Жидкие кристаллы. 1. Введение 3 Жидкие кристаллы

• Название: 1. Введение 3 Жидкие кристаллы
• Анкор: Жидкие кристаллы
• Дата: 06.02.2021
• Размер: 0.57 Mb.
• Имя файла: Жидкие кристаллы.docx
• Тип: Документы; #174299

Оглавление

1. Введение 3

Жидкие кристаллы — это агрегатное состояние вещества, промежуточное между кристаллическим твердым телом и аморфной жидкостью. Сам термин «жидкие кристаллы» уникальным способом сочетают те свойства, которые, как, казалось бы, не сочетаемые между собой. Это анизотропия и текучесть. Жидкие кристаллы в основном характеризуются тем, что обладают очень сильно подвижной структурой, которые под воздействием сравнительно слабых внешних факторов меняются, и, вследствие, ведут макроскопическим изменениям свойств образца. Именно поэтому жидкие кристаллы легко управляются и находят довольно большое практическое применение в науке и технике уже много лет [1]. 3

Актуальность 3

Очень часто в научно-популярных статьях и журналах можно встретить термин «жидкие кристаллы», которые посвящены им. Частенько в обычной жизни мы сталкивается с часами, экранами телевизоров, измерительными приборами, мониторами компьютеров, термометрами на жидких кристаллах. В настоящее время наука обладает такой силой, что повышенный интерес к какому-либо явлению означает внимание для материального производства. Сюда относится без исключения и жидкие кристаллы. Заинтересованность к ним в первую очередь определен способностью результативного использования в сфере производственной работы и является весьма актуальной темой. Введение жидких кристаллов в повседневную жизнь обозначает финансовую результативность, несложность и практичность. 3

Целью данной работы является подробное изучение свойств и структуру жидких кристаллов. Исходя из цели, необходимо решить следующие задачи: 3

- прояснить основные события истории жидких кристаллов; 3

- определить структуру и классификацию; 3

- изучить физические, химические и технологические свойства; 4

-изучить их современное применение. 4

2. Основная часть 4

Кристаллы – твёрдые вещества, которые владеют внутренней упорядоченностью и анизотропией свойств. Внутренняя упорядоченность кристаллов обуславливается присутствием кристаллической решетки, что отражает строгую повторяемость структурных частиц кристалла. В отличие от жидкостей и газов строение кристаллов подчиняется законам симметрии [2]. Из-за наличия кристаллической решетки кристаллы считаются анизотропными средами. В случае расположения кристалл под разными углами относительно падающего на него луча света и измерять коэффициент преломления, то он будет меняться в зависимости от положения кристалла. 4

4

Как уже говорилось выше, жидкости обладают подвижностью, текучестью и изотропией свойств. Но что означает "изотропия свойств"? Рассмотрим на примере явления преломления света. Установлено, что скорость распространения света зависит от среды, в которой он распространяется. Наиболее высокая скорость распространения будет в вакууме. При прохождении света через жидкости скорость уменьшается. Это уменьшение зависит от природы вещества и характеризуется коэффициентом преломления. К тому же, в каком бы направлении относительно жидкости мы ни направляли луч света, коэффициент преломления будет одинаковым. Вещества, у которых измеряемые физические свойства не зависят от направления, называют изотропными. 4

2.1 История открытия 5

2.2 Свойства жидких кристаллов 6

2.3 Молекулярное строение и структура жидких кристаллов 7

2. 4 Методы управления жидкими кристалами 12

2. 5 Схема установки жидко кристаллических индикаторов 15

2.6 Практические применения жидких кристаллов 17

3. Заключение 18

4. Список использованных источников 18

1. Введение

Жидкие кристаллы — это агрегатное состояние вещества, промежуточное между кристаллическим твердым телом и аморфной жидкостью. Сам термин «жидкие кристаллы» уникальным способом сочетают те свойства, которые, как, казалось бы, не сочетаемые между собой. Это анизотропия и текучесть. Жидкие кристаллы в основном характеризуются тем, что обладают очень сильно подвижной структурой, которые под воздействием сравнительно слабых внешних факторов меняются, и, вследствие, ведут макроскопическим изменениям свойств образца. Именно поэтому жидкие кристаллы легко управляются и находят довольно большое практическое применение в науке и технике уже много лет [1].

