakov, in liotropne LC, ki so dvo ali večkomponentni sistemi, ki nastanejo v zmesi paličastih molekul dane snovi in vode (oz. druga polarna topila). Te paličaste molekule imajo na enem koncu polarno skupino, večina palice pa je prožna hidrofobna ogljikovodikova veriga. Takšne snovi imenujemo amfifili (amphi - v grščini pomeni z obeh koncev, philos - ljubeč, dobro razpoložen). Fosfolipidi so primeri amfifilov.

Amfifilne molekule so praviloma slabo topne v vodi in težijo k tvorbi agregatov tako, da so njihove polarne skupine na meji usmerjene proti tekoči fazi. Pri nizkih temperaturah mešanje tekočega amfifila z vodo vodi do ločitve sistema v dve fazi. Ena od variant amfifilov s kompleksno strukturo je lahko sistem milnice. Obstaja alifatski anion CH3-(CH2)n-2-CO2- (kjer je n ~ 12-20) in pozitivni ion Na+, K+, NH4+ itd. Polarna skupina CO2- je v tesnem stiku z molekulami vode , medtem ko se nepolarna skupina (amfifilna veriga) izogiba stiku z vodo. Ta pojav je značilen za amfifile.

Termotropne tekoče kristale delimo v tri velike razrede:

Nematski tekoči kristali. V teh kristalih ni daljnosežnega reda v lokaciji težišč molekul, nimajo plastne strukture, njihove molekule zvezno drsijo v smeri svojih dolgih osi, se vrtijo okoli njih, a hkrati ohranite orientacijski red: dolge osi so usmerjene vzdolž ene želene smeri. Obnašajo se kot navadne tekočine. Nematske faze najdemo samo v snoveh, katerih molekule ne razlikujejo med desno in levo obliko; Primer snovi, ki tvori nematski tekoči kristal, je

Smektični tekoči kristali imajo slojevito strukturo; plasti se lahko premikajo ena glede na drugo. Debelina smektične plasti je določena z dolžino molekul (predvsem dolžina parafinskega "repa"), vendar je viskoznost smektikov veliko višja od nematikov in gostota normalna na površino plasti lahko zelo razlikujejo. Tipičen je tereftal bis(nara-butilanilin):

Holesterolne tekoče kristale tvorijo predvsem spojine holesterola in drugih steroidov. To so nematski LC, vendar so njihove dolge osi zasukane druga glede na drugo, tako da tvorijo vijačnice, ki so zelo občutljive na temperaturne spremembe zaradi izjemno nizke tvorbene energije te strukture (približno 0,01 J/mol). Tipičen holesterik je amil-para-(4-cianobenzilidenamino)-cinamat

Holesteriki so svetlo obarvani in najmanjša sprememba temperature (do tisočink stopinje) povzroči spremembo koraka vijačnice in s tem spremembo barve tekočega kristala.

Za vse zgoraj navedene vrste LC je značilna orientacija dipolnih molekul v določeni smeri, ki je določena z enotskim vektorjem - imenovanim "direktor".

V zadnjem času so odkrili tako imenovane stebričaste faze, ki jih tvorijo samo diskaste molekule, razporejene v plasteh ena na drugi v obliki večplastnih kolon, z vzporednimi optičnimi osemi. Pogosto jih imenujemo "tekoči filamenti", vzdolž katerih imajo molekule translacijske prostostne stopnje. Ta razred spojin je napovedal akademik L. D. Landau in šele leta 1977 odkril Chandrasekhar. Narava urejenosti tekočih kristalov teh tipov je shematično prikazana na sliki.

Zasloni LCD imajo nenavadne optične lastnosti. Nematiki in smektiki so optično enoosni kristali. Zaradi svoje periodične strukture holesteriki močno odbijajo svetlobo v vidnem delu spektra. Ker je v nematikih in holesterikih nosilec lastnosti tekoča faza, se pod vplivom zunanjih vplivov zlahka deformira in ker je korak vijačnice v holesterikih zelo občutljiv na temperaturo, se odboj svetlobe s temperaturo močno spreminja. , kar povzroči spremembo barve snovi.

Ti pojavi se pogosto uporabljajo v različnih aplikacijah, kot je iskanje vročih točk v mikrovezjih, lokalizacija zlomov in tumorjev pri ljudeh, infrardeče slikanje itd.

Značilnosti številnih elektrooptičnih naprav, ki delujejo na liotropnih LC, so določene z anizotropijo njihove električne prevodnosti, ki je posledično povezana z anizotropijo elektronske polarizabilnosti. Pri nekaterih snoveh zaradi anizotropije lastnosti LC specifična električna prevodnost spremeni predznak. Na primer, za n-oktiloksibenzojsko kislino prehaja skozi nič pri temperaturi 146 ° C, kar je povezano s strukturnimi značilnostmi mezofaze in polarizabilnostjo molekul. Usmerjenost molekul nematske faze praviloma sovpada s smerjo največje prevodnosti.

Vse oblike življenja so tako ali drugače povezane z delovanjem žive celice, katere mnoge strukturne enote so podobne strukturi tekočih kristalov. Z izjemnimi dielektričnimi lastnostmi tvorijo znotrajcelične heterogene površine, uravnavajo razmerje med celico in zunanjim okoljem, pa tudi med posameznimi celicami in tkivi, dajejo potrebno inertnost sestavnim delom celice in jo ščitijo pred encimskimi vplivi. Tako ugotavljanje vzorcev vedenja FA odpira nove možnosti v razvoju molekularne biologije.

Uporaba tekočih kristalov

Eno izmed pomembnih področij uporabe tekočih kristalov je termografija. Z izbiro sestave tekoče kristalne snovi se ustvarijo indikatorji za različna temperaturna območja in za različne izvedbe. Na primer, tekoči kristali v obliki filma se uporabljajo za tranzistorje, integrirana vezja in tiskana vezja elektronskih vezij. Okvarjeni elementi - zelo vroči ali hladni, nedelujoči - so takoj opazni s svetlimi barvnimi pikami. Zdravniki so dobili nove priložnosti: tekočekristalni indikator na pacientovi koži hitro diagnosticira skrito vnetje in celo tumor.

Tekoči kristali se uporabljajo za zaznavanje hlapov škodljivih kemičnih spojin ter gama in ultravijoličnega sevanja, nevarnega za zdravje ljudi. Na osnovi tekočih kristalov so bili ustvarjeni merilniki tlaka in ultrazvočni detektorji. Toda najbolj obetavno področje uporabe tekočih kristalnih snovi je informacijska tehnologija. Le nekaj let je minilo od prvih indikatorjev, ki jih vsi poznamo od digitalnih ur do barvnih televizorjev z LCD zasloni v velikosti razglednice. Takšni televizorji zagotavljajo zelo kakovostno sliko, hkrati pa porabijo manj energije.

Organski materiali se vedno bolj uvajajo v sodobno mikro- in optoelektroniko. Dovolj je omeniti foto- in elektronske upore, ki se uporabljajo v litografskem procesu, organske barvne laserje in polimerne feroelektrične filme. Eden od klasičnih primerov, ki potrjujejo ta trend, so tekoči kristali.

Nematski tekoči kristali danes nimajo konkurence med drugimi elektrooptičnimi materiali glede stroškov energije za njihovo preklapljanje. Optične lastnosti tekočega kristala je mogoče nadzorovati neposredno iz čipov z uporabo moči v območju mikrovatov. To je neposredna posledica strukturnih značilnosti tekočih kristalov.

Isti osnovni postopek se izvaja v kazalnikih ure, kalkulatorjih, elektronskih prevajalnikih ali v televizorjih z ravnim zaslonom LCD. Zaradi velike anizotropije dielektrične konstante razmeroma šibko električno polje ustvari opazen navor, ki deluje na usmerjevalnik (v izotropni tekočini se takšen navor ne pojavi). Zaradi nizke viskoznosti ta moment vodi do preusmeritve usmerjevalnika (optične osi), kar se v trdnem telesu ne bi zgodilo. In končno, ta rotacija vodi do spremembe optičnih lastnosti tekočega kristala (dvolomnost, dikroizem) zaradi anizotropije njegovih optičnih lastnosti. V primerih, ko je treba informacije zapomniti, na primer pri snemanju z laserskim žarkom, se uporabljajo specifične viskoelastične lastnosti smektične faze A. Za optoelektronske naprave s pomnilnikom so zelo obetavni tudi tekočekristalni polimeri.

Visoka občutljivost koraka spiralne strukture holesteričnih tekočih kristalov na temperaturo se uporablja v medicinski diagnostiki. Bela svetloba, ki se lomi na tej strukturi, se razgradi v spekter, iz mavričnih barv pa se lahko določijo lokalne spremembe temperature površine telesa ogrevani predmeti. Tako so tukaj uporabljene značilnosti modulirane (spiralne) strukture zrcalno-asimetrične faze tekočih kristalov.

Liotropne faze, ki so raztopine linearnih tekočekristalnih polimerov, se uporabljajo v tehnologiji visoko trdnih vlaken polne dolžine. Vlečenje niti iz urejene faze pomaga povečati njeno trdnost. Drug primer uporabe tekočih kristalnih faz v kemijski tehnologiji je proizvodnja visokokakovostnega koksa iz težkih frakcij nafte. V obeh primerih igrajo odločilno vlogo značilnosti strukturne urejenosti molekul, linearne v prvem primeru in diskaste v drugem primeru.

Posebno pozornost je treba nameniti možnosti ustvarjanja anizotropnih optičnih elementov, pa tudi piro- in piezoelektričnih senzorjev ter nelinearnih optičnih materialov na osnovi tekočih kristalnih polimerov v obliki glavnika, ki združujejo strukturno organizacijo tekočih kristalov (vključno s spontano polarizacijo) in mehansko. lastnosti polimernih materialov.

LCD televizorji

Ustvarjanje televizorjev s tekočimi kristali je postalo nov zgodovinski mejnik v uporabi tekočih kristalov (LCD). Tovrstni televizorji so zaradi rednih znižanj cen za kupce vse bolj dostopni. e cene, zaradi izboljšanih proizvodnih tehnologij.

LCD zaslon je prosojni tip zaslona, to je zaslon, ki je z zadnje strani osvetljen z belo svetilko, celice osnovnih barv (RGB - rdeča, zelena, modra), ki se nahajajo na treh ploščah ustreznih barv, prepuščajo oz. ne prepuščajo svetlobe skozi sebe, odvisno od uporabljene napetosti. Zato pride do določene zakasnitve slike (odzivni čas), še posebej opazne pri gledanju hitro premikajočih se objektov. Odzivni čas pri sodobnih modelih se giblje od 15 ms do 40 ms in je odvisen od vrste in velikosti matrike. Krajši kot je ta čas, hitreje se slika spreminja, ni pojava sledi ali prekrivanja slik.

