Реферат по физике
Выполнил студент I курса группы Н-5972 Глухенький Р.Е.
Дальневосточный Государственный Технический Университет
Владивосток 2006 г.
Введение
Необычное сочетание слов "жидкие кристаллы", вероятно, РјРЅРѕРіРёРј уже знакомо, хотя далеко РЅРµ РІСЃРµ себе представляют, что же стоит Р·Р° этим странным Рё, казалось Р±С‹ противоречивым понятием. Р–РёРґРєРёРµ кристаллы обладают двойственными свойствами, сочетая РІ себе свойство жидкостей (текучесть) Рё свойство кристаллических тел (анизотропию). РС… поведение РЅРµ всегда удается описать СЃ помощью привычных методов Рё понятий. РќРѕ именно РІ этом Рё заключена РёС… привлекательность для исследователей, стремящихся познать еще неизведанное. Р’ то же время, вероятно, каждый второй (РЅСѓ, может быть третий!) человек РЅРѕСЃРёС‚ РїСЂРё себе жидкокристаллические (Р–Рљ) индикаторы Рё РїРѕ несколько десятков раз РІ день посматривает РЅР° СЃРІРѕРё электронные часы. Р–Рљ-циферблат которых аккуратно отсчитывает часы, минуты, секунды, Р° РёРЅРѕРіРґР° Рё доли секунд. Рменно Р–Рљ-индикаторы являются РѕСЃРЅРѕРІРѕР№ современных калькуляторов, портативных компьютеров "Notebooks", миниатюрных плоских экранов телевизоров, словарей-переводчиков, пейджеров Рё РјРЅРѕРіРёС… РґСЂСѓРіРёС… современных электронных технических Рё бытовых РїСЂРёР±РѕСЂРѕРІ Рё устройств.
Мировое производство ЖК-индикаторов и дисплеев исчисляется миллиардами, и по прогнозам будет увеличиваться и дальше. Уже сейчас без преувеличения можно сказать, что прогресс и развитие ряда отраслей науки и техники немыслимы без развития исследований в области жидких кристаллов. Не меньший интерес представляют собой жидкие кристаллы с точки зрения биологии и процессов жизнедеятельности. Функционирование клеточных мембран и ДНК, передача нервных импульсов, работа мышц, формирование атеросклеротических бляшек — вот далеко неполный перечень процессов, протекающих в ЖК-фазе, с присущими этой фазе особенностями — склонностью к самоорганизации и сохранении высокой молекулярной подвижности. Мир жидких кристаллов бесконечно велик и охватывает широчайший круг природных и синтетических объектов, привлекая внимание не только ученых — физиков, химиков и биологов, но и исследователей-практиков, работающих в самых разнообразных отраслях современной техники.
1. Рстория открытия жидких кристаллов
Со времени открытия жидких кристаллов прошло более 100 лет. Впервые их обнаружил австрийский ботаник Фридрих Рейнитцер, наблюдая две точки плавления сложного эфира холестерина — холестерилбензоата (рис.1).
Р РёСЃ.1
Первое ЖК-соединение — холестерилбензоат и диаграмма, иллюстрирующая температурную область существования ЖК-фазы.
РџСЂРё температуре плавления (TРїР»), 1450C, кристаллическое вещество превращалось РІ мутную, сильно рассеивающую свет жидкость, которая РїСЂРё 1790C становилась прозрачной. Р’ отличии РѕС‚ точки плавления температуру, РїСЂРё которой происходило просветление образца, Рейнитцер назвал точкой просветления (TРїСЂ). Пораженный этим необычайным явление, свидетельствующим как будто Рѕ РґРІРѕР№РЅРѕРј плавлении, Рейнитцер отправил СЃРІРѕРё препараты немецкому кристаллографу Отто Леману СЃ РїСЂРѕСЃСЊР±РѕР№ помочь разобраться РІ странном поведении холестерилбенозоата. Рсследуя РёС… РїСЂРё помощи поляризационного РјРёРєСЂРѕСЃРєРѕРїР°, Леман установил, что мутная фаза, наблюдаемая Рейнитцером, является анизотропной. Поскольку свойства анизотропии присуще твердому кристаллу, Р° вещество РІ мутной фазе было жидким, Леман назвал его жидким кристаллом.
С тех пор вещества, способные в определенном температурном интервале выше точки плавления сочетать одновременно свойства жидкостей (текучесть, способность к образованию капель) и свойства кристаллических тел (анизотропии), стали называться жидкими кристаллами или жидкокристаллическими. ЖК-вещества часто называют мезоморфными, а образуемую ими ЖК-фазу — мезофазой (от греч. "мезос" — промежуточный).
Такое состояние является термодинамическим стабильным фазовым состоянием и по праву на ряду с твердым, жидким и газообразным может рассматриваться как четвертое состояние вещества.