Актуальность

Очень часто в научно-популярных статьях и журналах можно встретить термин «жидкие кристаллы», которые посвящены им. Частенько в обычной жизни мы сталкивается с часами, экранами телевизоров, измерительными приборами, мониторами компьютеров, термометрами на жидких кристаллах. В настоящее время наука обладает такой силой, что повышенный интерес к какому-либо явлению означает внимание для материального производства. Сюда относится без исключения и жидкие кристаллы. Заинтересованность к ним в первую очередь определен способностью результативного использования в сфере производственной работы и является весьма актуальной темой. Введение жидких кристаллов в повседневную жизнь обозначает финансовую результативность, несложность и практичность.

Целью данной работы является подробное изучение свойств и структуру жидких кристаллов. Исходя из цели, необходимо решить следующие задачи:

- прояснить основные события истории жидких кристаллов;

- определить структуру и классификацию;

- изучить физические, химические и технологические свойства;

-изучить их современное применение.

2. Основная часть

Кристаллы – твёрдые вещества, которые владеют внутренней упорядоченностью и анизотропией свойств. Внутренняя упорядоченность кристаллов обуславливается присутствием кристаллической решетки, что отражает строгую повторяемость структурных частиц кристалла. В отличие от жидкостей и газов строение кристаллов подчиняется законам симметрии [2]. Из-за наличия кристаллической решетки кристаллы считаются анизотропными средами. В случае расположения кристалл под разными углами относительно падающего на него луча света и измерять коэффициент преломления, то он будет меняться в зависимости от положения кристалла.



Рис. 1 Скорость распространения света в кристалле от ориентации относительного луча

Как уже говорилось выше, жидкости обладают подвижностью, текучестью и изотропией свойств. Но что означает "изотропия свойств"? Рассмотрим на примере явления преломления света. Установлено, что скорость распространения света зависит от среды, в которой он распространяется. Наиболее высокая скорость распространения будет в вакууме. При прохождении света через жидкости скорость уменьшается. Это уменьшение зависит от природы вещества и характеризуется коэффициентом преломления. К тому же, в каком бы направлении относительно жидкости мы ни направляли луч света, коэффициент преломления будет одинаковым. Вещества, у которых измеряемые физические свойства не зависят от направления, называют изотропными.
2.1 История открытия

Жидкие кристаллы были открыты впервые в 1888 г. австрийским ботаником и химиком Ф. Рейнитцером. Он заметил интересную вещь, что у кристаллов холестерилбензоната и холестерилацетата было две точки плавления с образованием кристаллов и, в свою очередь, два разных жидких состояния – мутное и прозрачное. Момент перехода от мутной жидкости в прозрачную назвали точкой просветления.

Наиболее поразительное, что в процессе последующих изучений  было установлено, что мутная жидкость является анизотропной. Выходит, что данная жидкость обладала свойствами кристаллов, в следствие именно такому состоянию и получил название «жидкокристаллической». Но учёные не подали особого внимания на необычные свойства этих жидкостей. В течение длительного времени физики и химики в основном не признавали жидких кристаллов, по причине разрушения о трёх состояниях вещества: твёрдом, жидком и газообразном. Учёные включали эти кристаллы либо к коллоидным растворам, либо к эмульсиям. Более того, в результате многолетних исследований профессора университета Карлсруэ Отто Леманн, несмотря на то, что в 1904 году выпустил книгу «Жидкие кристаллы» которому не нашлось применения, все же было предоставлено возможность доказать [3, 4].

Для того чтобы обнаружить тепловые поля невооруженным глазом, для американца Дж. Фергюсона в 1963 году пришлось, используя свойства жидких кристаллов, изменять цвет под действием температуры. После этого ему выдали патент на изобретение, который привел к увеличенному интересу о жидких кристаллах.

Уже в 1965 г. в США состоялась первая международная конференция, которая была посвящена жидким кристаллам. Для отображения систем информации в 1968 году ученые сделали уже новые индикаторы. Схема работы обосновано 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.