Življenjska doba žarnice za večino LCD plošč pri skoraj začetni svetlosti je 60.000 ur (to je dovolj za približno 16 let, če gledate televizijo 10 ur na dan). Za primerjavo: pri plazemskih televizorjih se svetlost v istem času precej bolj zmanjša, pri CRT televizorjih (fosfor izgori) pa je prag 15.000-20.000 ur (približno 5 let), potem se kakovost opazno poslabša.

Naprava LCD monitor

Vsak piksel LCD zaslona je sestavljen iz plasti molekul med dvema prozornima elektrodama in dveh polarizacijskih filtrov, katerih polarizacijske ravnine so (običajno) pravokotne. V odsotnosti tekočih kristalov svetlobo, ki jo prepušča prvi filter, drugi skoraj popolnoma blokira. Površina elektrod, ki so v stiku s tekočimi kristali, je posebej obdelana tako, da na začetku usmeri molekule v eno smer.

V matriki TN so te smeri medsebojno pravokotne, zato se molekule v odsotnosti napetosti postavijo v spiralno strukturo. Ta struktura lomi svetlobo tako, da se ravnina njene polarizacije vrti pred drugim filtrom in svetloba prehaja skozenj brez izgub. Razen absorpcije polovice nepolarizirane svetlobe s prvim filtrom lahko celico štejemo za prozorno. Če na elektrode deluje napetost, se molekule nagibajo k poravnavi v smeri električnega polja, kar popači strukturo vijaka. V tem primeru elastične sile nasprotujejo temu in ko se napetost izklopi, se molekule vrnejo v prvotni položaj. Z zadostno poljsko jakostjo postanejo skoraj vse molekule vzporedne, kar vodi do neprozorne strukture. S spreminjanjem napetosti lahko nadzorujete stopnjo preglednosti.

Če se dlje časa uporablja konstantna napetost, se lahko struktura tekočih kristalov poslabša zaradi migracije ionov. Za rešitev te težave se uporablja izmenični tok ali spreminjanje polaritete polja ob vsakem naslovu celice (saj se sprememba prosojnosti pojavi ob vklopu toka, ne glede na njegovo polariteto).

V celotni matrici je možno krmiliti vsako celico posebej, vendar je z večanjem njihovega števila to težje doseči, saj se povečuje število potrebnih elektrod. Zato se naslavljanje vrstic in stolpcev uporablja skoraj povsod.

Svetloba, ki prehaja skozi celice, je lahko naravna – odbita od podlage (pri LCD zaslonih brez osvetlitve ozadja). Toda pogosteje se uporablja umetni vir svetlobe; to poleg neodvisnosti od zunanje osvetlitve stabilizira tudi lastnosti nastale slike.

Tako je polnopravni LCD monitor sestavljen iz elektronike, ki obdeluje vhodni video signal, LCD matriko, modul za osvetlitev ozadja, napajalnik in ohišje. Kombinacija teh komponent določa lastnosti monitorja kot celote, čeprav so nekatere lastnosti pomembnejše od drugih.

Ključne značilnosti LCD monitorjev:

Dovoljenje: Horizontalne in navpične dimenzije, izražene v slikovnih pikah, imajo LCD monitorji eno fiksno ločljivost, ostale so dosežene z interpolacijo.

Velikost točke: Razdalja med središči sosednjih slikovnih pik. Neposredno povezana s fizično ločljivostjo.

Razmerje stranic zaslona(format): Razmerje med širino in višino, na primer: 5:4, 4:3, 5:3, 8:5, 16:9, 16:10.

Vidna diagonala: Velikost same plošče, merjena diagonalno. Od formata je odvisna tudi površina zaslonov: monitor s formatom 4:3 ima večjo površino kot monitor s formatom 16:9 z enako diagonalo.

Kontrast: Razmerje svetlosti najsvetlejših in najtemnejših točk. Nekateri monitorji uporabljajo prilagodljivo raven osvetlitve ozadja z uporabo dodatnih sijalk; podana vrednost kontrasta (tako imenovana dinamika) ne velja za statično sliko.

Odzivni čas: Najkrajši čas, ki ga potrebuje slikovna pika, da spremeni svojo svetlost.

Vidni kot: kot, pri katerem padec kontrasta doseže določeno vrednost, se za različne vrste matrik in proizvajalcev izračuna različno in pogosto ni primerljiv. Vidni kot LCD-televizorjev najnovejših modelov doseže 160-170 stopinj navpično in vodoravno, zaradi česar je problem veliko manj pereč, kot je bil pred nekaj leti.

Slabosti LCD zaslonov: prisotnost mrtvih slikovnih pik. Nedejavne piksle so piksle, ki so stalno vklopljene v enem stanju in ne spreminjajo svoje barve glede na signal. Za razliko od CRT-jev lahko prikažejo čisto sliko v samo eni (»standardni«) ločljivosti. Ostalo se doseže z interpolacijo z izgubo jasnosti. Poleg tega prenizke ločljivosti (na primer 320×200) na mnogih monitorjih sploh ni mogoče prikazati. Barvna lestvica in barvna natančnost sta nižji kot pri plazemskih ploščah oziroma CRT. Številni monitorji imajo nepopravljive neenakomernosti pri prenosu svetlosti (črtasti prelivi).

Veliko LCD monitorjev ima relativno nizek kontrast in črno globino. Povečanje dejanskega kontrasta je pogosto povezano s preprostim povečanjem svetlosti osvetlitve ozadja do neprijetnih ravni. Široko uporabljena sijajna prevleka matrice vpliva le na subjektivni kontrast v pogojih zunanje osvetlitve. Zaradi strogih zahtev po konstantni debelini matrice se pojavlja problem neenakomerne barve (neenakomernost osvetlitve ozadja). Tudi dejanska hitrost spreminjanja slike ostaja nižja kot pri CRT in plazemskih zaslonih.

Odvisnost kontrasta od vidnega kota še vedno ostaja pomembna pomanjkljivost tehnologije.

LCD monitorji serijske proizvodnje so slabo zaščiteni pred poškodbami. Še posebej občutljiva je matrica, ki ni zaščitena s steklom. Če močno pritisnete, lahko pride do nepopravljive degradacije.

Zasloni s tekočimi kristali

Znano je, kako priljubljene so bile različne elektronske igrice, ki so bile običajno nameščene v zabaviščih javnih rekreacijskih prostorov ali preddverjih kinematografov. Napredek v razvoju matričnih zaslonov s tekočimi kristali je omogočil ustvarjanje in množično proizvodnjo takšnih iger v miniaturni, tako rekoč žepni obliki.

Prva takšna igra v Rusiji je bila igra "No, počakaj malo!", Ki jo je obvladala domača industrija. Dimenzije te igre so kot prenosni računalnik, njen glavni element pa je matrični zaslon s tekočimi kristali, na katerem so prikazane slike volka, zajca, kokoši in testisov, ki se kotalijo po žlebovih. Naloga igralca je, da s pritiskom na gumbe za upravljanje prisili volka, ki se premika od žleba do žleba, da ujame testise, ki se kotalijo iz žlebov v koš, da ne bi padla na tla in se zlomila. Pri tem omenimo, da ta igrača poleg zabavnega namena služi kot ura in budilka, tj. v drugem načinu delovanja je čas na zaslonu "poudarjen" in ob želenem času se lahko oglasi zvočni signal.

Osnova vsakega LCD zaslona je načelo oblikovanja. Osnova za naslednje plasti LCD sta dve vzporedni stekleni plošči, prevlečeni s polarizacijskimi filmi. Obstajata zgornji in spodnji polarizator, ki sta usmerjena pravokotno drug na drugega. Na steklenih ploščah na tistih mestih, kjer se bo v prihodnosti oblikovala slika, se nanese prozoren film kovinskega oksida, ki kasneje služi kot elektrode. Na notranjo površino stekel in elektrod se nanesejo polimerni izravnalni sloji, ki se nato polirajo, kar prispeva k pojavu mikroskopskih vzdolžnih utorov na njihovi površini v stiku s tekočim kristalom. Prostor med izravnalnimi sloji se zapolni z LC snovjo. Zaradi tega se molekule LC poravnajo v smeri poliranja izravnalne plasti.

Smeri poliranja zgornje in spodnje izravnalne plasti sta pravokotni (podobno kot pri polarizatorjih). To je potrebno za predhodno "zvijanje" plasti LC molekul za 90 ° med stekli. Ko na krmilne elektrode ni napetosti, se svetlobni tok, ki gre skozi spodnji polarizator, premika skozi plasti tekočih kristalov, ki gladko spreminjajo svojo polarizacijo in jo obračajo pod kotom 90 °. Zaradi tega svetlobni tok po izstopu iz LC materiala prosto prehaja skozi zgornji polarizator (usmerjen pravokotno na spodnjega) in doseže opazovalca. Ne pride do oblikovanja slike. Ob napetosti elektrod se med njima ustvari električno polje, ki povzroči preusmeritev molekul LC. Molekule se nagibajo k vrsti vzdolž silnic polja v smeri od ene elektrode do druge. Zaradi tega učinek "zvijanja" polarizirane svetlobe izgine in pod elektrodo se pojavi senčno območje, ki ponavlja njene konture. Ustvari se slika, ki jo tvorita svetlo ozadje in temno območje pod preklopno elektrodo. S spreminjanjem obrisov območja, ki ga zaseda elektroda, je mogoče oblikovati različne slike: črke, številke, ikone itd. Tako nastanejo LCD-ji z znaki. Ko ustvarite niz elektrod (ortogonalna matrika), lahko dobite grafični LCD z ločljivostjo, ki jo določa število vključenih elektrod.

Zahteve za matrični zaslon, ki se uporablja kot TV zaslon, so veliko višje, tako glede hitrosti kot števila elementov, kot pri elektronski igrači in slovarju-prevajalniku. To bo postalo jasno, če se spomnimo, da je po televizijskem standardu slika na zaslonu sestavljena iz 625 vrstic (in vsaka vrstica je sestavljena iz približno enakega števila elementov), čas snemanja ene sličice pa je 40 ms. . Zato je praktična izvedba LCD televizorja težja. Kljub temu so znanstveniki in oblikovalci dosegli izjemen uspeh pri tehničnem reševanju tega problema. Tako je japonsko podjetje Sony zagnalo proizvodnjo miniaturnega televizorja, ki se prilega skoraj v dlan z barvno sliko in zaslonom velikosti 3,6 cm.

