Жидкие кристаллы и их применение

Институт экономики, управления и права (г. Казань)

Экономический факультет

1 курс заочного отделения

экономического факультета

гр. 191ду

Реферат

по дисциплине «Концепция современного естествознания»

тема «Жидкие кристаллы и их применение»

за 1 семестр 2009/2010 уч. года

Казань, 2009

Содержание

Введение

1. История открытия жидких кристаллов

2. Основные типы жидких кристаллов

2.1 Смектические жидкие кристаллы

2.2 Нематические жидкие кристаллы

2.3 Холестерические жидкие кристаллы

2.4 Лиотропные жидкие кристаллы

3. Условия существования жидких кристаллов

4. Тепловые свойства

5. Оптические свойства

6. Электрические свойства

7. Магнитные свойства

8. Практическое применение жидких кристаллов

8.1 Формирование цветного изображения

Заключение

Литература

Введение

Жидкие кристаллы необычайно интересны и удивительны. Они способны удивить даже тех, кто разучился это делать. Наука о жидких кристаллах - одна из самых молодых областей науки, в то же время она много успела дать людям. Действительно, только в последние десятилетия, когда выяснились огромные практические возможности использования жидких кристаллов, они оказались в центре внимания. О них стали много говорить и писать, ими стали интересоваться даже люди далёкие от науки. Специалисты пророчат им большое будущее в науке.

До того же они интересовали лишь представителей науки о кристаллах - кристаллографов, которые видели и видят в жидких кристаллах промежуточную фазу между твёрдым кристаллом и жидкостью, сочетающее в себе свойства как того, так и другого. Сегодня известно несколько десятков тысяч органических веществ, которые могут находиться в таком состоянии, и список этих веществ продолжает расти.

Итак, вещества, способные находиться в жидкокристаллическом состоянии, называют “жидкими кристаллами”.

1. История открытия жидких кристаллов

Открыты жидкие кристаллы были ещё в XIX веке.

В 1888 г. австрийский ботаник Фридрих Рейнитцер (1857-1927) обнаружил у синтезированного им нового органического вещества - холестерилбензоата весьма необыкновенные свойства.

Во-первых, при плавлении этого вещества наблюдались две области окрашивания, причём первая - одноцветная, а вторая, возникающая при более низких температурах, - многоцветная, такая же, как у холестерилацетата.

Во-вторых, у холестерилбензоата было обнаружено ещё одно интересное свойство: это соединение имело как бы две точки плавления. При 1450 С кристаллы вещества плавились в опалесцирующую жидкость, которая под микроскопом казалась состоящей из звёздообразных агрегатов. При 1790 С эта мутная масса превращалась в прозрачный расплав. Если расплав охлаждался, то при 1790 С он приобретал голубоватую окраску, которая быстро исчезала, и жидкая масса становилась опалесцирующей. Около 1450 С окраска появлялась вновь и тот час же вещество кристаллизировалось.

Итак, Рейнитцер впервые обнаружил, что при плавлении холестерилбензоата между твёрдой фазой и обычным расплавом возникает некая новая мутная фаза, окраска которой зависит от температуры и исчезает при переходе в обычный расплав, но иногда сохраняется в твёрдой фазе при быстром её переохлаждении.

Дальнейшим исследованием препаратов Рейнитцера занялся немецкий учёный-экспериментатор Отто Леман (1855-1922). В это время он занимался исследованием роста и растворения кристаллов с помощью поляризационного микроскопа. Он первым стал изучать поведение кристаллов и их расплавов в электрических полях. Леман создал не только отличные приборы для кристаллооптических исследований, но и разработал методику работы с ними при изучении плавления, кристаллизации, фазовых превращений полиморфизма и изоморфизма. Довольно быстро он нашёл у холестерилацетата и холестерилбнзоата по три твёрдых кристаллических модификации - физических изомера. Результаты исследований дали ему основание считать, что две точки плавления - это всего-навсего точки превращения различных модификаций друг в друга. Оказалось, что порядок расположения атомов, характерный для кристаллов, может быть не полным и что вообще может быть несколько разных видов порядка (один - в ориентации молекул, другой - в расположении их центров масс и т.д.).