Однако понимание природы ЖК-состояния веществ установление и исследование их структурной организации приходит значительно позднее. Серьезное недоверие к самому факту
существования таких необычных соединений в 20 — 30-х годах сменилось их активным исследованием. Работы Д. Форлендера в Германии во многом способствовали синтезу новых
ЖК-соединений. Достаточно сказать, что под его руководством было выполнено 85 диссертаций по жидким кристаллам. Французский ученый Ж. Фридель предложил первую классификацию жидких кристаллов, голландец С. Озеен и чех Х. Цохер создали теорию упругости, русские ученые В.К. Фредерикс и В.Н. Цветков в СССРв 30-х годах впервые исследовали поведение жидких кристаллов в электрических и магнитных полях. Однако то 60-х годов изучение жидких кристаллов не представляло существенного практического интереса, и все научные исследования имели достаточно ограниченный, чисто академический интерес.
Ситуация резко изменилась в середине 60-х годов, когда в связи с бурным развитием микроэлектроники и микроминиатюризации приборов потребовались вещества, способные отражать и передавать информацию, потребляя при этом минимум энергии. Рвот здесь на помощь пришли жидкие кристаллы, двойственный характер которых (анизотропия свойств и высокая молекулярная подвижность) позволили создать управляемые внешним электрическим полем быстродействующие и экономичные ЖК-индикаторы, являющиеся по существу основным элементом многомиллионной "армии" часов, калькуляторов, плоских экранов телевизоров и т. д.
Жидкокристаллический бум, в свою очередь, стимулировал активную научную деятельность, созывались международные симпозиумы и конференции по жидким кристаллам, организовывались школы для молодых ученых, выпускались сборники и монографии.
2. Жидкий кристалл
Жидкий кристалл - состояние вещества, промежуточное между жидким и твердым состояниями. В жидкости молекулы могут свободно вращаться и перемещаться в любых направлениях. В кристаллическом твердом теле они расположены по узлам правильной геометрической сетки, называемой кристаллической решеткой, и могут лишь вращаться в своих фиксированных позициях. В жидком кристалле имеется некоторая степень геометрической упорядоченности в расположении молекул, но допускается и некоторая свобода перемещения.
.
Рисунок 2. Увеличенное изображение жидкого кристалла
Считается, что состояние жидкого кристалла открыл в 1888 австрийский ботаник Ф.Рейнитцер. Он изучал поведение органического твердого вещества, называемого холестерилбензоатом. При нагревании это соединение переходило из твердого в мутное на вид состояние, ныне называемое жидкокристаллическим, а затем в прозрачную жидкость; при охлаждении последовательность превращений повторялась в обратном порядке. Рейнитцер отметил также, что при нагревании изменяется цвет жидкого кристалла – от красного к синему, с повторением в обратном порядке при охлаждении. Почти все жидкие кристаллы, обнаруженные на сегодняшний день, представляют собой органические соединения; примерно 50% всех известных органических соединений при нагревании образуют жидкие кристаллы. В литературе описаны также жидкие кристаллы некоторых гидроксидов (например, Fe2O3·xH2O).
Жидкие кристаллы, жидкокристаллическое состояние, мезоморфное состояние - состояние вещества, в котором оно обладает свойствами жидкости (текучестью) и некоторыми свойствами твёрдых кристаллов (анизотропией свойств). Ж. к. образуют вещества, молекулы которых имеют форму палочек или вытянутых пластинок. Различают термотропные и лиотропные Ж. к. Первые — индивидуальные вещества, которые существуют в мезоморфном состоянии в определённом температурном интервале, ниже которого вещество является твёрдым кристаллом, выше — обычной жидкостью. Примеры:
параазоксианизол (в интервале температур 114—135°С), этиловый эфир азоксибензойной кислоты
(100—120°С), пропиловый эфир холестерина (102—116°С). Лиотропные Ж. к. — растворы некоторых веществ в определённых растворителях. Примеры: водные растворы мыльные растворы синтетических полипептидов (поли--бензил-L-глутамат) в ряде органических растворителей (диоксан, дихлорэтан).
3. Структура жидких кристаллов
Сейчас известно уже около сотни тысяч органических веществ, которые могут находиться в ЖК-состоянии, и число таких соединений непрерывно растет. Если первые десятилетия после открытия жидких кристаллов основными представителями этих соединений являлись только вещества, состоящие из асимметрических молекул стержнеобразной формы, — так называемые каламитики (от греч. "каламис" — тростник), то в последствии было обнаружено, что в ЖК-состояние могут переходить самые разнообразные вещества, имеющие молекулы более сложной формы (диски, пластины и др.). Молекулы ЖК-соединений очень часто называют мезогенами, а группировки или фрагменты малеку, способствующие формированию ЖК-фазы, — мезогенными группами. В таблице 1 приведены примеры стержнеобразных мезогенов — каломитиков, а также химические формулы дискообразных (дискотики) и планкообразных мезогенов (санидики) (от греч. "санидис" — планка).