Zvezna agencija za znanost in izobraževanje Ruske federacije

Irkutska državna tehnična univerza

Oddelek za fiziko

POVZETEK

na temo: Tekoči kristali in njihovi

uporaba v tekočih kristalih

Dokončano:

Študentka skupine EL-03-1

Moroz Y.V.

Preverjeno:

Učitelji

Sozinova T.V.

Šišilova T.I.

Irkutsk, 2005

1. Kaj so tekoči kristali 3

1.1. Tekoči kristali 3

1.2. 4 vrste tekočih kristalov

1.3. Aplikacija 5

2. LCD monitorji 6

2.1. TN – kristali 6

2.2. Anatomija LCD 8

2.3. TFT zasloni 8

2.4. Ferodielektrični tekoči kristali 12

2.5. Plazemsko naslovljeni tekoči kristali (PALC) 12

3. Rezultati 13

1.1 TEKOČI KRISTAL - agregatno stanje vmes med tekočim in trdnim stanjem. V tekočini se lahko molekule prosto vrtijo in premikajo v katero koli smer. V kristalni trdnini se nahajajo na vozliščih pravilne geometrijske mreže, imenovane kristalna mreža, in se lahko vrtijo samo v svojih fiksnih položajih. V tekočem kristalu obstaja določena stopnja geometrijskega reda v razporeditvi molekul, dovoljeno pa je tudi nekaj svobode gibanja.

Slika 1. Povečana slika tekočega kristala.

Menijo, da je stanje tekočega kristala leta 1888 odkril avstrijski botanik F. Reinitzer. Preučeval je obnašanje organske trdne snovi, imenovane holesteril benzoat. Pri segrevanju se je ta spojina spremenila iz trdnega v motno stanje, ki se zdaj imenuje tekoče kristalno, nato pa v bistro tekočino; po ohlajanju smo zaporedje transformacij ponovili v obratnem vrstnem redu. Reinitzer je tudi opazil, da se pri segrevanju barva tekočega kristala spremeni - od rdeče do modre, pri čemer se pri ohlajanju ponovi v obratnem vrstnem redu. Skoraj vsi do danes odkriti tekoči kristali so organske spojine; približno 50 % vseh znanih organskih spojin pri segrevanju tvori tekoče kristale. V literaturi so opisani tudi tekoči kristali nekaterih hidroksidov (npr. Fe 2 O 3 x H2O).

Tekoči kristali , tekoče kristalno stanje, mezomorfno stanje - stanje snovi, v katerem ima lastnosti tekočine (fluidnost) in nekatere lastnosti trdnih kristalov (anizotropija lastnosti). Maščobne kisline tvorijo snovi, katerih molekule imajo obliko paličic ali podolgovatih plošč. Obstajajo termotropne in liotropne tekočine, prve so posamezne snovi, ki obstajajo v mezomorfnem stanju v določenem temperaturnem območju, pod katerim je snov trden kristal, nad katerim je navadna tekočina. Primeri:

para-azoksianizol (v temperaturnem območju 114-135 °C), etil ester azoksibenzojske kisline

(100-120°C), holesterol propil eter (102-116°C). Liotropne tekoče spojine so raztopine določenih snovi v določenih topilih. Primeri: vodne raztopine, milne raztopine sintetičnih polipeptidov (poli-g-benzil- L-glutamat) v številnih organskih topilih (dioksan, dikloroetan).

1.2 Vrste tekočih kristalov .

Obstajata dva načina pridobivanja tekočih kristalov. Eden od njih je bil opisan zgoraj, ko smo govorili o holesteril benzoatu. Pri segrevanju nekaterih trdnih organskih spojin njihova kristalna mreža razpade in nastane tekoči kristal. Če temperaturo še povečamo, se tekoči kristal spremeni v pravo tekočino. Tekoči kristali, ki nastanejo pri segrevanju, se imenujejo termotropni. V poznih šestdesetih letih so bile proizvedene organske spojine, ki so bile tekoče kristalne pri sobni temperaturi.

Obstajata dva razreda termotropnih tekočih kristalov: nematski (nitasti) in smektični (mastni ali sluzasti). Nematske tekoče kristale lahko razdelimo v dve kategoriji: konvencionalne in holesterično-nematske (zvite nematike).

Slika 2. TERMOTROPNI TEKOČI KRISTALI, diagram molekularnega pakiranja. V razredu smektikov (z izjemo smektika D) so molekule razporejene v plasteh. Vsaka molekula ostane v svoji plasti, vendar lahko plasti drsijo druga mimo druge. V nematičnih tekočih kristalih se molekule lahko premikajo v vse smeri, vendar njihove osi vedno ostanejo vzporedne druga z drugo. V holesterično-nematskih tekočih kristalih ležijo osi molekul v ravnini plasti, vendar se njihova orientacija spreminja od plasti do plasti, kot v spirali. Zahvaljujoč temu vijačnemu zasuku imajo tanki filmi holesteričnih tekočih kristalov nenavadno visoko sposobnost vrtenja polarizacijske ravnine polarizirane svetlobe. A- smektik; b– nematik; V– holesterični.

1.3 Uporaba.

Razporeditev molekul v tekočih kristalih se spreminja pod vplivom dejavnikov, kot so temperatura, tlak, električna in magnetna polja; spremembe v razporeditvi molekul vodijo do sprememb v optičnih lastnostih, kot so barva, prosojnost in sposobnost vrtenja ravnine polarizacije prepuščene svetlobe. (Pri holesterično-nematskih tekočih kristalih je ta sposobnost zelo velika.) Na vsem tem temeljijo številne aplikacije tekočih kristalov. Na primer, odvisnost barve od temperature se uporablja za medicinsko diagnostiko. Z nanašanjem določenih materialov s tekočimi kristali na pacientovo telo lahko zdravnik zlahka prepozna obolela tkiva po barvnih spremembah na mestih, kjer ta tkiva ustvarjajo povečano količino toplote. Temperaturna odvisnost barve vam omogoča tudi nadzor nad kakovostjo izdelkov, ne da bi jih uničili. Če se kovinski izdelek segreje, bo njegova notranja napaka spremenila porazdelitev temperature na površini. Te napake prepoznamo po spremembi barve materiala tekočih kristalov, nanesenega na površino.

Tanki filmi tekočih kristalov, zaprti med steklom ali listi plastike, so našli široko uporabo kot indikatorske naprave (z uporabo nizkonapetostnih električnih polj na različne dele ustrezno izbranega filma je mogoče dobiti vidne figure, ki jih tvorijo npr. , prozorna in neprozorna območja). Tekoči kristali se pogosto uporabljajo pri izdelavi ročnih ur in majhnih kalkulatorjev. Ustvarjajo se ploski televizorji s tankimi zasloni s tekočimi kristali. Relativno nedavno so bila pridobljena ogljikova in polimerna vlakna na osnovi tekočih kristalnih matric.

2.LCD monitorji

Naše poznavanje zaslonov s tekočimi kristali traja že vrsto let, njegova zgodovina pa sega v predračunalniško dobo. Če danes človek pogleda na ročno uro, preveri stanje tiskalnika ali dela s prenosnim računalnikom, se neizogibno sreča s pojavom tekočih kristalov. Poleg tega ta tehnologija posega v tradicionalno domeno CRT monitorjev – namiznih zaslonov za osebne računalnike.

Tehnologija LCD temelji na uporabi takšne značilnosti svetlobe, kot je polarizacija. Človeško oko ne more razlikovati med stanji polarizacije valov, vendar nekatere snovi (kot so polaroidni filmi) prepuščajo svetlobo samo določene polarizacije. Če vzamete dva polaroida - enega, ki blokira svetlobo z navpično polarizacijo, drugega z vodoravno polarizacijo, in ju postavite nasproti drugega, potem svetloba ne bo mogla preiti skozi tak sistem (slika 3).

Slika 3. Polarizacija svetlobe.

S selektivnim vrtenjem polarizacije svetlobe v reži med filmoma bi lahko oblikovali svetleča in temna področja – piksle. To je mogoče, če uporabite ploščo, posejano z optično aktivnimi kristali (tako se imenujejo, ker lahko zaradi lastnosti svojih asimetričnih molekul spreminjajo polarizacijo svetlobe).

Toda zaslon pomeni dinamičen prikaz informacij in navadni kristali nam tu ne morejo pomagati. Njihovi tekoči kolegi pridejo na pomoč. Tekoči kristali so tekočine, za katere je značilen določen red razporeditve molekul, zaradi česar se pojavi anizotropija mehanskih, magnetnih in, kar je za nas najbolj zanimivo, električnih in optičnih lastnosti.

Zaradi anizotropije električnih lastnosti in prisotnosti fluidnosti je mogoče nadzorovati prednostno orientacijo molekul in s tem spremeniti optične lastnosti kristala. In imajo izjemno lastnost – zaradi specifične podolgovate oblike molekul in njihove vzporedne postavitve so zelo učinkoviti polarizatorji. Zdaj pa začnimo preučevati osnovno različico LCD zaslonov - na zvitih nematskih kristalih (Twisted Nematic - TN).

2.1 TN – kristali.

Dejstvo, da se molekule nematskega tekočega kristala postavijo v vrsto kot vojaki na paradi, je posledica anizotropije njihovih interakcijskih sil. V prostem tekočem kristalu je z makroskopskega vidika nemogoče napovedati položaj usmerjevalnika, zato je nemogoče vnaprej določiti, v kateri ravnini bo polariziral svetlobo.

Izkazalo se je, da je zelo preprosto dati molekulam eno ali drugo orientacijo; samo narediti morate ploščo (prozorno za naše namene, na primer steklo) s številnimi mikroskopskimi vzporednimi utori (njihova širina mora ustrezati najmanjši velikosti element slike, ki se oblikuje).

Tekoči kristali so anizotropne tekočine, ki so sestavljene iz molekul, ki ohranjajo določen vrstni red v svoji razporeditvi glede na drugo. (Anizotropija je odvisnost fizikalnih lastnosti snovi od smeri.) Na primer, atomi v molekulah se lahko nahajajo vzdolž določene osi in takšne podolgovate molekule so usmerjene v tekočem kristalu, kot v trdnem kristalu, vzdolž posebne osi. smer. Posebne smeri v tekočih in trdnih kristalih imenujemo optične osi, saj je njihov obstoj povezan z izjemnimi optičnimi lastnostmi teh materialov (dvolomnost, rotacija ravnine polarizacije svetlobe itd.). Za razliko od trdnih kristalov, kjer so optične osi togo pritrjene, lahko pri tekočih kristalih smeri optičnih osi enostavno spreminjamo z električnim poljem. Za nadzor optičnih lastnosti tekočih kristalov so potrebne zelo nizke napetosti.