Тем не менее, в США после 1973 году группа химиков под руководством Джорджа Грея смогли получить жидкие кристаллы из более менее не дорогого и доступного сырья, вследствие чего эти вещества получили широкое распространение в различных устройствах.

Несмотря на то, что было множество ошибок, заблуждений на сегодняшний день наука продвинулась достаточно далеко и дальше развивается быстрыми темпами. Особенно в последние десятилетия, что представляет собой особый интерес дальнейшему изучению жидких кристаллов, поэтому занимают особое место в технике и промышленности [4].
2.2 Свойства жидких кристаллов

Жидкокристаллические вещества – это вещества, находящие в жидком и твердом состоянии, способные при конкретной температуре выше точки плавления совмещать в одно и то же время некоторые свойства жидкостей и свойства кристаллического состояния. Например, текучесть и упорядоченность.

Как известно, вязкость жидких кристаллов впервые было измерено Шенком капиллярным методом, который показал, что при высоких температурах вязкость мезофазы уменьшается, но когда находится рядом с переходом от нематичекой фазы к изотропному состоянию, то очень быстро достигается максимума. Дальше вязкость потихоньку падает[5].

Плотность вещества не так уж сильно меняется. Из-за образований молекулярных групп, глобальных изменений свойств в мезофазе не наблюдается. Эти молекулярные группы создают упругость гетерогенного вещества. Понижение температуры ведет к увеличению молекулярных групп, при этом сохраняется дальний порядок расположения длинных осей молекул. Нетрудно догадаться, что структура этих молекул очень подвижная, поэтому на жидкие кристаллы, точнее на их свойства влияют буквально все подряд: изменение температуры, ультразвук, магнитные и электрические поля. Все это взаимодействуя с жидкими кристаллами может изменить их свойства. Поэтому существует, например, жидко кристаллический термометр, точнее можно сказать что это не термометр как точный прибор а индикатор, того что температура повысила определенное значение.

Итого процесс разрушения структуры происходит в несколько этапов. Последние исследования показывают, что структура жидкого кристалла слишком изменчива, то есть при маленьких поверхностных воздействий вдет к изменению макроскопических свойств. Вследствие этого свойства жидких кристаллов могут с легкостью меняться при помощи небольших воздействий.

2.3 Молекулярное строение и структура жидких кристаллов

На сегодняшний день открыты, изучены более сотни тысяч органических веществ, более того, количество дальше развивается. Эти органические вещества способны находится в жидко кристаллическом состоянии. Как известно, если в первые десятилетия их называли веществами, которые состоят из ассиметрических молекул, так называемые «каламитики» (в переводе от греческого трост), то на сегодняшний день были открыты другие мезоморфные вещества в форме диска или по другому «дискотики».

Также жидкие кристаллы часто называют мезоморфными веществами, а фазу, которая существует между точкой плавления и точкой просветления, - мезо-фазой. Но на самом деле, не все вещества могут образовывать жидкокристаллическую фазу. Такая особенность свойственна только тем веществам [6-8], молекулы которых имеют асимметричную форму, и которая обеспечивает поляризуемость и расположение молекул параллельно друг другу. Например, молекула этого же холестерилбензоата имеет вытянутую вдоль одной оси асимметричную форму:



Рис. 2 Структурная формула холестерилбензоат



Рис.3 Температурные точки плавления жидкого кристалла

Классификация жидких кристаллов по форме молекул (мезогенов)

Жидкие кристаллы делятся на два больших класса:

1. Термотропные жидкие кристаллы. Они образуются вследствие повышения температуры твердого тела и зависят от определенной температуры и давления

2. Лиотропные жидкие кристаллы. Являются двух или более компонентные системы, которые образуются в так называемых амфифильных смесях и молекул воды, ну или другого полярного вещества.

В зависимости от формы молекул жидкие кристаллы классифицируют на: каламитики (стержнеобразные молекулы), дискотики (дискообразные или пластинкообразные молекулы) и санидики (планкообразные молекулы).