Леман впервые высказал мысль, что расплав холетерилбензоата имеет все оптические свойства кристаллического вещества. Наблюдения и исследования Лемана легли в основу физики жидких кристаллов. “Для физиков всегда представляет огромный интерес тот факт, - писал Леман, - что существуют кристаллы, мягкость которых такова, что позволяет назвать их жидкими”.

Однако многие физики восприняли открытие жидких кристаллов с недоверием. Началась длительная и трудная борьба за их признание.

В 1904 г. Леман издаёт книгу “ Жидкие кристаллы ”, где в полном виде были собраны все экспериментальные доказательства реальности жидких кристаллов. Сторонников Лемана после этого прибавилось.

Немецкий физик Рудольф Шенк (1870-1965) заключает: “Исследования показывают, что жидкие кристаллы не только по своим оптическим, но и по своим другим свойствам совершенно аналогичны обычным кристаллам”.

Активным сторонником теории жидких кристаллов стал немецкий учёный Даниэль Форлендер (1867-1941). Он со своими учениками изготовил несколько сотен новых жидких кристаллов.

Количество жидких кристаллов постоянно возрастало. Когда появились их десятки и сотни, стал вопрос о разнообразии их строения.

Французский учёный Жорж Фридель (1865-1933) предложил первую классификацию жидких кристаллов, а также предложил заменить термин “жидкие кристаллы” другим термином - “мезоморфные” вещества.

Значительный вклад в науку о жидких кристаллах внёс русский учёный В. К. Фредерикс (1885-1943). Фредерикс и его школа проделали огромное число экспериментов с жидкими кристаллами, доказали ошибочность теории роев. Фредерикс впервые обратил внимание на оптический эффект нематика. Как и в кристалле, в нематике есть оптическая ось. Но, в отличие от твердого кристалла, в жидком кристалле этой осью легко управлять с помощью самых разных воздействий, в том числе и электрическими полями.

Эффект изменения направления оси в нематике под действием поля называется сейчас эффектом Фредерикса.

Ученики Фредерикса обращают внимание на главный факт существования у жидких кристаллов упругих деформаций, поняв который, можно будет судить о природе сил, удерживающих молекулы в жидком кристалле.

С 70-х годов XX в. начинается бурное развитие работ по применению жидких кристаллов в электронике, оптике, приборостроении и широкое исследование физики и химии этих веществ. В США организуется Институт жидких кристаллов. Издается специальный международный журнал, созываются международные конференции по жидким кристаллам и их применению. Нет сомнения в том, что в недалеком будущем жидкие кристаллы приведут к впечатляющим открытиям во многих областях знаний.

2. Основные типы жидких кристаллов

Итак, жидкокристаллическим (или мезоморфным) называется такое состояние вещества, которое обладает структурными свойствами, промежуточными между свойствами твёрдого кристалла и жидкости.

Как жидкости, они состоят из молекул анизотропной формы, сохраняющих определённый порядок в своём расположении относительно друг друга.

У молекул жидких кристаллов можно четко выделить характерные оси: в таких молекулах атомы располагаются вдоль избранной линии (молекулы-стержни или лежат в выделенной плоскости ( молекулы-диски).

Как твердые кристаллы, жидкие имеют особое направление, вдоль которого ориентируются длинные оси молекул или плоскости молекул. При этом центры масс молекул не образуют правильную (кристаллическую) решётку, а располагаются хаотично в пространстве и могут в нём свободно перемещаться.

Различают три основных типа жидких кристаллов: смектические, нематически и холестерические.

2.1 Смектические жидкие кристаллы

В смектическом жидком кристалле молекулы расположены слоями, которые могут легко скользить один по другому, обусловливая текучесть жидкого кристалла. Слои расположены периодично друг относительно друга. Внутри слоёв, в боковых направлениях, строгая периодичность в расположении молекул отсутствует.