 Среди мезогенных групп чаще всего встречаются бензольные кольца, связанные непосредственно друг с другом с помощью различных химических группировок( –CH=CH–, –CH=N–, –NH–CO и др.). Характерной особенностью всех ЖК-соединений является асимметричная форма малеку, обеспечивающая анизотропию поляризуемости и тенденцию к расположению молекул преимущественно параллельно друг другу вдоль их длинных (каламитики и санидики) и коротких (дискотики) осей.
Типичные примеры химических соединений, образующих ЖК-фазу.
4. Типы жидких кристаллов
 В то время существование жидких кристаллов представлялось каким-то курьезом, и никто не мог предположить, что их ожидает почти через сто лет большое будущее в технических приложениях. Поэтому после некоторого интереса к жидким кристаллам сразу после их открытия о них через некоторое время практически забыли.
В конце девятнадцатого — начале двадцатого века многие очень авторитетные ученые весьма скептически относились к открытию Рейнитцера и Лемана. Дело в том, что не только описанные противоречивые свойства жидких кристаллов представлялись многим авторитетам весьма сомнительными, но и в том, что свойства различных жидкокристаллических веществ (соединений, обладавших жидкокристаллической фазой) оказывались существенно различными. Так, одни жидкие кристаллы обладали очень большой вязкостью, у других вязкость была невелика. Одни жидкие кристаллы проявляли с изменением температуры резкое изменение окраски, так что их цвет пробегал все тона радуги, другие жидкие кристаллы такого резкого изменения окраски не проявляли. Наконец, внешний вид образцов, или, как принято говорить, текстура, различных жидких кристаллов при рассматривании их под микроскопом оказывался совсем различным. В одном случае в поле поляризационного микроскопа могли быть видны образования, похожие на нити, в другом — наблюдались изображения, похожие на горный рельеф, а в третьем — картина напоминала отпечатки. Стоял также вопрос, почему жидкокристаллическая фаза наблюдается при плавлении только некоторых веществ?
Время шло, факты Рѕ жидких кристаллах постепенно накапливались, РЅРѕ РЅРµ было общего принципа, который позволил Р±С‹ установить какую-то систему РІ представлениях Рѕ жидких кристаллах. Как РіРѕРІРѕСЂСЏС‚, настало время для классификации предмета исследований. Заслуга РІ создании РѕСЃРЅРѕРІ современной классификации жидких кристаллов принадлежит французскому ученому Р–. Фриделю. Р’ двадцатые РіРѕРґС‹ Фридель предложил разделить РІСЃРµ жидкие кристаллы РЅР° РґРІРµ большие РіСЂСѓРїРїС‹. РћРґРЅСѓ РіСЂСѓРїРїСѓ жидких кристаллов Фридель назвал нематическими, РґСЂСѓРіСѓСЋ смектическими. РћРЅ же предложил общий термин для жидких кристаллов — «мезоморфная фаза». Ртот термин РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґРёС‚ РѕС‚ греческого слова «мезос» (промежуточный), Р° РІРІРѕРґСЏ его, Фридель хотел подчеркнуть, что жидкие кристаллы занимают промежуточное положение между истинными кристаллами Рё жидкостями, как РїРѕ температуре, так Рё РїРѕ СЃРІРѕРёРј физическим свойствам. Нематические жидкие кристаллы РІ классификации Фриделя включали уже упоминавшиеся выше холестерические жидкие кристаллы как подкласс.
Самые “кристаллические” среди жидких кристаллов - смекатические. Для смекатических кристаллов характерна двумерная упорядоченность. Молекулы размещаются так, чтобы их оси были параллельны. Более того, они “понимают” команду “равняйся” и размещаются в стройных рядах, упакованных на смекатических плоскостях, и в шеренгах - на нематических. Смекатическим жидким кристаллам свойственно многое из того, о чем пойдет речь ниже, и нечто особенное - долговременная память. Записав, например, изображение на такой кристалл, можно затем долго любоваться “произведением”. Однако эта особенность смекатических кристаллов для воспроизводящих элементов индикационных устройств, телевизоров и дисплеев не слишком удобна. Тем не менее, они находят применение в промышленности, к примеру, в индикаторах давления.
Упорядоченность нематических сред ниже, чем у смекатических. Молекулам дозволено смещаться относительно длинных осей, поэтому упорядоченность становится “односторонней”, а реакция на внешнее воздействие относительно быстрой, память - короткой. Смекатические плоскости отсутствуют, а вот нематические сохраняются.
Термин “холестерические жидкие кристаллы” не случаен, поскольку наиболее характерным и на практике самым используемым кристаллом этого класса является холестерин. Молекулы холестерина и аналогов размещаются в нематических плоскостях. Особенность молекул холестерического типа в том, что при достаточно сильном боковом притяжении их вершины отталкиваются. Холестерин - доступный и достаточно дешевый материал, сырьем для которого богата любая скотобойня. Очень сложные жидкокристаллические структуры образуют растворы мыла в воде. Здесь можно получить слоистые, дисковые и даже шарообразные структуры. Словом, выбор материала широк.