Рис. 4 Классификация жидких кристаллов

Так как образование происходит при температурном воздействии, к термотроным жидким кристаллам относят еще 3 подкласса: холестерический, смектический, и нематический, которые предоставлены на рисунке 5 Здесь схематически показаны расположения стержне- и дискообразных молекул, о которых говорилось выше. Такие области в науке называют доменами. Все они представляют собой непрерывную анизатропную среду.


Рис.5 Схема расположения стержнеобразных (а-в) и пластинообразных (г) молекул в смектической (а), нематической (б), холестерической (в) фазах

Как известно, первые смектические соединения были замечены в омыляющих веществах, что от греческого переводится «смегма». В смектчеких соединениях молекулы находятся в слоях, а центры масс подвижны в двух измерениях (рисунок 5 (а)). Оси молекул являются относительно длинными и могут находится как перпендикулярно, так и под наклоном, а направление обычно называют «директором».

Нематитики – это соединения, которые имеют одномерных ориентационных порядков длинных или коротких осей. Но в отличие от смектических соединениях молекулы находятся беспорядочно. Это говорит о том, что в них нет трансляционного порядка.

Холестирические жидкие кристаллы получили название от холестерина. Холестерики очень похожи с нематиками, но у них в наибольшей степени сложнее структура, и как показано на рисунке 5 (б). Но к ним еще прибавляется спиральная закрученность. У холестерических соединений есть редкое качество – это избирательно отображать падающий свет, то есть своего рода как дифракционная решетка. Вектор n – это направление директора [8].

Лиотропные жидкие кристаллы образуются вследствии растворения амфмфильных соединений полярными растворителями, например вода, или жирные кислоты. Если эти соединения растворяются в воде то образуются мицеллы – сложное структурное образование, который состоит из агрегата, противоионов и потенциалопределяющих веществ. Рисунок 6 (а).







Рис. 6 Основные текстуры жидких кристаллов
В отличие от термотропов у лиотропных соединения уже определяется по двум параметрам, это концентрация и температура (рисунок 6). Лиотропы, как правило, образуются в биологической системе, работающий в водной среде, где четко видно образование у жидких кристаллов в соответствие с подвижностью молекул и расположение к самоорганизации [8, 9].

2. 4 Методы управления жидкими кристалами

На основе любого жидко-кристалического индикатора является так называемая электрооптическая ячейка, устройство которого изображена на рисунке 7. Две стеклянные полоски, на которых нанесен прозрачный проводящий слой из окиси индия или окиси олова разделяются тонкими подкладками из непроводящего материала, например полиэтилен, тефлон, которые непосредственно выполняют роль электродов. Зазор, который образовывается между пластинками заполняется жидким кристаллом, в зависимости от назначения ячейки, который колеблется в пределах 5-50мкм и по периметру вся «сандвичевая» конструкция закрывается герметикой или другим материалом, который плотно изолируется.



Рис. 7 Электрооптическая ячейка типа «сандвич» с планарной ориентацией молекул (а) и схемы расположения молекул жидких кристаллов в ячейке: б- гомогенная и в- твист-ориентация (TN-структура).

1 – слой жидкого кристалла, 2 – стеклянные пластинки, 3 – слой проводящий ток, 4 – диэлектрическая подкладка, 5 – поляризатор, 6 – источник электрического напряжения
Именно поэтому ячейка может быть помешана между двумя очень тонкими пленочными поляризаторами, плоскости поляризаторы, образующие как то определенный угол, для того чтобы под действием электрического поля можно было наблюдать эффекты ориентации молекул. Даже незначительного приклада электрического напряжения (1,5-3В) к тонкому жидко кристаллическому слою ведет к изменению ориентации жидкого кристалла из-за внутреннего трения анизотропной жидкости и малой вязкости и также обеспечивает непосредственно подачу сигналов с интегральных схем. В то же время, необходимо подчеркнуть, что электрическое поле действует на ориентировочные группы молекул, такие как домены, например, которые состоят из многочисленных молекул, в результате чего энергия электростатического взаимодействия намного больше превышает энергию теплового движения молекул, а не на отдельные молекулы, как предполагалось.