В зависимости от характера упаковки молекул в слоях и наклона их длинных осей относительно смектических плоскостей можно говорить о существовании той или иной полиморфной модификации смектического жидкого кристалла. В настоящее время обнаружено восемь полиморфных смектических модификаций (смектики типа A, B,C,D,E,F,G,H). Алфавитный порядок в обозначении новых типов смектического состояния в целом отражает возрастающую сложность строения жидких кристаллов, которые проявляют одинаковую твёрдость не во всех направлениях.

Текстура слоя смектического жидкого кристалла образована отдельными доменами - областями с определённой ориентацией молекул.

Из многих любопытных особенностей строения смектических жидких кристаллов отмечу ещё одну, которая наиболее ярко показывает их плоскостное строение, - образование ступенчатых капель. Если поместить немного вещества на очень чистую и ровную поверхность и нагреть, то смектическая фаза вещества проявится в виде ступенчатых плоских капель. Их появление является следствием слоистости смектического жидкого кристалла.

2.2 Нематические жидкие кристаллы

Нематические жидкие кристаллы не имеют такой слоистой структуры, как смектические. Молекулы беспорядочно сдвинуты в направлении своих длинных осей. Наблюдается лишь ориентационный порядок в расположении молекул: все молекулы ориентированы вдоль одного преимущественного направления.

Если посмотреть на препарат в микроскоп, можно увидеть тёмные тонкие нити. Это места, где молекулы резко меняют свою ориентацию. Эти нити называют - дисинклинациями.

При определённых температурах смектики могут превращаться в нематики. Приготавливая различные смеси, можно получить нематическую мезофазу в области от -20 С до +80 С, что удобно для практического использования жидких кристаллов.

2.3 Холестерические жидкие кристаллы

Холестерические жидкие кристаллы образуют в основном соединения холестерина и других стероидов. Структура жидких кристаллов такая же, как и у нематических, но дополнительно закручена в направлении, перпендикулярном длинным осям молекул.

Интересной особенностью холестерических жидких кристаллов является то, что падающий на тонкий слой кристалла луч света может претерпевать селективное отражение, т.е. закон отражения для белого света в этом случае не выполняется. Лучи различной длины волны будут отражаться под разными углами. Вследствие этого холестерическая плёнка будет выглядеть в отражённом свете ярко окрашенной.

2.4 Лиотропные жидкие кристаллы

До сих пор мы говорили о жидких кристаллах, которые образуются в процессе нагревания твёрдого кристалла и существуют в определённом температурном интервале. Эти жидкие кристаллы объединяются общим названием - термотропные мезофазы.

Жидкие кристаллы могут образовываться и при растворении твёрдого вещества в определённых растворителях. Это так называемые лиотропные мезофазы. Простейшим примером лиотропной мезофазы является водный раствор олеата калия при некоторой концентрации и температуре. Если поместить каплю такого раствора между предметным и покровным стёклами, то через несколько часов у краёв покровного секла начинают расти лиотропные жидкие кристаллы, имеющие смектическую упорядоченность.

Система растворитель - смектический жидкий кристалл часто даёт начало образованию своеобразной текстуры, т.н. миелиновых форм. Миелиновые формы предоставляют собой тонкие смектические слои жидкого кристалла, свёрнутые в трубки.

Структура лиотропных мезофаз сложнее, чем у термотропных жидких кристаллов. Структурными единицами здесь являются не молекулы, а молекулярные комплексы - мицеллы, которые могут принимать различные геометрические формы.

3. Условия существования жидких кристаллов

Почему возможно существование такой промежуточной формы материи с физическими свойствами, присущими как кристаллам, так и жидкостям.

Как уже отмечалось, жидкие кристаллы образуют только те вещества, которые имеют удлиненную форму молекул. Структура молекул может быть самой различной, но резко выраженная протяжённость молекул является необходимым условием образования кристаллов. Однако не все вещества, удовлетворяющие данным условиям, могут образовывать жидкие кристаллы. Поэтому, чтобы выяснить способно или нет вещество образовать жидкий кристалл, наряду с формой его молекул необходимо рассматривать ещё и силы взаимодействия между ними.

