Жидкие кристаллы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вступление

Жидкие кристаллы (сокращённо ЖК) -- вещества, обладающие одновременно свойствами как жидкостей (текучесть), так и твердых тел (анизотропия). По структуре ЖК представляют собой жидкости, похожие на желе, состоящие из молекул вытянутой формы, определенным образом упорядоченных во всем объёме этой жидкости. Наиболее характерным свойством ЖК является их способность изменять ориентацию молекул под воздействием электрических полей, что открывает широкие возможности для применения их в промышленности. Жидкие кристаллы - это субстанции, демонстрирующие различные фазы (твердое тело, жидкий кристалл или жидкость) при разных температурах (рис.1).

Рисунок 1

История открытия жидких кристаллов

Впервые жидкие кристаллы были обнаружены в 1888 году австрийским ботаником Фридрихом Райнитцером (рис. 2) в ходе исследования холестеринов в растениях. Он выделил вещество, имеющее кристаллическую структуру, но при этом странно ведущее себя при нагреве. При достижении 145.5°C вещество мутнело и становилось текучим, но при этом сохраняло кристаллическую структуру вплоть до 178.5°C, когда, наконец, превращалось в жидкость. Долгое время физики и химики в принципе не признавали жидких кристаллов, потому что их существование разрушало теорию о трёх состояниях вещества: твердом, жидком и газообразном. Райнитцер сообщил о необычном явлении своему коллеге - немецкому физику Отто Леманну, который выявил ещё одно необычное качество вещества: эта псевдожидкость в электромагнитных и оптических свойствах проявляла себя как кристалл. Именно Леманн и дал название одной из ключевых технологий отображения информации на сегодняшний день - «жидкий кристалл».

Рисунок 2

Технический словарь разъясняет термин «жидкий кристалл» как мезофазу, переходное состояние вещества между твёрдым и изотропным жидким. В этой фазе вещество сохраняет кристаллический порядок расположения молекул, но при этом обладает значительной текучестью и стабильностью в широком диапазоне температур.

В 1963 г. американец Дж. Фергюсон (англ. James Fergason) использовал важнейшее свойство жидких кристаллов -- изменять цвет под воздействием температуры -- для обнаружения не видимых простым глазом . После того как ему выдали патент на изобретение, интерес к жидким кристаллам резко возрос.

В 1965 г. в США собралась Первая международная конференция, посвященная жидким кристаллам. В 1968 г. американские учёные создали принципиально новые для систем отображения информации. Принцип их действия основан на том, что молекулы жидких кристаллов, поворачиваясь в электрическом поле, по-разному отражают и пропускают свет. Под воздействием напряжения, которое подавали на проводники, впаянные в экран, на нём возникало изображение, состоящее из микроскопических точек. И всё же только после 1973 г., когда группа английских химиков под руководством Джорджа Грея (англ. George William Gray) синтезировала жидкие кристаллы из относительно дешевого и доступного сырья, эти вещества получили широкое распространение в разнообразных устройствах.

В 70-х годах ХХ века компания Radio Corporation of America представила первый работающий монохромный экран на жидких кристаллах. Вскоре после этого технология начала проникать на рынок потребительской электроники, в частности, наручных часов и калькуляторов.

Группы жидких кристаллов

По своим общим свойствам ЖК можно разделить на две большие группы:

Термотропные жидкие кристаллы -- это вещества, образующиеся в результате нагревания твердого вещества и существующие в определенном интервале температур и давлений. Ниже этого интервала вещество является твердым кристаллом, выше -- обычной жидкостью. Такие жидкие кристаллы образуются при нагревании некоторых твердых кристаллов (мезогенных): сначала происходит переход в жидкий кристалл, причем может происходить последовательно переход из одной модификации в следующую, т. е. в жидких кристаллах проявляется полиморфизм. Термотропные жидкие кристаллы можно получить также в результате охлаждения изотропной жидкости.