Električni dipol vzdolž dolge osi nastane veliko lažje kot vzdolž kratke osi, tj. z drugimi besedami, elektronski oblak se zlahka premika glede na pozitivno jedro vzdolž molekule in s težavo čez njo. Tako nastane par sil, ki ustvari navor, ki zasuka molekulo tako, da je njena dolga os usmerjena vzdolž polja E.

Če bi se tekočekristalni medij neomejeno raztezal v vse smeri, bi optično os vrtelo poljubno šibko polje. V resnici ima plast tekočih kristalov končno debelino (približno 0,01 mm) in razmeroma togo usmerjenost molekul na trdni površini, ki omejuje plast. Zato pride odklonski učinek polja v nasprotje s stabilizacijskim učinkom elastičnih sil. Pravzaprav se odstopanje optične osi v plasti tekočega kristala začne, ko navor električnih sil postane večji od obnovitvenega momenta elastičnih sil. Obstaja določen prag potencialne razlike (približno 1 V), nad katerim ni več težko nadzorovati optične osi v različnih tekočekristalnih indikatorjih.

To je razloženo z dejstvom, da so vse molekule tekočih kristalov medsebojno povezane in usmerjene na enak način, in dovolj je, da zavrtite eno od njih, da celotna skupina molekul spremeni svojo orientacijo.

Vpadna svetloba je polarizirana z zgornjim polarizatorjem, gre skozi stekleno ploščo in vstopi v plast tekočih kristalov. Če je električni tokokrog odprt, kot na poti levega svetlobnega žarka, potem se na tem mestu ohrani spiralna orientacija optične osi. Zato se ob prehodu levega žarka svetlobe njegova polarizacija vrti v skladu z vrtenjem optične osi. Na izstopu iz plasti in spodnje steklene plošče bo ta rotacija 90°, polarizacija svetlobe pa sovpada z osjo spodnjega polarizatorja. Posledično bo levi žarek šel skozi polarizator, se odbil od ogledala in potoval do konca v nasprotni smeri. To območje indikatorja se opazovalcu zdi svetlo.

Na sosednjem desnem delu indikatorja preide žarek svetlobe v trenutku, ko je tokokrog sklenjen na številko 8. Polarizirana svetloba, ki vstopi v plast tekočih kristalov, se bo tu srečala z navpično usmerjeno optično osjo. Tako električno polje vrti molekule, ki so dobro polarizirane vzdolž dolge osi. Zato bo svetloba prešla skozi plast pod segmentom številke 8, ne da bi spremenila svojo polarizacijo, srečal pa jo bo spodnji polarizator, katerega os je pravokotna na polarizacijo svetlobe. Posledično ta žarek svetlobe ne bo dosegel ogledala, saj se bo med potjo absorbiral in se ne bo vrnil k opazovalcu - številka 8 bo na svetlem ozadju videti temna.

Tako so razporejeni alfanumerični kazalniki v kalkulatorjih, elektronskih prevajalnikih, lestvicah merilnih inštrumentov in nastavitvenih lestvicah, raznih prikazovalnikih itd. Zasloni (zasloni) iz tekočih kristalov z velikim številom segmentov – elektrod in zapletenim elektronskim krmilnim vezjem služijo kot televizijski zasloni, pretvorniki slike (naprave za nočno opazovanje), sredstva za krmiljenje svetlobnega žarka v hitrih elektronskih računalnikih.

Nekatere snovi v tekočem kristalnem stanju se lahko med seboj mešajo in tvorijo tekoče kristale z različnimi strukturami in lastnostmi. To širi obseg njihove uporabe v tehnologiji.

Uvod

Odkritje tekočih kristalov

Pojem in klasifikacija tekočih kristalov

Lastnosti tekočih kristalov

1 Viskoznost in gostota tekočih kristalov

2 Optične in elektrooptične lastnosti

3 Spominski učinek

4 Diamagnetne lastnosti

5 Dielektrične lastnosti

6 Akustooptične lastnosti

Uporaba tekočih kristalov

Zaključek

Bibliografija

Uvod

Konec 19. stoletja so odkrili snovi, katerih lastnosti notranje zgradbe v tekočem stanju so imele lastnosti, značilne tako za tekočino kot za trdno snov.

To stanje snovi se je imenovalo mezomorfni,kar pomeni stanje z vmesno strukturo in snovi - tekoči kristali.Zdelo se je, da to ime ne drži, kar je povzročilo veliko polemik. Snov v tekočem stanju ima fluidnost in zavzame obliko posode, v kateri se nahaja. Usmerjenost molekul v tekočini, tudi če se pojavi, ima vrstni red kratkega dosega v območju več molekularnih plasti. Nasprotno, v trdnem kristalu so molekule strogo usmerjene po celotnem volumnu in imajo urejenost na velike razdalje. Tekoči kristali pa so snovi, ki imajo pri danih temperaturnih pogojih značaj tekočine in trdne snovi. Pojavijo se precej pogosto.

Dovolj je reči, da je od dvesto na novo sintetiziranih snovi vsaj ena tekočekristalna.

Zakaj so potrebni tekoči kristali? V vsakdanjem življenju se srečujemo z urami, termometri, ploskimi televizijskimi zasloni, prevajalskimi slovarji in številnimi drugimi sodobnimi elektronskimi tehničnimi in gospodinjskimi napravami ter napravami s tekočimi kristali.

Znanstveno zanimanje za tekoče kristale je posledica možnosti njihove učinkovite uporabe v številnih industrijskih sektorjih. Uvedba tekočih kristalov pomeni stroškovno učinkovitost, enostavnost in priročnost.

Leta 1988 je znanstvena skupnost praznovala stoletnico odkritja tekočih kristalov - novega agregatnega stanja. Pred skoraj 100 leti so znanstveniki odkrili, da imajo snovi v tekočem kristalnem stanju fluidnost običajnih tekočin, hkrati pa so njihove optične lastnosti osupljivo podobne lastnostim trdnih kristalov.

1. Odkritje tekočih kristalov

Leta 1888 botanik Reinitzer je objavil svoja opažanja o obnašanju holesteril benzonata, ki ga je sintetiziral ob spremembi temperature. Kristali te snovi so se stopili pri temperaturi 145,5 °C in se spremenili v motno tekočino. Ta tekočina je ob nadaljnjem segrevanju postala prozorna pri 178,5 °C in je ostala nespremenjena z nadaljnjim zviševanjem temperature. Med ohlajanjem se je pri 178,5°C v tekočini pojavila modrikasta barva, ki je hitro izginila in tekočina je postala motna. Ko je temperatura dosegla 145,5°C, se je ta barva ponovno pojavila, nakar je prišlo do kristalizacije.

Poleg čudovite barve je v tej snovi odkril še vrsto nenavadnih lastnosti. Holesteril benzonat se je talil v dveh stopnjah: najprej je nastala motna tekočina, pri nadaljnjem segrevanju pa je nastala prozorna talina. Motna tekočina, opazovana skozi polarizacijski mikroskop, je bila videti kot dvofazni sistem. Ena faza je predstavljala svetlo obarvano ozadje, na katerem so bile jasno vidne "mastne brazde". - tanki curki različne faze. Svetlo obarvano ozadje, ki je ob segrevanju spreminjalo barvo, je bilo tudi dvolomno in je vrtelo ravnino polarizacije svetlobe. Ko se je prozorna talina ohladila, se motna tekočina ni pojavila takoj. Sprva so nastajali zvezdasti agregati, ki so šele z nadaljnjim ohlajanjem prešli v fazo z »oljnatimi žlebovi«.

Reinitzer je verjel, da je v stanju motne tekočine ena od faz očitno kristalna. Samo s tem je lahko razložil prisotnost dvojnega loma v tej fazi, ki je značilna samo za kristale. Vendar Reinitzer te zmesi ni mogel ločiti in je svoj pripravek poslal znanemu nemškemu fiziku O. Lehmannu.

Reinitzerjeve vzorce je pregledal fizik Lehmann v polarizacijskem mikroskopu in ugotovil, da proučevana tekočina v motnem stanju kaže optično anizotropijo. P-azoksifenetol, amonijev oleat in etilni ester p-azoksibenzojske kisline, ki jih je preučeval v določenih temperaturnih območjih, so imeli po eni strani lastnosti tekočine, po drugi strani pa zaradi optične anizotropije lastnosti tekočine. trdna. V proučevanih vzorcih je Lehmann ugotovil prisotnost mikrozon s spontano optično anizotropijo, kar ga je prepričalo, da gre za novo, doslej neznano agregatno stanje, ki ga je poimenoval tekoče kristalno. Sprva je Lehmann zmotno verjel, da imajo snovi v tem stanju zelo gibljivo tridimenzionalno kristalno mrežo. Nekateri eksperimentatorji, ki so preučevali te snovi, so verjeli, da imajo opravka z emulzijami, ki močno sipajo svetlobo, drugi pa, da so v snoveh nastali mikrokristali, obdani s filmom.

Izraz tekoči kristali je skoval Lehmann. Ta izraz temelji na privlačnosti kombinacije dveh nasprotnih besed - tekočega in kristalnega, ta izraz se je dobro uveljavil. Šele trideset let kasneje se je pojavil še en, danes prav tako razširjen izraz - mezomorfno stanje (če govorimo o fazi, mezofazi), ki ga je uvedel francoski fizik Friedel in ga oblikoval iz grške besede "mesos" - vmesno.

Dandanes se izraz tekoči kristal najpogosteje uporablja za kemično snov, ki lahko v določenem temperaturnem območju tvori mezofazo.

Tekoči kristali so bili odkriti pred skoraj sto leti, vendar so jih začeli intenzivno proučevati šele v zadnjih dvajsetih letih. Še več, njihova študija se je razvijala s hitrostjo, ki bi jo še danes morali šteti za hitro.

Če je bilo namreč v šestdesetih letih število člankov v znanstvenih revijah in patentov, posvečenih tekočim kristalom, le nekaj deset na leto, se je že v drugi polovici sedemdesetih let njihovo število letno približalo tisoči. Z leti je bilo sintetiziranih več tisoč novih tekočih kristalov, vključno s številnimi praktično pomembnimi, in nastala je industrija, ki proizvaja tekoče kristale. Tekoči kristali so našli veliko aplikacij – od kromatografije do televizije; zgrajene so bile tovarne, ki proizvajajo izdelke, ki uporabljajo tekoče kristale. Z leti se je oblikovala fizika tekočih kristalov, ki temelji na teoriji kontinuuma, katere temelja sta bili teorija elastičnosti in hidrodinamika.

2. Pojem in klasifikacija tekočih kristalov

Tekoči kristal - to je specifično agregatno stanje snovi, v katerem hkrati kaže lastnosti kristala in tekočine. Takoj je treba opozoriti, da vse snovi ne morejo biti v tekočem kristalnem stanju. Večina snovi lahko obstaja le v treh dobro znanih agregatnih stanjih: trdno ali kristalno, tekoče in plinasto.