Для того чтобы направление максимально диэлектрической постоянной совпадало с направлением электрического поля жидкий кристалл стремится повернуться таким образом. В итоге из-за большой величины двух лучей преломления ∆n процесс ориентации ведет к быстрому изменению оптических свойств и структуры жидких кристаллов. Влияние магнитных полей и электрического поля впервые было изучено русским ученым-физиком В.К. Фредериксом, вследствие этого процессы ориентации получили название элеткрооптических эффектов фредерикса, или же по-другому называют переходы фредерикса [10].

Наиболее встречающийся один из трех вариантов представлен на рисунке 7. Называется «планарная» ориентация, характерная для нематиков с отрицательной диэлектрической анизотропией (∆ε< 0), у которых длинные оси молекул распложены параллельно со стеклянными поверхностями ячейки.

С положительной ориентацией молекул характеризуется гомеотропная ориентация (∆ε>0) рисунок 7б. Здесь же оси молекул с продольным дипольным моментом расположены перпендикулярно поверхности ячейки. И именно таким образом возможна твист- или закрученная ориентация молекул (рисунок 7(в)). Для получения таких ориентаций необходима специальная обработка стеклянных пластинок, вследствие которого длинные оси молекул располагаются таким образом, что поворачиваются в направлении от нижнего к верхнему стеклу электрооптической ячейки. Что же заставляет кристаллы нематика расположиться не параллельно друг другу, а закручиваться? Все очень просто. Достаточно на стекло нанести мельчайшие царапины, которые приводят к тому, что молекула жидкого кристалла укладываются в эти царапины. В большинство случаев это получается натиранием стекол в различных направлениях, или используют специальные вещества, которые направляют ориентацию молекул [11].У современных жидко кристаллических ячейках специальный полимерный слой очень аккуратно царапает.

2. 5 Схема установки жидко кристаллических индикаторов

Главная основа любого жидко кристаллического индикатора лежит на структурной перестройке между указанными типами ориентации молекул, инициирующие при прикладке незначительного электрического поля. Например, у циферблата электронных часов основу составляет та же самая электрооптическая ячейка, с некоторыми дополнениями (рисунок 9 (а, б)).



Рис. 8 Схема работы жидко кристаллического индикатора на твист-эффекте: а – перед включением электрического поля, б – после включения, в – семисегминтальный буквенно-цифровой электрод, который управляется электрическим полем.

Помимо стекол с напыленными электродами, двух поляризаторов, плоскости поляризации которых противоположны, но совпадают с направлением длинных осей молекул у электродов, добавляется еще располагающееся под нижним поляризатором зеркало (на рисунке не показано). Нижний электрод обычно делают сплошным, а верхний - фигурным, состоящим из семи небольших сегментов-электродов, с помощью которых можно изобразить любую цифру или букву (рисунок 89(в)). Каждый такой сегмент "питается" электричеством и включается согласно заданной программе от миниатюрного генератора. Исходная ориентация нематика закрученная, то есть мы имеем так называемый твист-ориентацию молекул. Свет падает на верхний поляризатор и становится плоскополяризованным в соответствии с его поляризацией.

Кроме стекол с электродами и поляризаторов, с противоположными плоскостями, но, в то же время, совпадающие с направлением длинных осей у электродов подкладывается еще и стекло (не изображен на рисунке). Верхний электрод обычно делают фигуральным (рисунок 8 (в)), а нижний сплошным. Фигуральный электрод состоит из семи небольших сегментов-электродов для того чтобы можно было изобразить любую цифру или букву. Все эти сегменты питаются электричеством, и приступают к работе в соответствии заданной программе и маленького генератора [12, 13].

Когда электрическое поле отсутствует, свет, идущая за твист-ориентации нематика, располагает свое направлении следовательно с оптической осью нематика, и при этом на выходе будет иметь то же самое направление поляризатора, что и нижний (рисунок 8(а)). Другими словами, из-за отражения света от зеркала можно увидеть светлый фон. Для нематического жидкого кристалла с положительной диэлектрической анизотропией (n>0) при включении электрического поля начнется переход от закрученной твист-ориентации к гомеотропной ориентации молекул. По-другому, длинные оси молекул расположатся перпендикулярно к электродам, и при этом спиральная структура разрушится.