Р’ достаточно больших объемах кристаллической жидкости образуются домены, физические свойства которых РїРѕРґРѕР±РЅС‹ кристаллам. Однако РІ целом РѕРЅР° проявляет свойства, подобные обычным жидкостям. Доменная структура жидких кристаллов образуется РїРѕ тем же причинам Рё законам, что РІ сегнетоэлектриках Рё ферромагнетиках. Ситуация резко меняется РІ пленках, толщина которых сопоставима СЃ радиусом взаимодействия молекул жидкости Рё пластин, формирующих слой. Рто важно подчеркнуть, поскольку именно взаимодействие жидкого кристалла Рё формообразующих элементов создает тот легко управляемый РїСЂРёР±РѕСЂ, который столь активно встраивается РІ современную электронную технику.
4.1. Термотропные жидкие кристаллы
В зависимости от характера расположения молекул согласно классификации, предложенной еще Фриделем, различают три основных типа структур ЖК-соединений: смектический, нематическийи холестерический. Указанные типы структур относятся к так называемым термотропным жидким кристаллам, образование которых осуществляется только при термическом воздействии на вещество (нагревание или охлаждение). На рис. 3 показаны схемы расположения стержне – и дискообразных молекул в трех перечисленных структурных модификациях жидких кристаллов.
Рис. 3. Основные типы расположения стержне-образных (а-в) и дискообразных (г)молекул в жидких кристаллах:а - смектическая фаза, б - нематическая, в - холестерическая,г - дискотическая (n- директор).
Смектический тип жидких кристаллов (смектики – от греч. слова "смегма" – мыло) ближе всего к истинно кристаллическим телам. Молекулы располагаются в слоях, и их центры тяжести подвижны в двух измерениях (на смектической плоскости). При этом длинные оси молекул в каждом слое могут располагаться как перпендикулярноплоскости слоя (ортогональные смектики), так и под некоторым углом (наклонные смектики). Направление преимущественной ориентации осей молекул принято называть директором, который обычно обозначается вектором n (рис. 3, а).
Нематический тип жидких кристаллов (нематики от греч. "нема" — нить) характеризуется наличием только одномерного ориентационного порядка длинных (каламитики) или коротких (дискотики)осей молекул (рис. 3 б и 3 г соответственно). При этом центры тяжести молекул расположены в пространстве хаотично, что свидетельствует об отсутствии трансляционного порядка.
Наиболее сложный тип упорядочения молекул жидких кристаллов холестерический(холестерики), образуемый хиральными(оптически активными) молекулами, содержащими асимметрический атом углерода. Рто означает, что такие молекулы являются зеркально-несимметричными РІ отличие РѕС‚ зеркально-симметричных молекул нематиков. Впервые холестерическаямезофаза наблюдалась для производных холестерина, откуда Рё произошло ее название. Холестерики РІРѕ РјРЅРѕРіРёС… отношениях РїРѕРґРѕР±РЅС‹ нематикам, РІ которых реализуется одномерный ориентационный РїРѕСЂСЏРґРѕРє; РѕРЅРё образуются также РїСЂРё добавлении небольших количеств хиральных соединений (1-2 РјРѕР». %) Рє нематикам. Как РІРёРґРЅРѕ РёР· СЂРёСЃ. 3, РІ, РІ этом случае дополнительно реализуется спиральная закрученностьмолекул, Рё очень часто холестерик называют закрученным нематиком.
Периодическая спиральная структура холестериков определяет РёС… уникальную особенность — способность селективно отражать падающий свет, "работая" РІ этом случае как дифракционная решетка. РџСЂРё фиксированном угле отражения условия интерференции выполняются только для лучей РѕРґРЅРѕРіРѕ цвета, Рё слой (или пленка) холестерика кажется окрашенным РІ РѕРґРёРЅ цвет. Ртот цвет определяется шагом спирали Р , который РїСЂРё нормальном угле падения света простым образом связан СЃ максимумом длины волны отраженного света lmax:
P = lmax / n (1)
РіРґРµ n — показатель преломления холестерика. Ртот эффект избирательного отражения пленкой холестерика света СЃ определенной длиной волны получил название селективного отражения. Р’ зависимости РѕС‚ величины шага спирали, который определяется химической РїСЂРёСЂРѕРґРѕР№ холестерика, максимум длины волны отраженного света может располагаться РІ РІРёРґРёРјРѕР№, Р° также РІ РРљ-Рё РЈР¤-областях спектра, определяя широкие области использования оптических свойств холестериков.
Любой из трех типов мезофаз рассматривается обычно как непрерывная анизотропная среда, где в небольших по размерам микрообьемах (их часто называют роями или доменами), состоящих, как правило, из 104-105 молекул, молекулы ориентированы параллельно друг другу.