Izkazalo se je, da lahko nekatere organske snovi s kompleksnimi molekulami poleg treh omenjenih stanj tvorijo četrto agregatno stanje -tekoči kristal . To stanje nastane, ko se kristali določenih snovi stopijo. Ko se stopijo, nastane tekoče kristalna faza, ki se razlikuje od običajnih tekočin. Ta faza obstaja v območju od tališča kristala do neke višje temperature, pri segrevanju do katere se tekoči kristal spremeni v navadno tekočino.

V čem se tekoči kristal razlikuje od tekočega in navadnega kristala in v čem jima je podoben? Tako kot navadna tekočina ima tekoči kristal fluidnost in prevzame obliko posode, v kateri je postavljen. V tem se razlikuje od vsem poznanih kristalov. Vendar ima kljub tej lastnosti, ki ga združuje s tekočino, lastnost, značilno za kristale. To je urejenost v prostoru molekul, ki tvorijo kristal. Resda ta urejenost ni tako popolna kot pri navadnih kristalih, a kljub temu bistveno vpliva na lastnosti tekočih kristalov, po katerih se razlikujejo od običajnih tekočin. Nepopolna prostorska urejenost molekul, ki tvorijo tekoči kristal, se kaže v tem, da v tekočih kristalih ni popolnega reda v prostorski razporeditvi težišč molekul, čeprav lahko obstaja delni red. To pomeni, da nimajo toge kristalne mreže. Zato imajo tekoči kristali, tako kot navadne tekočine, lastnost fluidnosti.

Obvezna lastnost tekočih kristalov, ki jih približuje običajnim kristalom, je prisotnost reda v prostorski orientaciji molekul. Ta vrstni red v usmerjenosti se lahko kaže na primer v tem, da so vse dolge osi molekul v vzorcu tekočega kristala usmerjene na enak način. Te molekule morajo imeti podolgovato obliko. Poleg najenostavnejše urejenosti molekularnih osi, omenjene zgoraj, se lahko v tekočem kristalu pojavi bolj zapleten orientacijski vrstni red molekul.

Poleg izraza »tekoči kristali« se že vrsto let uporabljajo tudi drugi izrazi za poimenovanje na novo odkritega agregatnega stanja: tekoči kristali, mezomorfno stanje. Najpogosteje pa se poleg izraza tekoči kristal uporablja ime anizotropna tekočina,in da bi podrobneje poudarili vrsto tekočega kristala, se uporabljajo naslednji izrazi: nematik, smektikoz holesterična tekočina. Tekoče kristale ne pridobivamo samo s taljenjem, ampak tudi z raztapljanjem nekaterih trdnih kristalnih teles. Z naraščajočo koncentracijo raztopina najprej daje smektične, nato nematske in izotropne tekočine. Vendar pa nekatere snovi v ustreznem topilu dajejo le eno vrsto kristalov, na primer holesterične tekoče kristale. Tako dobljeni kristali se imenujejo liotropno,Za razliko od termotropnokristali, pridobljeni s taljenjem trdne snovi snovi.

Tekoče kristale lahko razdelimo v dve skupini: termotropne tekoče kristale in liotropne.

Termotropni tekoči kristali nastanejo s segrevanjem trdne snovi. Obstajajo v določenem območju temperatur in tlakov. Liotropni tekoči kristali so dvo- ali večkomponentni sistemi, ki nastanejo v zmesi amfifilnih molekul in vode ali drugih polarnih topil, ki nadomeščajo vodo.

Razvrstitev tekočih kristalov predlagal Lehmann, nato pa razširil Friedel . V skladu s to klasifikacijo ločimo tri vrste: smektične, nematske in holesterične . Tekoči kristali, vključeni v vsako od teh skupin, se razlikujejo po fizikalnih in predvsem optičnih lastnostih. Ta razlika izhaja iz njihovih strukturnih razlik. Oglejmo si vsako vrsto podrobneje.

Smektična mezomorfna stanje so najprej opazili pri milih (»smegma« - milo v grščini). Notranja in zunanja površina filmov sta pravzaprav smektična plast, ločena v mehurčkih z vodno plastjo. V takih kristalih so podolgovate molekule v obliki cigar ali vreten nameščene vzporedno z njihovimi dolgimi osemi in tvorijo plasti enake debeline, blizu dolžine molekul.

Te tako imenovane smektične plasti ležijo ena nad drugo na enaki razdalji; zlahka drsijo druga za drugo in povzročajo fluidnost tekočega kristala. Molekularne plasti v tipičnih smektičnih tekočih kristalih so mobilne in se zlahka premikajo vzporedno druga z drugo. Temperatura faznega prehoda v mezomorfno stanje je precej visoka. Biti mora takšna, da prekine povezavo med vrstami, vendar ne prekine povezave med molekulami, ki se nahajajo na bližnji razdalji. Če je povezava med molekulami v ločeni plasti delno prekinjena, se snov v plasti obnaša kot dvodimenzionalna. tekočina. Kot naročanje znižanja temperature po plasteh narašča in pri dovolj nizkih temperaturah opazimo urejenost le molekule v plasteh, temveč tudi same plasti in torej njihova medsebojna sosednost. Z nadaljnjim zmanjšanjem temperaturi se pojavi kristalna struktura, tj. lahko nastane trden kristal z najpreprostejšo molekularno zgradbo struktura. Smektične tekoče kristale pogosto imenujemo smektiki.

Nematski tekoči kristali ("nema" - nit v grščini) je značilna prisotnost mikrostruktur v obliki niti, katerih konci so prosti ali povezani s steno posode, v kateri se nahaja preučevana snov. Orientacija molekularnih osi v teh kristalih je vzporedna, vendar ne tvorijo ločenih plasti. Dolge osi molekul ležijo vzdolž črt, vzporednih z določeno smerjo, njihova središča pa so naključno nameščena. Imenujemo tudi nematske tekoče kristale nematika.

Holesterični tekoči kristali , ali holesteriki (iz imena snovi holesterol), sestavljeni iz kiralnih molekul.

Sem sodijo predvsem derivati holesterola. Sam holesterol ne proizvaja mezofaze. Pri holesteričnih tekočih kristalih so molekule razporejene po plasteh, kot pri smektikih, vendar so dolge osi molekul vzporedne z ravnino plasti in njihova razporeditev znotraj plasti bolj spominja na nematik. Plasti v holesteričnih kristalih so tanke in monomolekularne. Vsaka molekula ima ravninsko konfiguracijo in stransko metilno skupino CH3, ki se nahaja nad ali pod ravnino. S to konfiguracijo atomov V molekul sledi smer orientacije dolgih osi molekul v vsak naslednji sloj odstopa za 15 ločnih minut glede na prejšnji sloj. Ta odstopanja se seštejejo po celotni debelini snovi, kar vodi v nastanek spiralne molekularne strukture holesterskega tekočega kristala.

Holesterični tekoči kristali so po strukturi podobni nematikom, vendar imajo bistveno razliko. Sestoji iz dejstva, da je v holesteriku, brez zunanjih vplivov, enakomerna orientacija optične osi energijsko neugodna. Molekule holesterola so lahko razporejene vzporedno druga z drugo (kot v nematiku) v tankem monosloju, vendar morajo biti v sosednji plasti kiralne molekule zasukane za določen majhen kot: energija tega stanja se izkaže za nižjo kot pri enotna orientacija osi. V nizu takšnih nematskih monoslojev se os postopoma vrti od plasti do plasti in tvori desni ali levi vijak v prostoru, imenovan tudi twist orientacija optične osi.

Kotiček med vektorji sosednjih monoslojev in razmikom vijakov Zapri holesterikih je mogoče grobo oceniti na podlagi preprostih predpostavk. Očitno je, da je manjši kot (Kje kot med vektorji sosednjih monoslojev) manjša je energija interakcije med vijačnim delom molekule in sosednjo molekulo in večja je interakcija med glavnimi ravnimi deli molekul. Ker, grobo rečeno, spiralni odsek vsebuje en atom, ravni odsek pa 100, je razmerje teh interakcijskih energij približno 0,01. Zato kot znaša stotinke polnega vrtljaja.

Holesteriki so svetlo obarvani in že najmanjša sprememba temperature (do tisočink stopinje) povzroči spremembo koraka spirale in s tem spremembo barve tekočega kristala.

Modre faze . To ime so zaradi svoje barve dali stanjem snovi, ki vsebuje kiralne molekule, ki obstajajo v ozkem temperaturnem območju reda 1 0med izotropno tekočo in holesterično fazo. Že dolgo navdušujejo raziskovalce, saj njihove strukture ni bilo mogoče razvozlati. Modre faze so optično izotropne, imajo kubično prostorsko strukturo in imajo optično aktivnost. Velikost enote celice je običajno večja od koraka holesterskega vijaka.

Razlogi za te značilnosti modrih faz so zdaj razumljeni. V bistvu takšna stanja kiralne snovi dokazujejo možnost tvorbe tridimenzionalnih struktur, ko se na holesterično orientacijsko vijačnico nanesejo dodatne modulacije v treh dimenzijah s periodo, ki ni enaka koraku prvotnega vijaka. Te nove kubične superstrukture, tako kot enodimenzionalno holesterično, bi lahko imenovali nesorazmerne, to je, da imajo prostorske periode, ki niso večkratnik molekulskih velikosti l. Informacije o kubični strukturi modrih faz zagotavljajo eksperimentalni podatki o Braggovem sipanju v vidnem območju spektra. Pri razlagi nenavadnih lastnosti modrih faz igrajo pomembno vlogo razmišljanja Brazovskega in Dmitrieva, da je v takih sistemih tako imenovani red molekul na kratkem dosegu, to je organizacija molekulskih skupin na relativno kratki razdalji. JAZ,imenujemo korelacijski radij.

3. Lastnosti tekočih kristalov

.1 Viskoznost in gostota tekočih kristalov

Prvič je Schenk izmeril viskoznost snovi, ki so lahko v tekočem kristalnem stanju. Kapilarna metoda je omogočila merjenje viskoznosti holesteril benzoata in n-azoksianizola. Izkušnje so pokazale, da se viskoznost mezofaze z naraščajočo temperaturo zmanjšuje, vendar pri temperaturah blizu prehoda nematske faze v izotropno stanje hitro narašča in doseže maksimum. Z nadaljnjim zviševanjem temperature v izotropnem stanju se viskoznost monotono zmanjšuje.