Изучение влияния формы молекулы и силы её электромагнитных связей на термическую устойчивость жидкокристаллических веществ позволило сделать общий вывод, что наличие в молекуле сильно поляризующихся бензольных колец, атомов или атомных группировок, а так же групп с постоянными диполями предопределяет потенциальную возможность соединения находиться в жидкокристаллическом состоянии.

Другими словами, тепловая устойчивость жидкого кристалла будет высокой и температурная область его существования достаточно широкой, если полярные группы имеются на концах и в центре молекулы.

4. Тепловые свойства жидких кристаллов

Вещество находится в жидкокристаллическом состоянии при определённых температурных границах. Этот интервал называют областью существования жидкого кристалла. У одних веществ эта область может быть достаточно большой, у других всего лишь несколько градусов.

Температура фазового перехода жидкого кристалла в изотропную жидкость, или как её ещё называют, температура просветления, может служить характеристикой термической устойчивости мезофазы. Чем выше эта температура, тем большая тепловая энергия требуется для преодоления сил межмолекулярного притяжения. Но величина этой тепловой энергии в несколько раз меньше энергии, затрачиваемой на переход твёрдого тела в жидкость. Однако к жидкому кристаллу достаточно подвести совсем незначительное количество тепловой энергии, чтобы разрушить молекулярный порядок, и привести молекулы в хаотическое движение, свойственное молекулам обычной жидкости.

Долгое время практическое использование жидких кристаллов тормозилось тем, что были известны вещества, образующие жидкие кристаллы, только при температурах, значительно превышающих комнатную. В настоящее время эти трудности преодолены. Синтезированы жидкие кристаллы, образующие нематическую фазу от -60 С до +60 С.

Кроме синтеза новых жидкокристаллических соединений, для расширения температурной области и сдвига её в ту или иную сторону используется метод получения многокомпонентных систем.

Следует отметить, что переход жидкого кристалла в изотропную жидкость, так же как и переход твёрдого кристалла в жидкий, сопровождается скрытой теплотой превращения. Интересно отметить среди тепловых свойств ещё одно, сближающее жидкие кристаллы с твёрдыми, - анизотропию теплопроводности. Жидкие кристаллы по-разному проводят тепло, если тепловой поток распространяется вдоль или поперёк молекул ориентированного жидкого кристалла.

5. Оптические свойства

Тонкие слои жидких кристаллов в поляризованном свете выглядят ярко окрашенными вследствие интерференции. Это происходит потому, что плоские волны, проходящие через поляризатор, в слое жидкого кристалла распадаются на две группы волн с разными скоростями колеблющихся во взаимно перпендикулярных плоскостях, что обусловлено анизотропией оптических свойств.

Двумя показателями преломления вещество обладает только в кристаллическом и жидкокристаллическом состоянии. Если жидкий кристалл нагреть, то при переходе в жидкое состояние это свойство исчезает, и у вещества остаётся один показатель преломления.

Для многих практических приложений важно, чтобы главное двулучепреломление кристалла было как можно больше. В этом отношении лишь немногие вещества могут соперничать с жидкими кристаллами.

Многие жидкие кристаллы плеохраничны. Неодинаковое поглощение света различной длины волны приводит к тому, что жидкие кристаллы при пропускании через них белого света кажутся окрашенными.

Для ЖК большое значение имеет так называемое двойное поглощение света, т.е. способность жидких кристаллов поглощать разное количество света для волн одной частоты, идущих в одном направлении, но колеблющихся в перпендикулярных плоскостях. ЖК сильно рассеивают свет. Слой толщиной в несколько миллиметров уже совершенно непрозрачен.