Теперь рассмотрим макроскопическую структуру жидких кристаллов, которую чаще всего называют текстурой, понимая под этим совокупность структурных деталей образца жидкого кристалла, помешенного между двумя стеклами и исследуемого с помощью оптического поляризационного микроскопа. Каждый тип жидкого кристалла самопроизвольно образует свои характерные текстуры, по которым их часто удается идентифицировать. Как правило, текстуры жидких кристаллов настолько "фотогеничны", что их красивые микрофотографии часто помешают на обложках научных журналов и научно-популярных изданий.
Рис. 4 Типичные текстуры нематических(а), смектических(б) и холестерических (в) жидких кристаллов: а — шлирен, б — веерная, в — конфокальная текстуры.
4.2. Лиотропные жидкие кристаллы
В отличие от термотропных жидких кристаллов лиотропные жидкие кристаллы образуются при растворении ряда амфифильных соединений в определенных растворителях и имеют, как правило, более сложную структуру, чем термотропныежидкие кристаллы. Амфифильные соединения состоят из молекул, содержащих гидрофильные и гидрофобные группы. Такие соединения широко распространены в природе. Так, например, любая жирная кислота является амфифильной. Ее молекулы состоят из двух частей: полярной "головки" (СООН-группа) и углеводородного "хвоста" [СН3(СН2)n—]. Подобные соединения при растворении в воде, как правило, образуют мицеллярные растворы, в которых полярные головки торчат наружу, находясь в контакте с водой, а углеводородные хвосты, контактируя друг с другом,смотрят вовнутрь. Такие мицеллы (рис. 4, а) и являются теми структурными элементами, из которых строятся лиотропные жидкие кристаллы, формируя, например, цилиндрическую или ламеллярную формы (рис. 4, б, в).
Р’ отличие РѕС‚ термотропныхжидких кристаллов, РіРґРµ формирование определенного типа мезофазы определяется лишь температурой, РІ лиотропных системах тип структурной организации определяется уже РґРІСѓРјСЏ параметрами: концентрацией вещества Рё температурой. Лиотропные жидкие кристаллы наиболее часто образуются биологическими системами, функционирующими РІ водных средах. Рменно РІ этих системах РІ наиболее СЏСЂРєРѕР№ форме проявляются уникальные особенности жидких кристаллов, сочетающих лабильность СЃ высокой склонностью Рє самоорганизации. Ограничимся лишь РѕРґРЅРёРј примером,относящимся Рє клеткам Рё внутриклеточным органеллам,покрытым тонкими высокоупорядоченными оболочками - мембранами. Современные структурные исследования показывают, что мембраны представляют СЃРѕР±РѕР№ типичные лиотропные ламеллярныелабильные Р–Рљ-структуры, составленные РёР· РґРІРѕР№РЅРѕРіРѕ слоя фосфолипидов,РІ котором "растворены" белки, полисахарилы,холестерин Рё РґСЂСѓРіРёРµ жизненно важные компоненты (СЂРёСЃ. 4, Рі). Такое анизотропное строение мембраны, СЃ РѕРґРЅРѕР№ стороны, позволяет защищать ее внутреннюю часть РѕС‚ нежелательных внешних воздействий, Р° СЃ РґСЂСѓРіРѕР№ стороны, ее "жидкостной" характер обеспечивает высокие транспортные свойства (проницаемость, перенос РёРѕРЅРѕРІ Рё РґСЂ.), что придает клетке определяющую роль РІ процессах жизнедеятельности.
Рис. 4. Некоторые типы лиотропных жидкокристаллических структур, образованные амфифильными молекулами в водных растворах: а - цилиндрическая мицелла, б - гексагональная упаковка цилиндрических мицелл, в - ламеллярныйсмектический жидкий кристалл; г - строение мембраны, состоящей из фосфолипидногодвойного слоя (1) и молекул белков (2).
4.3 Нематические жидкие кристаллы
Начнем описание устройства жидких кристаллов РЅР° примере наиболее простой Рё хорошо изученной РёС… разновидности, нематических жидких кристаллов, или, как еще принято говорить, нематиков, Ртак, кристаллы некоторых органических веществ РїСЂРё нагревании, прежде чем расплавиться Рё перейти РІ обычную жидкость, РїСЂРѕС…РѕРґСЏС‚ РїСЂРё повышении температуры через стадию жидкокристаллической фазы. Как РјС‹ СѓРІРёРґРёРј ниже, жидкокристаллических фаз может быть Сѓ РѕРґРЅРѕРіРѕ Рё того же соединения несколько. РќРѕ сначала для того, чтобы РЅРµ осложнять знакомство СЃ жидкокристаллической фазой несущественными здесь подробностями, рассмотрим наиболее простую ситуацию, РєРѕРіРґР° соединение обладает РѕРґРЅРѕР№ жидкокристаллической фазой. Р’ этом случае процесс плавления кристалла идет РІ РґРІРµ стадии. Сначала РїСЂРё повышении температуры кристалл испытывает «первое плавление», переходя РІ мутный расплав. Затем РїСЂРё дальнейшем нагреве РґРѕ вполне определенной температуры РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґРёС‚ «просветление» расплава. «Просветленный расплав» обладает всеми свойствами жидкостей. Мутный расплав, который Рё представляет СЃРѕР±РѕР№ жидко' кристаллическую фазу, РїРѕ СЃРІРѕРёРј свойствам существенно отличается РѕС‚ жидкостей, хотя обладает наиболее характерным свойством жидкости — текучестью. Наиболее резкое отличие жидкокристаллической фазы РѕС‚ жидкости проявляется РІ оптических свойствах. Р–РёРґРєРёР№ кристалл, обладая текучестью жидкости, проявляет оптические свойства всем нам знакомых обычных кристаллов.