Poznejše delo z drugimi snovmi je prav tako pokazalo nenadno povečanje viskoznosti v bližini izotropno-nematskih in izotropno-holesteričnih prehodov. Oblika krivulj se izkaže za drugačno. V nekaterih primerih je maksimum na krivulji simetričen; v drugih se viskoznost spreminja zelo gladko, ko doseže največjo vrednost. Ugotovljeno je bilo, da je viskoznost nematske faze, na primer n-azoksianizola, zelo nizka, le malo višja od viskoznosti vode pri sobni temperaturi. Viskoznost smektične faze je znatno višja od viskoznosti nematske in holesterične faze. Na žalost je objavljenih zelo malo del, povezanih s to vrsto mezofaz. Znano je, da se v smektični fazi, ki ima slojevito strukturo, viskoznost v dveh smereh (vzdolž plasti in pravokotno na plasti) izkaže za različno. Prekinitve v spremembi viskoznosti opazimo tudi med prehodi znotraj tekoče kristalne faze. Tako ima etil n-(4-metoksibenziliden-di-amino)cinamat tri mezofaze.

Številne meritve so pokazale anizotropijo viskoznosti v tekočih kristalih. Študije, izvedene v magnetnem polju za n-azoksianizol pri 122 °, so dale tri vrednosti koeficienta viskoznosti:

) molekule mezofaze so vzporedne s smerjo toka tekočih kristalov v kapilari, = 0,024;

) so molekule vzporedne z gradientom hitrosti toka, = 0,092;

) so molekule pravokotne na vektor hitrosti in vektor gradienta hitrosti izpušnih plinov, = 0,034. Zanimivo je omeniti, da , se je izkazalo, da je manjša od viskoznosti izotropne tekočine.

Nenadna sprememba viskoznosti v območju faznih prehodov znotraj tekoče kristalne faze je očitno posledica motnje v molekularni organizaciji, ki je še posebej močna na točkah faznega prehoda in nastopi nenadoma. Podobne spremembe se dogajajo v razpršenih sistemih.

V zvezi s tem je bilo zanimivo merjenje hitrosti širjenja in absorpcije zvoka. Znano je, da je hitrost zvoka (ali adiabatna stisljivost) ena od fizikalnih značilnosti snovi. Mezofaza, ki ima lastnosti tekočine, kaže strižno in skupno viskoznost, katere kvantitativno merilo je absorpcija ultrazvoka.

Martyanova in Kapustin sta preučevala odvisnost hitrosti in absorpcije ultrazvoka od temperature v etilnem estru 4-anisalamincimetne kisline, ki ima eno nematsko in dve smektični modifikaciji. Impulzna ultrazvočna merilna metoda, uporabljena pri frekvenci 7 MHz,ni vseboval nobenih posebnosti. Natančnost merjenja hitrosti zvoka zje bil 0,5 %, absorpcijski koeficient 7%.

Koeficient absorpcije zvoka v intervalu med prehodnimi točkami počasi narašča s temperaturo in je podvržen skokom v območju vsakega faznega prehoda.

Izkušnje kažejo, da v območju faznih prehodov opazimo spremembo temperaturnega koeficienta hitrosti zvoka. Gostota snovi se v celotnem temperaturnem območju zelo malo spreminja. Zato so nenormalne spremembe lastnosti mezofaze očitno posledica tvorbe molekulskih skupin - rojev, ki ustvarjajo elastično heterogenost snovi. Velikosti rojev niso konstantne. Ko se temperatura zniža, se povečajo in ohranjajo red na dolge razdalje v razporeditvi molekularnih osi. Tako se proces uničenja strukture mezofaze odvija v več fazah. Strukturne spremembe v mezofazi povzročijo močno spremembo stisljivosti in s tem hitrosti ultrazvoka.

Ostwald je poskušal ugotoviti povezavo med temperaturnimi spremembami viskoznosti v tekočih kristalih in koloidnih mešanicah. Analogija v temperaturnih odvisnostih je pokazala, da sta nematska in holesterična faza razpršeni, kar je značilno za koloide. Pokazal je tudi, da se anomalna ali strukturna viskoznost, ki je bila takrat znana v grobo dispergiranih sistemih, kaže tudi v tekočih kristalih. Po Lawrenceu, čeprav analogija v obnašanju koloidov in mezofaz ne more biti popolna, je študija viskoznosti nematskih faz pomembna za potrditev koncepta obstoja rojev. Če dejansko obstajajo v različnih vrstah mezofaz, potem postane jasno, da sistemi kažejo nekatere lastnosti koloidov. Vendar pa je Lawrence verjel, da se pojav nenormalno visoke viskoznosti tik pred faznim prehodom težko šteje za značilno lastnost same mezofaze. Nenadne velike spremembe viskoznosti v bližini točke prehoda lahko povzročijo turbulentni učinki v anizotropni talini. Nekaj potrditev tega lahko vidimo v dejstvu, da med prehodom med bolj viskozno smektično fazo in izotropno tekočino ni vrha viskoznosti. Poleg tega je znano, da je višina vrha za izotropno-holesterične prehode odvisna od hitrosti pretoka.

Pri izdelavi hidrodinamične teorije nematskih tekočih kristalov je treba upoštevati vpliv magnetnega polja na obnašanje medija. Študija vpliva magnetnega polja na koeficiente viskoznosti in toplotne prevodnosti je pokazala, da je treba zaradi šibke magnetizacije tekočih kristalov vpliv polja upoštevati le pri zelo velikih zunanjih poljih, reda velikosti 10 4-105 uhin višje. V tako visokih poljih je os anizotropije nematskih tekočih kristalov skoraj vzporedna z magnetnim poljem (z ne prevelikimi hidrodinamičnimi gradienti toka)

Manjše število del je bilo posvečenih merjenju gostote tekočih kristalov.

Vorländer je proučeval odvisnost gostote n-azoksianizola od temperature. Povečanje gostote v območju izotropno-nematskega prehoda je bilo 0,26 %. Glede na delo je sprememba gostote med izotropno-nematskim prehodom v čistem n-azoksianizolu 0,36 %. Ko se trdni kristali stopijo, se gostota spremeni 30-krat bolj kot med izotropno-nematskim prehodom. Študija temperaturne odvisnosti gostote etil-anisal-n-aminocinamata je pokazala zanimive značilnosti. Odsotnost nenormalnega variiranja gostote v območju izotropno-nematskega prehoda je zelo dvomljiva. V območju nematsko-smektičnega prehoda gostota narašča z nižanjem temperature. Njegova relativna sprememba je približno 1 %. Z nadaljnjim znižanjem temperature se gostota linearno povečuje.

Na splošno lahko rečemo, da je preučevanje odvisnosti gostote od temperature kompleksen proces, pri katerem igrajo vlogo individualnost snovi, njena čistost in skrbno termostatiranje.

3.2 Optične in elektrooptične lastnosti

Spontana orientacija molekul v tekočih kristalih povzroči, da te snovi pokažejo optično dvolomnost, ki je značilna za nekatere trdne kristale. Svetloba, ki prehaja skozi enakomerno urejene plasti tekočih kristalov, se razdeli na dva žarka: izredni, katerega smer polarizacije sovpada s smerjo optične osi tekočega kristala, in navaden, s smerjo polarizacije, ki je pravokotna na to os. Šteje se kristal optično pozitivno,če n e -n 0>0 in optično negativno, če pe- n 0<0; pe in n 0- lomni količniki izrednih in navadnih žarkov.

Nematski in smektični tekoči kristali so optično pozitivni in smer dolgih osi molekul sovpada s smerjo optične osi. Holesterični tekoči kristali, pri katerih so dolge osi molekul pravokotne na os holesterične vijačnice, ta pa vzporedna z optično osjo vzorca, so optično negativni. Ta lastnost pogosto služi kot merilo za razlikovanje holesteričnih tekočih kristalov od smektičnih.

Predznak dvolomnosti in smer optične osi v vzorcu tekočega kristala, tako kot v trdnem kristalu, lahko določimo z opazovanjem v mikroskopu v konvergentni svetlobi.

Orientirane plasti tekočih kristalnih holesterikov, nematikov in smektikov Aoptično enoosni, tj. za tekoče kristale je značilna samo ena smer, v kateri svetloba prehaja z enako hitrostjo ne glede na stanje polarizacije. V smektikih ZObstajata dve taki smeri; Dvoosno stanje lahko dobimo z deformacijo holesteričnih in nematskih tekočih kristalov.

Dvolomnost nematikov se monotono zmanjšuje z naraščajočo temperaturo in strmo pade na nič na točki faznega prehoda v izotropno tekočino. Indeks loma za izjemen žarek pez naraščanjem temperature močno upada , in lomni količnik navadnega žarka je n 0raste počasi.

Dokazano je, da toplotno odvisnost dvolomnosti nematikov določajo disperzijske in odbojne sile. Sistemi tipa "zvit nematik" imajo izjemne optične lastnosti. Takšen sistem dobimo na naslednji način: tekoči kristal postavimo med dve stekleni plošči, katerih površini sta obdelani tako, da je nematska plast orientirana planarno, plošči pa sta zasukani druga glede na drugo za 90°. Zaradi rotacije plošč se optična os nematika deformira (kot je prikazano na sliki). Zasukana nematska plast v vzporednih polaroidih ustvari temno vidno polje, ker se smer polarizacije svetlobe, ki prehaja skozi kristalno plast, obrne za n/2. Bolj temeljit poskus Hooka in Tarryja je pokazal, da je svetloba, ki gre skozi plast zvitega nematika, polarizirana vzdolž elipse - vidno polje ni popolnoma zatemnjeno.

Ker je zvita nematska plast podobna plasti holesterola z relativno velikim korakom, sta Hooke in Tarry uporabila metodo Azzama in Basharja in dobila naslednji izraz za intenziteto I svetlobe, prepuščene skozi zvit nematik:

kjer jaz 0- jakost vpadne svetlobe; d - debelina vzorca; - valovna dolžina. Analiza dobljenih podatkov kaže, da je popolna ekstinkcija značilna le za nekatere valovne dolžine. Za velike vrednosti XEliptičnost svetlobe lahko zanemarimo in predpostavimo, da je smer polarizacije svetlobe zasukana za 90° ne glede na valovno dolžino. Tekoči kristali tipa Smectic A,molekule, v katerih so poravnane pravokotno na smektične ravnine, so optično enoosne. Smektični kristali tipa C, za katere je značilna usmerjenost molekul poševno glede na ravnino plasti, so po mnenju nekaterih avtorjev optična biaksialnost smektikov tipa Zposledica anizotropije parametra reda in njihove strukture "ribje kosti". Najbolj zanimive optične lastnosti imajo holesterični tekoči kristali. Holesteriki so za razliko od nematikov in smektikov optično negativni (Pe- n 0<0). Они одноосны. Их замечательными оптическими свойствами, которые характерны для твердых кристаллов в диапазоне рентгеновского излучения, являются очень сильная (большая, чем для всех известных веществ) способность вращать плоскость поляризации, и селективное отражение света. Эти исключительные_ свойства жидких кристаллов холестерического типа - следствие их спиральной структуры и того, что длина шага холестерической спирали сравнима с длиной волны видимого света. Распространение света в холестерических жидких кристаллов изучалось многими авторами как теоретически, так и экспериментально. Теория Озеена и де Ври хорошо обьясняет оптические свойства холестериков для случая, когда направление света перпендикулярно ориентированным слоям.