После этого свет не изменяя направление исходной поляризации, который совпадает с поляризацией верхнего, будет направлен наоборот нижнему поляроиду, находящийся в скрещенном положении

Такая схема работы любого жидко кристаллического индикатора. Главным плюсом таких индикаторов являются небольшие напряжения (1,5-5 В), которые немного потребляют мощность, примерно от 1 до 10 мкВт, четкость изображения, легкая управляемость схемы, долговечность, устойчивость, общедоступность [14].

2.6 Практические применения жидких кристаллов

Во времена гаджетов жидкие кристаллы используются практически во всех дисплеях техники, такие как телефоны, измерительные приборы, калькуляторы, часы, и даже в комбинированном виде, что позволяет показать информацию во многих таблоидах. Например, в тех же самых наручных часах встроен и калькулятор и часы, измерительные приборы, поэтому трудно не сказать что это не компьютер. Так же если придать боле сложную конфигурацию и добавить еще больше количество сегментов-электродов, то можно получать экраны телевизоров, компьютеров, телефонные экраны. Другой способ применения – это применение в качестве усилителей и преобразователей для отображения, например в комбинации с фоточувствительными полупроводниками.

Область применения очень широкая, и они перспективны для различного рода применения. Большинство оптических эффектов жидких кристаллов изучено не так давно, около 10 лет назад техникой, но массово производятся на заводах в настоящее время.

3. Заключение

В наше время  высокоактивные и экономичные жидко кристаллические индикаторы считаются неотделимой  составляющей многомиллионного количества машин, телевизоров, калькуляторов и других технических устройств и приборов  различного направления. Вполне вероятно, что в ближайшие десятилетия жидкие кристаллы послужат основой создания таких устройств, которые станут нам привычными и удобными для использования.

Таким образом, жидкие кристаллы обладают такими свойствами, которые, казались бы, не сочетаются между собой (текучесть и анизотропию). Но, к сожалению, не всегда удается описать их свойства обычными методами, но остается интересом для дальнейшего изучения.




4. Список использованных источников
1. Чистяков И.Г. Жидкие кристаллы./ С. М. Апофеев, Н.М. Никитина - М.: Наука, 1999. 271- 272 с.

2. Каманина Н.В. Жидкие кристаллы — перспективные материалы электроники. Свойства и области применения: Учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ “ЛЭТИ”, 2004. 84-91 с.

3. Шибаев В.П. Необычные кристаллы или загадочные жидкости. Соросовский образовательный журнал, № 11, 1996, 37-46 с.

4. Адамчин А.С. Жидкие кристаллы. /Стругальский З. М.: Химия, 1979. -160с

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

6. Грошев А.А., Устройства отбражения информации на основе жидких кристаллов./ Сергеев В.Б. «Энергия», Ленинград, 1977. -80 с.

7. Блинов Л. М. Электро- и магнитооптика жидких кристаллов. М.: Наука, 1978. 384 с

8. Каманина Н. В. Электрооптические системы на основе жидких кристаллов и фуллеренов – перспективные материалы наноэлектроники. Свойства и области применения. Учебное пособие.- СПб: СПбГУИТМО, 2008 .- 137с.

9. Струков Б.А. Сегнетоэлектричество в кристаллах. Соросовский образовательный журнал, № 4, 2005, 81-89 с.

10. Анисимов К.С. Физика жидких кристаллов./ Кузьмина А.С., Гончарова В.С. М.: Мир, 1977. 400 с.

11. Жаркова Г. М., Жидкокристаллические композиты./ Сонин А. С. Новосибирск: ВО «Наука», 1994. -214 с.

12. Чандрасекар С. Жидкие кристаллы - М.: Мир, 1998 - 344 с.

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

14. Титов В.В., Жидкокристаллические дисплеи: строение, синтез, свойства жидких кристаллов. / Севостьянов В.П., Кузьмин Н.Г., Семенов А.М.. - Минск:Изд-во НПООО "Микровидеосистемы", 1998. - 238 с.