РџСЂРё понижении температуры РІСЃРµ превращения РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґСЏС‚ РІ обратном РїРѕСЂСЏРґРєРµ Рё точно РїСЂРё тех же температурах, С‚. Рµ. последовательность фаз такова: прозрачный расплав-смутный расплав-^кристалл или РІ принятых сокращениях РР–-^РќР–Рљ-^РўРљ. " Если РІСЃРµ описанные превращения наблюдаются, например, для соединения п—метонсйбензилиден—п'—бу-тиланилин или, как принято сокращенно называть это соединение, МББА, то наблюдаемая жидкокристаллическая фаза называется нематической или просто немати-KOMj Смена же фазовых состояний характеризуется следующими температурами. Температура первого плавления Гя,=21°С. Ниже ТдМББА находится РІ обычном кристаллическом состоянии. РћС‚ Рў^ РґРѕ температуры просветления 7^==41°С МББА обладает нематической жидкокристаллической фазой, Рё выше РўРј — обычная (изотропная) жидкость. Рнтервал температур РѕС‚ Гд, РґРѕ tn для различных веществ может быть РѕС‚ единиц РґРѕ сотни РіСЂР° РґСѓСЃРѕРІ. Типичное же значение этого интервала — РїРѕСЂСЏРґРєР° нескольких десятков градусов.
Чтобы схематично представить себе устройство нематика, СѓРґРѕР±РЅРѕ образующие его молекулы представить РІ РІРёРґРµ палочек. Для такой идеализации есть физические основания. Молекулы, образующие жидкие кристаллы, как уже говорилось, представляют СЃРѕР±РѕР№ типичные для РјРЅРѕРіРёС… органических веществ образования СЃРѕ сравнительно большим молекулярным весом, протяженности которых РІ РѕРґРЅРѕРј направлении РІ 2—3 раза больше, чем РІ поперечном. Можно считать, что направление введенных нами палочек совпадает СЃ длинными РѕСЃСЏРјРё молекул. РџСЂРё введенной нами идеализации структуру нематика следует представлять как «жидкость одинаково ориентированных палочек». Рто означает, что центры тяжести палочек расположены Рё движутся хаотически, как РІ жидкости, Р° ориентация РїСЂРё этом остается Сѓ всех палочек одинаковой Рё неизменной.
Напомним, что в обычной жидкости не только центры тяжести молекул движутся хаотически, но и ориентации выделенных направлений молекул совершенно случайны и не скоррелированны между собой. А в качестве выделенных направлений в молекуле могут выступать различные величины, например, электрический дипольный момент, магнитный момент или, как в рассматриваемом нами случае, анизотропия формы, характеризуемая выделенными направлениями или, как говорят, осями. В связи с описанным полным хаосом в жидкости жидкость (даже состоящая из анизотропных молекул) изотропна, т. е. ее свойства не зависят от направления.
На самом деле, конечно, молекулы нематика подвержены не только случайному поступательному движению, но и ориентация их осей испытывает отклонения от направления, определяющего ориентацию палочек в рассматриваемой нами жидкости. Поэтому направления палочек задают преимущественную, усредненную ориентацию, и реально молекулы совершают хаотические ориентационные колебания вокруг этого направления усредненной ориентации. Амплитуда соответствующих ориен-тационных колебаний молекул зависит от близости жидкого кристалла к точке фазового перехода в обычную жидкость tn, возрастая по мере приближения температуры нематика к температуре фазового перехода. В точке фазового перехода ориентационное упорядочение молекул полностью исчезает и ориентационные движения молекул так же, как и трансляционные, оказываются полностью хаотическими.
В связи с описанной картиной поведения нематика его принято описывать следующим образом. Для характеристики ориентационного порядка вводится вектор единичной длины с, называемый директором, направление которого совпадает с направлением введенных выше палочек. Таким образом, директор задает выделенное, преимущественное, направление ориентации молекул в холестерине. Кроме того, вводится еще ОДНА величина, параметр порядка, который характеризует, насколько велика степень ориентационного упорядочения молекул или, что то же самое, насколько мала разупорядоченность ориентаций молекул. Параметр порядка определяется следующим образом:
S=^В«cosВ»e>-73 (1)
где в—угол между направлениями директора и мгновенным направлением длинной оси молекул, a - обозначает среднее по времени значении cos'@.