3.3 Učinek spomina

Motno stanje, ki ga povzroča prisotnost ionskega toka v tekočem kristalu (pojav dinamičnega sipanja svetlobe), izgine približno 100 ms po odstranitvi polja. Heilmeyer in Goldmacher sta opazila, da mešanice nematikov z negativno dielektrično anizotropijo z več masnimi deleži holesteril estrov obdržijo motno stanje še dolgo po odstranitvi polja. Čas, v katerem vzorec sipa svetlobo, je od nekaj ur do nekaj tednov. Zelo pomembno je, da lahko mlečno motnost tanke plasti enostavno in hitro pogasimo z dovajanjem izmenične napetosti na vzorec s frekvenco od 500 do 2000 Hz.

Ta pojav je bil imenovan spominski učinek.Shema delovanja spominskega elementa: ta element je sestavljen iz dveh vzporednih plošč, prevlečenih s prevodno plastjo, med katerima je nameščena mešanica tekočih kristalov. Prvotno usmerjena in prozorna plast tekočih kristalov postane mlečno bela, ko se nanese polje. To stanje (»zapis«) ostane v celici po odstranitvi polja več dni in celo mesecev. Izmenična napetost akustične frekvence izbriše posnetek. Snemanje v pomnilniške celice se izvaja z nizkofrekvenčno izmenično napetostjo ali enosmerno napetostjo 20-30 V. Brisalna napetost akustične frekvence je istega reda. Frekvenca brisalne izmenične napetosti mora biti višja od določene kritične vrednosti, nad katero ne nastanejo elektrohidrodinamične nestabilnosti. Vrednost kritične frekvence je sorazmerna z električno prevodnostjo tekočega kristala.

3.4 Diamagnetne lastnosti

Magnetno polje je odlično sredstvo za orientacijo molekul nematske strukture. Njegov učinek neposredno vpliva na skoraj celoten prostor, ki ga zaseda polje. Molekule organskih snovi so največkrat diamagnetne. Nastanejo v njih v magnetnem polju Hmagnetni moment je usmerjen nasprotno H. Ta učinek je še posebej opazen pri aromatskih spojinah, ki vsebujejo benzenove obroče. Če je ravnina obroča pravokotna na smer magnetnega polja, se ogljikovi atomi, ki se nahajajo na vrhovih šesterokotnika, obnašajo kot prevodna tuljava, v kateri pod vplivom polja Ninducira se protitok.

Oglejmo si nekaj pojavov v tekočih kristalih v stalnem magnetnem polju.

Bose je obravnaval nematsko fazo, sestavljeno iz velikega števila skupin molekul, zaradi česar je bila videti motna v razsutem stanju. Pokazal je, da anisaldazin postane prozoren v magnetnem polju. Mogen je z opazovanjem dvolomnosti v n-azoksianizolu in n-azoksifenetolu ugotovil, da delovanje dovolj močnega magnetnega polja povzroči orientacijo molekul, zaradi česar njihove osi dobijo smer, vzporedno s silnicami polja. Upoštevanje teh rezultatov pri proučevanju sprememb e in prevodnost v magnetnem polju. Kast je odkril dielektrično anizotropijo v tekočih kristalih in odvisnost dielektrične konstante n-asksianizola od jakosti magnetnega polja.

Nadaljnji razvoj dela je pripeljal do zaključka, da orientacijskega učinka magnetnega polja na mezofazo ne gre iskati v magnetnih momentih molekul (ali njihovih rojev), temveč v anizotropiji njihovih diamagnetnih lastnosti.

Fua je opozoril na podobnost obnašanja tekočih kristalov v magnetnem polju z obnašanjem feromagnetov med magnetizacijo in predlagal, da so podobno kot domene v feromagnetih v tekočih kristalih zelo majhni volumski elementi, znotraj katerih so molekule vzporedne z drug drugega. V odsotnosti zunanjega polja je smer teh prostorninskih elementov poljubna in za vsak element funkcija časa. Ko se uporabi magnetno polje, pride do njihove orientacije. Treba pa je opozoriti, da kljub uporabnosti zgornje analogije razpoložljivi eksperimentalni podatki ne zadostujejo za presojo, ali se orientacija molekul dogaja znotraj samih skupin – domen. Kar zadeva skupine, se z naraščajočo temperaturo njihova medsebojna usmerjenost zmanjšuje, zato se koeficient magnetizacije poveča v absolutni vrednosti. Eksperimentalni podatki so to pokazali smektični in holesterični tekoči kristali zahtevajo velika polja (10 4 - 3*104 gs).Nekatere od teh snovi ohranijo inducirano orientacijo tudi po odstranitvi polja, kar je povezano z visoko viskoznostjo, ki prispeva k ohranjanju molekularnega reda.

Če povzamemo, lahko izpostavimo pomembne razlike med dielektričnimi lastnostmi nematskih tekočih kristalov na eni strani ter diamagnetnimi in optičnimi na drugi strani. Spuščajo se na naslednje.

Tako diamagnetna kot optična anizotropija sta pozitivni v vseh nematskih tekočih kristalih, v skladu z dejstvom, da je v električnem in magnetnem polju polarizabilnost molekule vzdolž njene dolge osi večja kot vzdolž kratke osi. Dielektrična anizotropija in molarna občutljivost vzdolž osi tekočega kristala in pravokotno nanjo za različne kristale v radiofrekvenčnem območju so lahko tako pozitivne kot negativne.

Ta razlika je razložena z dejstvom, da ima v slednjem pomembno vlogo dipolna polarizacija mezofaze. Če je torej optična in magnetna anizotropija odvisna samo od urejenosti molekularnih osi, potem dielektrično anizotropijo v veliki meri določajo sile orientacijske interakcije molekul, ki preprečujejo vrtenje njihovih togih dipolov v električnem polju. V tem primeru bi moralo biti vrtenje dipola bolj svobodno, ko se pojavi okoli dolge osi molekul, in bolj zavirano, ko se vrti okoli kratke osi. Zato lahko za tiste tekoče kristale, v katerih je dipol nagnjen pod velikim kotom na vzdolžno os, pričakujemo negativno dielektrično anizotropijo.

Kljub velikemu številu del do nedavnega ostaja odprto vprašanje, ali polje deluje neposredno na posamezno molekulo ali pa se v polju pod vplivom rotacijskih sil vrtijo cele molekulske skupine.

V nematski mezofazi lahko pod vplivom magnetnega polja opazimo pojav, podoben magnetnemu učinku. Treba je opozoriti, da električno polje vpliva tudi na rast tekočih kristalov, vendar so ti pojavi malo raziskani.

.5 Dielektrične lastnosti

Pri uporabi električnega ali magnetnega polja se tekoči kristal podvrže nekakšni elastični deformaciji. Deformacija mezofaze je na splošno neenakomerna, saj robovi tekočine, ki mejijo na steklo in so trdno pritrjeni na stene, niso podvrženi deformaciji. Del mezofaze, ki je najbolj oddaljen od žilnih sten, je podvržen največjim deformacijam. Njegova izvirnost je v tem, da je vsak posamezen element, na primer molekula, najprej izpostavljen rotaciji in šele nato morda gibanju, ki se izmika opazovanju, saj se običajno izvaja s polarizirano svetlobo.

Preučevanje dielektričnih lastnosti tekočih kristalov omogoča odkrivanje splošnih vzorcev, ki jih povzroča delovanje električnih polj. Enakomerno usmerjen tekočekristalni pripravek se obnaša kot enoosni kristal, ki kaže, z nekaj izjemami, optično in dielektrično anizotropijo. Za nematske in smektične faze (razen za skupino Dsmektična modifikacija) optična os sovpada s prevladujočo smerjo molekularnih osi in je hkrati smer največje polarizabilnosti.

V nematskem stanju imajo orientirani tekoči kristali dielektrično anizotropijo, ki je posledica superpozicije pozitivne prednapetosti (vzdolž dolžine molekule) z negativno usmerjeno polarizacijo (pravokotno na optično os). Vrednost dielektrične anizotropije je določena s formulo:

e =e ||-e

Kje e ||, e - dielektrične konstante v smeri osi: nematski red in v smeri pravokotno na os. Predznak dielektrične anizotropije je odvisen od tega, katera polarizacija prevladuje, ta pa je določena z velikostjo in smerjo dipolnega momenta.

V nematski fazi medmolekularne sile in oblika molekul prispevajo k vzporedni razporeditvi molekul, pri kateri gibanje molekul v smeri njihove dolžine ni ovirano, kakršna koli odstopanja od vzporednega gibanja pa povzročajo močno nasprotovanje teh sil.

Enakomerno usmerjena plast tekočega kristala ima, tako kot enoosni kristal, dielektrično in optično anizotropijo. V nematskih in smektičnih stanjih smer optične osi sovpada s prevladujočo smerjo molekularnih osi in hkrati s smerjo največje polarizabilnosti. Torej žarek svetlobe, električni vektor Eki niha vzporedno z optično osjo, se lomi močneje kot žarek z nihanji E,pravokotno na optično os. če = pe - p0 > 0, kjer pe in p0 sta lomna količnika izrednega oziroma navadnega žarka, potem opazimo pozitivno dvolomnost. V holesteričnih tekočih kristalih je optična os pravokotna na prevladujočo smer molekularnih osi, zato < 0, т. е. в этом случае имеется отрицательное двулучепреломление.

Lom ali dvolom svetlobe je povezan z gostoto snovi in stopnjo vzporedne razporeditve molekul S, ki jo določa izraz:

Kje φ - kot odklona vzdolžne osi molekule od smeri prednostne orientacije med njenimi termičnimi rotacijskimi vibracijami blizu te smeri, - vrednost, dobljena s povprečenjem vseh molekularnih usmeritev. Stopnja reda S se močno spreminja s temperaturo v nematski fazi, očitno manj v holesterični fazi in še manj v smektični fazi. Zato je temperaturna odvisnost lomnega količnika ali dvolomnosti v nematskem stanju močnejša kot v smektičnem stanju, v katerem ima sprememba gostote pomembnejši učinek.