Лиотропные жидкие кристаллы - это вещества, представляющие собой двух или более компонентные системы, образующиеся в смесях стержневидных молекул данного вещества и воды (или других полярных растворителей). Лиотропные жидкие кристаллы образуются при растворении твердых кристаллов в определенных растворителях. К ним относятся многие коллоидные системы. Существует много типов лиотропных жидкокристаллических текстур. Их многообразие объясняется различной внутренней молекулярной структурой, которая является более сложной, чем у термотропных жидких кристаллов. Структурными единицами здесь являются не молекулы, а молекулярные комплексы -- мицеллы. Мицеллы могут быть пластинчатыми, цилиндрическими, сферическими или прямоугольными.

Термотропные жидкие кристаллы подразделяются на три больших класса:

Нематические жидкие кристаллы. Название происходит от греческого «нема» -- нить. Нематические жидкие кристаллы - жидкие кристаллы, образованные длинными сигарообразными или нитевидными молекулами, которые параллельны друг другу, но беспорядочно сдвинуты вдоль своих осей(рис. 3). Нити подвижны и хорошо заметны в естественном свете. Они ведут себя подобно обычным жидкостям.

Важными характеристиками нематических жидких кристаллов являются оптическая и диэлектрическая анизотропия. По электрическим свойствам нематические жидкие кристаллы относятся к группе полярных диэлектриков с невысоким удельным сопротивлением. Примером вещества, образующего нематический ЖК, может служить N-(пара-метоксибензилиден)-пара-бутиланилин.

Рисунок 3

Смектические жидкие кристаллы - жидкие кристаллы, в которых длинные молекулы сгруппированы в слои, слои могут перемещаться друг относительно друга(рис. 4). Между слоями существует слабое взаимодействие, что позволяет им легко сдвигаться друг относительно друга. Толщина смектического слоя определяется длиной молекул (преимущественно, длиной парафинового «хвоста»), однако вязкость смектиков значительно выше чем у нематиков и плотность по нормали к поверхности слоя может сильно меняться. Типичным является терефтал-бис(nара-бутиланилин):

Рисунок 4

Холестерические жидкие кристаллы. Название произошло от греческого «смегма», что означает «мыло», так как впервые жидкие кристаллы этого типа обнаружены в мылах. Они образуются, в основном, соединениями холестерина и других стероидов. Это нематические жидкие кристаллы, но их длинные оси повернуты друг относительно друга так, что они образуют спирали, очень чувствительные к изменению температуры вследствие чрезвычайно малой энергии образования этой структуры (порядка 0,01 Дж/моль). Молекулы холестерических жидких кристаллов имеют форму продолговатых пластинок, расположенных параллельно друг другу(рис. 5). В качестве типичного холестерика можно назвать амил-пара-(4-цианобензилиденамино)- циннамат

Слои молекул легко смещаются относительно друг друга, и смектики на ощупь мылоподобные. Текучесть обеспечивается взаимным скольжением смектических плоскостей, поэтому вязкость достаточно велика.

Смектики -- это наиболее обширный класс жидких кристаллов. Причем некоторые разновидности смектиков обладают сегнетоэлектрическими свойствами. Из-за высокой вязкости смектические кристаллы не получили широкого применения в технике.

Холестерики ярко окрашены и малейшее изменение температуры (до тысячных долей градуса) приводит к изменению шага спирали и, соответственно, изменению окраски жидких кристаллов.

Рисунок 5

Применение жидких кристаллов

Одно из важных направлений использования жидких кристаллов -- термография. Подбирая состав жидкокристаллического вещества, создают индикаторы для разных диапазонов температуры и для различных конструкций. Например, жидкие кристаллы в виде плёнки наносят на транзисторы, интегральные схемы и печатные платы электронных схем. Неисправные элементы -- сильно нагретые или холодные, неработающие -- сразу заметны по ярким цветовым пятнам. Новые возможности получили врачи: жидкокристаллический индикатор на коже больного быстро диагностирует скрытое воспаление и даже опухоль.