РР· формулы (1) СЏСЃРЅРѕ, что параметр 5 может принимать значения РѕС‚ 0 РґРѕ 1. Значение -S==1 соответствует полному ориентационному РїРѕСЂСЏРґРєСѓ. Причем .S==1 достигается, как нетрудно понять, если значение Р’ РЅРµ изменяется РІРѕ времени Рё равно 0, С‚. Рµ. если направление длинных осей молекул строго совпадает СЃ направлением директора. =='/3. Значение S==0, таким образом, соответствует уже нематику, перешедшему РІ изотропную жидкость.
В нематической же фазе значение параметра порядка S^>0, минимально непосредственно при температуре перехода Т 14 из изотропной жидкости в нематическую фазу и возрастает по мере понижения температуры ниже tn' В целом же при изменении температуры происходит смена следующих фазовых состояний. При температуре ниже точки перехода нематика в обыкновенный кристалл или, как ее называют, температуре плавления Тщ — кристаллическое состояние. В интервале температур от Т м, до tn—нематический жидкий кристалл. Выше tin— обычная жидкость.
Пока что речь шла об однодоменном состоянии нема-тического образца, в котором ориентация директора одинакова во всех его точках. В таком однодоменном образце нематика наиболее ярко проявляются его свойства, типичные для твердых кристаллов, в частности, двупреломление света. Последнее означает, что показатели преломления для света, плоскость поляризации которого перпендикулярна директору и плоскость поляризации которого содержит директор, указываются различными. Однако для того чтобы полунить однодоменный образец нематика, как, впрочем, и любых других разновидностей жидких кристаллов, необ ходимо принятие специальных мер, о которых будет рассказано ниже.
Если же РЅРµ приняты специальные предосторожности, то жидкокристаллический образец представляет СЃРѕР±РѕР№ совокупность хаотическим образом ориентированных малых однодоменных областей. Рменно СЃ такими образцами, как правило, имели дело первые исследователи жидких кристаллов, Рё мутный расплав, возникавший после первого плавления МББА, Рѕ котором говорилось выше, Рё был образцом такого РІРёРґР°. РќР° границах раздела различным образом ориентированных однодоменных областей РІ таких образцах РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґРёС‚, как РіРѕРІРѕСЂСЏС‚, нарушение оптической однородности или, что то же самое, скачок значения показателя преломления. Рто непосредственно следует РёР· сказанного выше Рѕ двупреломлении однодоменного нематического образца Рё просто соответствует тому, что для света, пересекающего границу раздела РґРІСѓС… областей СЃ различной ориентацией директора, показатели преломления этих областей различны, С‚. Рµ. показатель преломления испытывает скачок. Рђ как хорошо известно, РЅР° границе раздела РґРІСѓС… областей СЃ различными показателями преломления свет испытывает отражение. РЎ таким отражением каждый знаком РЅР° примере оконных стекол. Так же, как Рё РІ случае СЃ оконным стеклом, РЅР° РѕРґРЅРѕР№ границе раздела (РѕРґРЅРѕРј скачке оптической однородности) отражение света РІ нематике может быть невелико, РЅРѕ если таких границ РјРЅРѕРіРѕ (РІ образце РјРЅРѕРіРѕ неупорядоченных однодоменных областей), такие нерегулярные нарушения оптической однородности РїСЂРёРІРѕРґСЏС‚ Рє сильному рассеянию света. Р’РѕС‚ почему нематики, если РЅРµ принять специальных мер, сильно рассеивают свет. После первого плавления РїСЂРё температуре РўРґ, возникает мутный расплав.
РџРѕРєР° что речь шла Рѕ том, как выглядит нематик РІ неполяризованном свете. Очень интересную Рё своеобразную картину представляет нематик, если его рассматривать РІ поляризованном свете Рё анализировать поляризацию прошедшего через него света. Поляризатор Pi линейно поляризует свет РѕС‚ источника света, Р° поляризатор Pi пропускает только определенным образом линейно поляризованный свет, прошедший через нематический образец Рђ. Картина, которую СѓРІРёРґРёС‚ наблюдатель РІ свете, прошедшем через поляризатор, представляет СЃРѕР±РѕР№ причудливую совокупность пересекающихся линий. Рти линии или, как РёС… называют, нити Рё представляют СЃРѕР±РѕР№ изображение границ раздела между однодоменными областями.
Нема — это по гречески нить. Отсюда и название — нематический жидкий кристалл или нематик. Здесь же надо сказать, что реально наблюдения описанной картины нематика в связи с малостью размеров областей с одинаковой ориентацией директора осуществляются с помощью поляризационного микроскопа.