Obe količini sta e || in e - kažejo značilno disperzijo. Nastane zaradi vzpostavitve ravnotežnega položaja glede na vzdolžno os rotacijskega vektorja prečnega navora azoksi skupine, ki je močno vezana na molekulo, kot tudi glede na dvojno vez srednjega dela molekule. intramolekularni navor alkoksi skupine. Izkazalo se je, da je relaksacijski čas v nematski in izotropni fazi reda velikosti 10 -11 sek.Nasprotno, ugotavljanje vzdolžnega momenta azoksi skupine zaradi vrtenja okoli prečne osi v nematskem stanju je zelo težko. Čas sprostitve je približno 10 -8 sek.

Zelo zanimive rezultate sta dobila Besler in Labes, ki sta preučevala vpliv električnega polja na dielektrične lastnosti in orientacijo molekul v holesteričnih tekočih kristalih. Za mešanico holesteril miristata in holesteril klorida (1,75:1,00 po masi) so izmerili dielektrično konstanto v konstantnem električnem polju in brez njega. Znano je, da takšna zmes pri temperaturi 43° izgubi svoje holesterične lastnosti in se obnaša kot nematska faza s prevodnostjo 10 -12 ohm-1 *cm-1 . Mejne vrednosti električnega polja so omogočile oceno elastičnih modulov upogiba in torzije v odvisnosti od temperature in poljske jakosti v pogojih inducirane motnje spiralne strukture in njenega uničenja med prehodom v nematsko fazo.

.6 Akustooptične lastnosti

Razvoj akustične kristalografije tekoče kristalnega stanja se je šele začel. Nadaljnji predmet te znanosti je povezava med pojavi, kot sta širjenje in absorpcija elastičnih valov v širokem razponu mehanskih vibracij - od infrazvočnih do hiperzvočnih, z mikroskopskimi interakcijami delcev, ki sestavljajo tekoči kristal, in kinetičnimi procesi, ki se pojavljajo. v.

Nenavadni pojavi v polju elastičnega valovanja so posledica gibljivosti molekul in anizotropije tekočih kristalov. Osnova številnih eksperimentalnih študij je celica, ki vsebuje tanko plast tekočega kristala med dvema vzporednima prozornima ploščama, nameščenima med prekrižanima polaroidoma. Površine plošč so pogosto obdelane tako, da v odsotnosti zunanjih vplivov molekule tvorijo homeotropno plast. Takšna plast med prekrižanimi nikolami ne prepušča svetlobe. Ko se v eni od plošč v plasti vzbudijo vibracije različnih vrst, nastane viskozno valovanje. Gradient hitrosti v viskoznem valu povzroči, da se molekule plasti vrtijo, kar povzroči, da del svetlobnega toka preide skozi sistem. Učinkovitost takšne akustično-optične naprave je posledica dejstva, da so zaradi majhne dolžine viskoznega vala gradienti, ki nastanejo v plasti, veliki.

Na mizo ali na štedilnik, kjer je bila droga, so postavili vilice za vibriranje. Pod delovanjem elastičnega valovanja se v homeotropni plasti dveh sekajočih se ravnih črt in dveh hiperbol pojavi interferenčni vzorec, katerega videz je odvisen od točke uporabe vilice in stopnje njenega pritiska na tabela. Frekvenčno območje, v katerem opazimo motnje, je od 200 do 600 Hz. Najostrejša slika je vidna pri 300Hz.

Z vrtenjem nichola se interferenčna slika spremeni, tako da jo je mogoče fotografirati. Zavrti nikljev za 90 0vodi do prvotne oblike.

Nastanek interferenčne figure je posledica spremembe smeri optičnih osi molekul. Sama slika nam omogoča presojo smeri, v kateri se pojavljajo nihanja. Na mestu, kjer so vidne temne črte, je smer nihanja optičnih osi molekul pravokotna ali vzporedna s smerjo polarizacijske ravnine.

Med stiskanjem, torzijo in strižno deformacijo opazimo akustično-optične pojave. Učinek čiščenja plasti je še posebej opazen na mejah zračnih mehurčkov, ki so se po nesreči ohranili v tanki plasti. Deformacija plasti je elastična. Čas, potreben, da se plast vrne v prvotno stanje, je odvisen od velikosti uporabljene zunanje sile. Pri šibkem stiskanju je čas sprostitve zelo kratek in za oko se proces obnove plasti pojavi skoraj v trenutku. Če je močan, postopek traja nekaj sekund. Čas obnovitve plasti je odvisen od viskoznosti nematske faze in debeline relaksacijske plasti. V odsotnosti tesnjenja plasti se optični učinek opazi le, ko se zunanji tlak spremeni iz P v P+ P. Konstanten pritisk, tudi če je zelo velik, povzroči, da se plast očisti šele z začetnim sunkom, po katerem se plast vrne v prvotno stanje. V zaprti celici delovanje konstantnega tlaka ustreza določeni deformaciji plasti, ki ustreza učinku dvolomnosti.

Obstaja barvni učinek: določena količina mehanskega impulza ustreza videzu določene barve. Sprememba urejenosti delcev zaradi zunanjih sil zaostaja za spremembo zunanjega tlaka, saj je povezana s prerazporeditvijo delcev oziroma prerazporeditvijo njihove relativne orientacije, torej s procesi, ki zahtevajo določen čas.

Akustično-optični učinek je opazen v celotnem temperaturnem območju obstoja nematske faze. V smektični fazi in v izotropnem stanju ni učinka. To je posledica dejstva, da mehanske napetosti v tankem sloju mezofaze povzročajo tokove snovi, o obstoju katerih lahko sodimo po obnašanju majhnih tujkov, ki glede na velikost zunanje sile in lastne razsežnosti nastanejo zaradi pretoka snovi. se premaknejo na različne razdalje od začetnega položaja. Ti tokovi so dovolj za spremembo smeri molekularnih osi. V smektični mezofazi so molekule ne le vzporedne druga z drugo, ampak se tudi njihovi konci nahajajo v isti ravnini in tvorijo plasti, ki zlahka drsijo druga čez drugo, tako da tokovi samo izpodrivajo plasti smektične faze, medtem ko smer osi molekul je ohranjena.

Akustično-optični učinek je nelinearno odvisen od mehanskega impulza in narašča z naraščanjem njegove vrednosti, pri čemer se približuje nasičenosti. V realnih pogojih prehaja svetloba skozi kompleksen sistem tekočih kristalov, katerega stopnja urejenosti je odvisna od temperature. Toplotno gibanje poruši red v razporeditvi molekul. Poleg tega se z naraščajočo temperaturo viskoznost tekočega kristala zmanjšuje. Zato z naraščajočo temperaturo fotoelastični učinek oslabi.

Pri višjih frekvencah in različnih amplitudah zvočnega signala opazimo spremembo prosojnosti plasti tekočega kristala. Z registracijo svetlobnega toka s spreminjanjem komponente polja je mogoče dobiti modulacijo svetlobnega toka.

4. Uporaba tekočih kristalov

LCD televizorji

Ustvarjanje televizorjev s tekočimi kristali je postalo nov zgodovinski mejnik v uporabi tekočih kristalov (LCD). Tovrstni televizorji postajajo vse bolj dostopni za kupce, saj se cene redno znižujejo zaradi izboljšav proizvodnih tehnologij.

Naprava LCD monitor

Ključne značilnosti LCD monitorjev:

Dovoljenje: Horizontalne in navpične dimenzije, izražene v slikovnih pikah, imajo LCD monitorji eno fiksno ločljivost, ostale so dosežene z interpolacijo.

Velikost točke: Razdalja med središči sosednjih slikovnih pik. Neposredno povezana s fizično ločljivostjo.

Razmerje stranic zaslona(format): Razmerje med širino in višino, na primer: 5:4, 4:3, 5:3, 8:5, 16:9, 16:10.

Odzivni čas: Najkrajši čas, ki ga potrebuje slikovna pika, da spremeni svojo svetlost.

Slabosti LCD zaslonov: prisotnost mrtvih slikovnih pik. Nedejavne piksle so piksle, ki so stalno vklopljene v enem stanju in ne spreminjajo svoje barve glede na signal. Za razliko od CRT-jev lahko prikažejo čisto sliko v samo eni (»standardni«) ločljivosti. Ostalo se doseže z interpolacijo z izgubo jasnosti. Poleg tega so ločljivosti prenizke (na primer 320 × 200) na mnogih monitorjih sploh ni mogoče prikazati. Barvna lestvica in barvna natančnost sta nižji kot pri plazemskih ploščah oziroma CRT. Številni monitorji imajo nepopravljive neenakomernosti pri prenosu svetlosti (črtasti prelivi).

Odvisnost kontrasta od vidnega kota še vedno ostaja pomembna pomanjkljivost tehnologije.

Zasloni s tekočimi kristali

Zaključek

Za obstoj tekočih kristalov je bilo znano relativno dolgo nazaj, a mnogi poskusi, ki bi jih lahko izvedli že pred tridesetimi leti, so bili izvedeni šele zdaj. Pomen njihove potencialne uporabe za termografijo in elektrooptične zaslone je bil spoznan šele pred desetletjem. Raziskave v zadnjih letih so pokazale, da je struktura tekočega kristala izjemno gibljiva in labilna: dovolj so že majhni zunanji vplivi, da se spremeni, to pa takoj povzroči spremembo makroskopskih lastnosti snovi. Posledično so tekoči kristali edinstven material, katerega lastnosti je mogoče spreminjati z nadzornimi dejanji.

Tekoči kristali so pridobili veliko vlogo v znanosti in tehnologiji. Tekoči kristali so zelo zanimivi za radijsko elektroniko in optoelektroniko. Danes je uveljavljena industrijska proizvodnja indikatorjev s tekočimi kristali za ure, mini kalkulatorje itd. Njihova značilnost je izjemno nizka poraba energije in nizke krmilne napetosti, kar omogoča kombiniranje indikatorjev z miniaturnimi elektronskimi napravami, kar olajša uporabo miniaturne moči. zaloge z dolgo življenjsko dobo.

Bibliografija

tekoči kristalni optični dielektrik

1.A.P. Kapustin Elektrooptične in akustične lastnosti tekočih kristalov. -M .: Nauka, 1973.

.A. Adamchik, Z. Strugalsky tekoči kristali - M.: Sovjetski radio, 1979.

.L.M. Blinov, S.A. Pikin Tekoče kristalno stanje snovi. -M .: Znanje, 1986.

4.De Gennes P. Fizika tekočih kristalov. - Per. iz angleščine uredil A.F.Sonina. - M.: Mir, 1977.

.Pikin S.A., Blinov L.M. Tekoči kristali. - M.: Nauka, 1982.