Во всех кристаллах холестерического типа и в их смесях с другими жидкими кристаллами наблюдается вращение плоскости поляризации света. Это явление носит название дисперсии вращения плоскости поляризации. Оптический путь луча света будет зависеть не только от шага спирали, но и от угла падения и от показателя преломления кристалла. Поэтому, слой под прямым углом, мы видим голубую окраску, а с уменьшением угла наблюдения окраска будет переходить последовательно в зелёную, жёлтую и далее в красную.

6. Электрические свойства

По электрическим свойствам все жидкие кристаллы делятся на две основные группы. К первой группе относятся жидкие кристаллы с положительной диэлектрической анизотропией, у которых Дє=є -є >0, ко второй - с отрицательной диэлектрической анизотропией Дє=є -є <0.

В общем, жидкие кристаллы являются диэлектриками, их средние удельное сопротивление лежит в пределах от 10 до 10 Ом/см. Величина диэлектрической проницаемости определяется величиной и направлением дипольного момента молекул. Диэлектрическая проницаемость не только различна для разных жидкокристаллических веществ, но, что особенно важно, она неодинакова по различным направлениям в одном и том же веществе (диэлектрическая анизотропия). Поэтому жидкий монокристалл в электрическом поле ориентируется так, чтобы направление максимальной диэлектрической проницаемости в нём совпадало с вектором напряжённости электрического поля.

Для нематических жидких кристаллов проводимость вдоль длинных осей молекул будет всегда больше проводимости поперёк длинных осей молекул. Таким образом, нематические кристаллы обладают положительной диэлектрической анизотропией.

Для смектических жидких кристаллов всё наоборот. В слоистых смектических жидких кристаллах ионам легче двигаться вдоль слоёв, т.е. перпендикулярно длинным осям молекул, поэтому смектические кристаллы обладают отрицательной диэлектрической анизотропией.

7. Магнитные свойства

Жидкие кристаллы являются диамагнитными материалами, как и большинство органических соединений. Магнитная проницаемость, как и магнитная восприимчивость - являются свойствами анизотропными.

Все жидкие кристаллы имеют наибольшую величину магнитной восприимчивости вдоль длинных осей молекул, и наименьшую поперёк этих осей. Поэтому молекулы любого жидкокристаллического вещества в магнитном поле всегда ориентируются вдоль силовых линий поля. Для ориентирования молекул жидкокристаллического вещества достаточно очень слабых магнитных полей (порядка 10 кГс), что особенно удобно для экспериментов.

Спрашивается, почему же довольно слабые магнитные поля способны ориентировать жидкий кристалл. Ответ прост. Строение их таково, что в них всегда существуют комплексы (домены), содержащие более миллиона параллельных друг другу молекул. Магнитные свойства молекул такого комплекса суммируются, а энергия взаимодействия магнитного поля с суммарным магнитным моментом комплекса молекул значительно превышает энергию их хаотического теплового движения. Это и позволяет применять магнитные поля для ориентации жидких кристаллов, т.е. для получения ориентированных жидких монокристаллов.

8. Практическое применение жидких кристаллов

Изучение ЖК помогает решать проблемы в разных областях науки и техники. Например, большинство ученых признают эволюционную идею о развитии жизни на Земле из неживой материи. На этапе биологической эволюции роль ЖК почти не вызывает сомнений. Процессы фотосинтеза, приведшие к образованию кислородной атмосферы, идут в зелёных растениях с прямым участием клеточных мембран, строение которых соответствует смектическому ЖК.

Жидкие кристаллы нашли широкое применение в оптике, радиоэлектронике, химии, биологии.

Например, такие свойства ЖК, как ориентация их молекул в электрическом поле, используются при разработке различных оптических фильтров. Прозрачность этих светофильтров может изменяться в широких диапазонах, являясь функцией разности потенциалов, подведенной к ЖК.

ЖК способны долгое время хранить записанную на них информацию. Информация, представленная в двоичном коде, электрическим сигналом записывается на ЖК матрицу, в виде участков с изменённым направлением молекул, прозрачностью матрицы. Считывание производится оптическим лазером. Прозрачно окошко или ячейка - записан 0; непрозрачно - 1.