5. Анизотропия физических свойств
Анизотропия физических свойств — основная особенность жидких кристаллов. Поскольку основным структурным признаком жидких кристаллов является наличие ориентационного РїРѕСЂСЏРґРєР°, обусловленного анизотропной формой молекул, то естественно, что РІСЃРµ РёС… свойства, так или иначе, определяются степенью ориентационного упорядочения. Количественно степень упорядоченности жидкого кристалла определяется параметром РїРѕСЂСЏРґРєР° S, введенным Р’.Р. Цветковым РІ 40-С… годах:
S = 0,5 б( 3cos2q – 1)с (2)
РіРґРµ q - СѓРіРѕР» между РѕСЃСЊСЋ индивидуальной молекулы жидкого кристалла Рё преимущественным направлением всего ансамбля, определяемым директором n (угловые СЃРєРѕР±РєРё означают усреднение РїРѕ всем ориентациям молекул). Легко понять, что РІ полностью разупорядоченной изотропно-жидкой фазе S = 0, Р° РІ полностью твердом кристалле S = 1. Параметр РїРѕСЂСЏРґРєР° жидкого кристалла лежит РІ пределах РѕС‚ 0 РґРѕ 1. Рменно существование ориентационного РїРѕСЂСЏРґРєР° обусловливает анизотропию всех физических свойств жидких кристаллов. Так, анизотропная форма молекул каламитиков определяет появление РґРІРѕР№РЅРѕРіРѕ лучепреломления (Dn) Рё диэлектрической анизотропии (De), величины которых РјРѕРіСѓС‚ быть выражены следующим образом:
Dn|| = n|| – n^ и De|| = e|| – e^ (3)
где n||, n^ и e||, e^ — показатели преломления и диэлектрические постоянные соответственно, измеренные при параллельной и перпендикулярной ориентации длинных осей молекул относительно директора. Значения Dn для ЖК-соединений обычно весьма велики и меняются в широких пределах в зависимости от их химического строения, достигая иногда величины порядка 0,3-0,4. Величина и знак De зависят от соотношения между анизотропией поляризуемости молекулы, величиной постоянного дипольного момента m, а также от угла между направлением дипольного момента и длинной молекулярной осью. Примеры двух ЖК-соединений, характеризующихся положительной и отрицательной величиной De, приведены ниже:
Нагревание жидкого кристалла, понижая его ориентационныйпорядок, сопровождается монотонным снижением значений Dn и De, так что в точке исчезновения ЖК-фазы при Тпр анизотропия свойств полностью исчезает.
Р’ то же время именно анизотропия всех физических характеристик жидкого кристалла РІ сочетании СЃ РЅРёР·РєРѕР№ вязкостью этих соединений Рё позволяет СЃ высокой легкостью Рё эффективностью осуществлять ориентацию (Рё переориентацию) РёС… молекул РїРѕРґ действием небольших "возмущающих" факторов (электрические Рё магнитные поля, механическое напряжение), существенно изменяя РёС… структуру Рё свойства. Рменно поэтому жидкие кристаллы оказались незаменимыми электрооптически – активными средами, РЅР° РѕСЃРЅРѕРІРµ которых Рё было создано РЅРѕРІРѕРµ поколение так называемых Р–Рљ-индикаторов.
6. Применение
Расположение молекул РІ жидких кристаллах изменяется РїРѕРґ действием таких факторов, как температура, давление, электрические Рё магнитные поля; изменения же расположения молекул РїСЂРёРІРѕРґСЏС‚ Рє изменению оптических свойств, таких, как цвет, прозрачность Рё способность Рє вращению плоскости поляризации проходящего света. (РЈ холестерически-нематических жидких кристаллов эта способность очень велика.) РќР° всем этом основаны многочисленные применения жидких кристаллов. Например, зависимость цвета РѕС‚ температуры используется для медицинской диагностики. Нанося РЅР° тело пациента некоторые жидкокристаллические материалы, врач может легко выявлять затронутые болезнью ткани РїРѕ изменению цвета РІ тех местах, РіРґРµ эти ткани выделяют повышенные количества тепла. Температурная зависимость цвета позволяет также контролировать качество изделий без РёС… разрушения. Если металлическое изделие нагревать, то его внутренний дефект изменит распределение температуры РЅР° поверхности. Рти дефекты выявляются РїРѕ изменению цвета нанесенного РЅР° поверхность жидкокристаллического материала.
Тонкие пленки жидких кристаллов, заключенные между стеклами или листками пластмассы, нашли широкое применение в качестве индикаторных устройств (прикладывая низковольтные электрические поля к разным частям соответствующим образом выбранной пленки, можно получать видимые глазом фигуры, образованные, например, прозрачными и непрозрачными участками). Жидкие кристаллы широко применяются в производстве наручных часов и небольших калькуляторов. Создаются плоские телевизоры с тонким жидкокристаллическим экраном. Сравнительно недавно было получено углеродное и полимерное волокно на основе жидкокристаллических матриц.
Список литературы
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 Р.Р“. Р–РёРґРєРёРµ кристаллы. – Рњ.: Наука, 1966. – 272 СЃ.
4. www.itc.ua
5. www.russian-globe.com
6. www.3dnews.ru
7. http://mp.ustu.ru
8. www.cultinfo.ru
9. http://dk.compulenta.ru
10. www.radioland.net.ua
Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.referat.ru