С помощью жидких кристаллов обнаруживают пары вредных химических соединений и опасные для здоровья человека гамма- и ультрафиолетовое излучения. На основе жидких кристаллов созданы измерители давления, детекторы ультразвука. Но самая многообещающая область применения жидкокристаллических веществ -- информационная техника. От первых индикаторов, знакомых всем по электронным часам(рис. 6), до цветных телевизоров с жидкокристаллическим экраном (рис. 7)прошло лишь несколько лет. Такие телевизоры дают изображение весьма высокого качества, потребляя ничтожное количество энергии от малогабаритного аккумулятора или батарейки.

Рисунок 6

Рисунок 7

Стекло на жидких кристаллах

жидкие кристаллы райнитцер

Смарт-стекло представляет собой многослойное стекло, изготовленное из двух полностью прозрачных стекол и слоя жидкокристаллической пленки (LC Film). Пленка расположена между слоями стекла. Композиция компактно собрана в единую конструкцию.

Стекло позволяет обеспечить полную секретность или свободный просмотр через окна и двери, стеклянные стены и окна в крыше. Стекло пропускает свет, но делает его рассеянным, приглушая раздражающий яркий свет солнца и уменьшает солнечную активность, что делает комнаты более удобными для проживания. В непрозрачном состоянии, стекло распространяет прямой солнечный свет и устраняет 99 % ультрафиолетовых лучей, которые вредно воздействуют на ковры и мебель(рис. 8,9).

Включено Отключено

Рисунок 8

Рисунок 9

Смарт-стекло с изменяющейся прозрачностью способно менять свои физические свойства при подаче на него управляющего напряжения около ~100В переменного тока .

При подаче электричества, жидкие кристаллы выравнивают, т.е ориентируются в одном и том же направлении, и стекло становится прозрачным, полностью просматривающимся.

При отключении происходит возвращение жидких кристаллов к их нормальнуму состоянию, т.е кристаллы жидкокристаллической пленки расположены и ориентированы хаотично, придавая стеклу матовость ("молочный белый" цвет), и просмотр через конструкцию невозможен.

Изменение состояния прозрачности происходит в пределах миллисекунд (рис. 10).

Непрозрачный режим Прозрачный режим

Рисунок 10

Жидкокристаллическое (ЖК) стекло состоит из нескольких слоев. Внутренний слой образован совокупностью жидких кристаллов и заключен между двумя прозрачными электрическими проводниками на тонкой пленке. Внешние слои сделаны из стекла. Проводники связаны с источником тока (рис. 11).

Рисунок 11

Преимущества и недостатки

Смарт-стекло позволяет уменьшить потери тепла, сократить расходы на кондиционирование и освещение, служат альтернативой жалюзи и механическим затеняющим экранам, шторам. В прозрачном состоянии жидкокристаллическое или электрохимическое смарт-стекло не пропускает ультрафиолетовое излучение; смарт-стекло на взвешенных частицах требует для блокировки ультрафиолета использование специальных покрытий.

Основные недостатки смарт-стекла - это относительно высокая стоимость, необходимость использования электрического напряжения, мутность или меньшая прозрачность по сравнению с обычным стеклом.

Применение

Основное использование смарт-стекла -- внутренние перегородки и двери, которые многие компании используют для организации конфеденциальных комнат переговоров. В обычном состоянии такие помещения являются частью внутреннего пространства офиса, но при необходимости служат приватным помещением. Такую же функцию выполняет смарт-стекло в госпиталях для организации комнат осмотра пациентов. Также умное стекло используется в кассовых зонах банков, в зонах отдыха и примерочных в магазинах.

В рекламе используются витрины из смарт-стекла, выходящие на улицу, для презентаций и рекламных роликов(рис. 12). По необходимости, смарт-стекло может становиться прозрачным для обзора интерьера помещения или выставленных образцов (одежды, машин и т. д.), либо матовым и использоваться в качестве проекционного экрана.

Рисунок 12

Другой пример использования -- огромный стеклянный куб, способный выезжать из здания жилой башни на высоте 88 этажа (Eureka Towers, Мельбурн, Австралия). Куб вмещает в себя 13 человек. Когда он выступает на 3 м, стекло становится прозрачным, предоставляя возможность посетителям обзор Мельбурна с высоты 275 м.

Размещено на Allbest.ru