Наиболее широкую известность получили ЖК, которые изменяют свой цвет в зависимости от температуры. С их помощью измеряют температуру, в частности человеческого тела, проверяют микроэлектронные схемы - определяют надёжность её элементов. С помощью ЖК можно измерять температуру не только непосредственно, но и на расстоянии. Это часто необходимо для регистрации мощности излучения ИК лазеров и СВЧ-антенн.

Уже давно применяется метод регистрации вредных веществ с помощью ЖК. Для этой цели созданы холестерики, которые вступают в реакцию с парами вредных веществ, что приводит к изменению шага спирали и соответственно цвета плёнки индикатора. Такой индикатор по чувствительности не уступает детекторам, построенным по иным принципам.

8.1 Формирование цветного изображения

Использование ЖК в системах отображения информации в современной электронике обусловлено их малым потреблением энергии.

Мониторы с ЖК матрицами вытесняют своих громоздких собратьев с электронно-лучевыми трубками.

Как же работает ЖК матрица? Матрица состоит из множества очень мелких пикселей. В каждом таком пикселе содержатся три ЖК ячейки. В основе работы матрицы лежат свойства ЖК менять свою прозрачность в зависимости от приложенного к ним напряжения, - т. н. напряжения выравнивания. Оно подаётся на подложки стеклянных панелей, между которыми заключена ячейка. В отличие от люминофора на экране обычного кинескопа, ЖК ячейки не светятся. Поэтому для получения видимого изображения они просвечиваются источником света, находящимся сзади экрана. Прикладывая различные напряжения к ячейкам каждого пикселя, можно менять его яркость и окраску, т.е. формировать изображение на поверхности матрицы. Напряжением выравнивания управляет полевой транзистор, расположенный в правом верхнем углу каждой ячейки. Зерном матрицы считается пиксель (примерно 0,2-0,3 мм).

Вот основные преимущества ЖК матриц: матрица не мерцает ни при какой частоте кадров, т.е. каждая строка живет, не меняя своей яркости вплоть до замены её новой строкой; яркость свечения жидкокристаллических мониторов может быть намного выше, чем с электронно-лучевыми трубками, определяется яркостью свечения ламп подсветки; у жидкокристаллических матриц нет свойственных обычным мониторам геометрических искажений, ухудшения фокусировки на краях экрана; малая потребляемая мощность и отсутствие вредного излучения; более высокая надёжность.

Сегодня ЖК мониторы несколько дороже обычных, однако, полагают, что уже в ближайшее время их стоимости сравняются, и преимущества первых станут более очевидными.

Заключение

ЖК ещё далеко не познаны. Сегодня мало изученным является вопрос об истинной роли жидкокристаллического состояния в жизнедеятельности биологических систем. Немалые успехи достигнуты в создании полимерных жидких кристаллов, однако остаётся насущным совершенствование технологии их производства. Актуальным является вопрос о взаимодействии жидких кристаллов с кристаллическими, аморфными и полимерными поверхностями, так как от их решения во многом зависит качество всех современных приборов и устройств, где требуется почти идеальная ориентация молекул. Немало загадок хранит в себе оптика жидких кристаллов, т.н. «нелинейная оптика».

Много доброго и полезного делают ЖК уже сегодня, но еще больше мы ждем от них завтра. И нет сомнений в том, что в недалёком будущем ЖК приведут нас к впечатляющим открытиям.

Литература

1. Чандрасекар С. Жидкие кристаллы - М.: Мир, 1980 - 344 с.

2. Пикин С.А., Блинов Л.М. Жидкие кристаллы. - М.: Наука, 1982. - 280 с.

3. Чистяков И.Г. Жидкие кристаллы. - М.: Наука, 1966. - 272 с.

4. www.referat.ru

5. www.russian-globe.com

6. www.3dnews.ru

7. http://dk.compulenta.ru

8. www.cultinfo.ru