Жидкокристалллическое состояние веществ

Введение Жидкие кристааллы 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 кристааллы были ещё в XIX веке. В 1888 г. австрийский ботаник Фридрих Рейнитцер ( ) обнаружил у синтезированного им нового органического вещества - холестерилбензоата весьма необыкновенные свойства. Дальнейшим исследованием препаратов Рейнитцера занялся немецкий учёный-экспериментатор Отто Леман ( ). В это время он занимался исследованием роста и растворения кристаллов с помощью поляризационного микроскопа.. В 1904 г. Леман издаёт книгу Жидкие кристааллы, где в полном виде были собраны все экспериментальные доказательства реальности жидких кристаллов. Сторонников Лемана после этого прибавилось. Немецкий физик Рудольф Шенк ( ) заключает: Исследования показывают, что жидкие кристааллы 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 ( ). Он со своими учениками изготовил несколько сотен новых жидких кристаллов. Французский учёный Жорж Фридель ( ) предложил первую классификацию жидких кристаллов, а также предложил заменить термин жидкие кристааллы другим термином - мезоморфные вещества. Значительный вклад в науку о жидких кристаллах внёс русский учёный В. К. Фредерикс ( ). Фредерикс и его школа проделали огромное число экспериментов с жидкими кристаллами, доказали ошибочность теории роев.

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 кристааллы, 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, нематический и холестерические.

Жи́дкие криста́аллы- - (сокращённо ЖК) это фазовое состояние, в которое переходят некоторые вещества при определенных условиях (температура, давление, концентрация в растворе). Шлирен-текстура в нематическийх жидких кристаллах

Анизотропия (от греч. ánisos неравный и tróроs направление), зависимость физических свойств вещества (механических, тепловых, электрических, магнитных, оптических) от направления (в противоположность изотропии независимости свойств от направления).

-Жидкие кристааллы обладают одновременно свойствами как жидкостей (текучесть), так и кристаллов (анизотропия).анизотропия -По структуре ЖК представляют собой вязкие жидкости, состоящие из молекул вытянутой или дискообразной формы, определённым образом упорядоченных во всем объёме этой жидкости.молекул -Наиболее характерным свойством ЖК является их способность изменять ориентацию молекул под воздействием электрических полей, что открывает широкие возможности для применения их в промышленности.электрических полей

История открытия жидких кристаллов Жидкие кристааллы открыл в 1888 г. австрийский ботаник Ф. Рейнитцер. Он обратил внимание, что у кристаллов холестерилбензоата и холестерилацетата было две точки плавления и, соответственно, два разных жидких состояния мутное и прозрачное. Однако, учёные не обратили особого внимания на необычные свойства этих жидкостей. Долгое время физики и химики в принципе не признавали жидких кристаллов, потому что их существование разрушало теорию о трёх состояниях вещества: 1888Ф. Рейнитцерхолестерилбензоатахолестерилацетатасостояниях вещества твёрдом, жидком и газообразном.газообразном Учёные относили жидкие кристааллы то к коллоидным растворам, то к эмульсиям. Научное доказательство было предоставлено профессором университета Карлсруэ Отто Леманном после многолетних исследований, но даже после появления в 1904 году написанной им книги «Жидкие кристааллы», открытию не нашлось применения.коллоидным растворам эмульсия м университета Карлсруэ Отто Леманном 1904 году

Группы жидких кристаллов

По своим общим свойствам ЖК можно разделить на две большие группы: 1. термотропные ЖК, образующиеся в результате нагревания твердого вещества и существующие в определенном интервале температур и давлений. 2. лиотропные ЖК, которые представляют собой двух или более компонентные системы, образующиеся в смесях стержневидных молекул данного вещества и воды (или других полярных растворителей). Эти стержневидные молекулы имеют на одном конце полярную группу, а большая часть стержня представляет собой гибкую гидрофобную углеводородную цепь. Такие вещества называются амфифилами (амфи по- гречески означает с двух концов, филос любящий, благорасположенный). Примером амфифилов могут служить фосфолипиды.

Амфифильные Амфифильные молекулы, как правило, плохо растворяются в воде, склонны образовывать агрегаты таким образом, что их полярные группы на границе раздела фаз направлены к жидкой фазе. При низких температурах смешивание жидкого амфифила с водой приводит к расслоению системы на две фазы. Одним из вариантов амфифилов со сложной структурой может служить система мыло-вода. Здесь имеется алифатический анион СН 3 -(СН 2 ) n-2 -СО 2 (где n ~ 12-20) и положительный ион Nа+, К+, NН4+ и др. Полярная группа СО 2 стремится к тесному контакту с молекулами воды, тогда как неполярная группа (амфифильная цепь) избегает контакта с водой. Это явление типично для амфифилов.

Расположение молекул в гомогенной (изотропной) (а) и гетерогенной (анизотропной) (б) системах.

Нематические жидкие кристааллы Нематические жидкие кристааллы. В этих кристаллах отсутствует дальний порядок в расположении центров тяжести молекул, у них нет слоистой структуры, их молекулы скользят непрерывно в направлении своих длинных осей, вращаясь вокруг них, но при этом сохраняют ориентационный порядок: длинные оси направлены вдоль одного преимущественного направления. Они ведут себя подобно обычным жидкостям. Нематические фазы встречаются только в таких веществах, у молекул которых нет различия между правой и левой формами, их молекулы тождественны своему зеркальному изображению (ахиральны). Примером вещества, образующего нематическийй ЖК, может служить N-(пара- метоксибензилиден)-пара-бутиланилин.

Смектические жидкие кристааллы -имеют слоистую структуру, слои могут перемещаться друг относительно друга. Толщина смектического слоя определяется длиной молекул (преимущественно, длиной парафинового «хвоста»), однако вязкость сметчиков значительно выше чем у нематиков и плотность по нормали к поверхности слоя может сильно меняться. Типичным является терефтал-бис(пара- бутиланилин)

Холестерические жидкие кристааллы образуются, в основном, соединениями холестерина и других стероидов. Это нематическийе ЖК, 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). В качестве типичного холестерика можно назвать амил- пара-(4-цианобензилиденамино)- циннамат

Холестерические жидкие кристааллы Холестерические жидкие кристааллы образуют в основном соединения холестерина и других стероидов. Структура жидких кристаллов такая же, как и у нематическийх, 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.

Лиотропные жидкие кристааллы До сих пор мы говорили о жидких кристаллах, которые образуются в процессе нагревания твёрдого кристалла и существуют в определённом температурном интервале. Эти жидкие кристааллы объединяются общим названием - термотропные мезофазы. Жидкие кристааллы 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 кристааллы, 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 - мицеаллы, 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 кристааллы 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 кристааллы. 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 кристааллы, только при температурах, значительно превышающих комнатную. В настоящее время эти трудности преодолены. Синтезированы жидкие кристааллы, 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 кристааллы с твёрдыми, - анизотропию теплопроводности. Жидкие кристааллы 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 кристааллы плеохраничны. Неодинаковое поглощение света различной длины волны приводит к тому, что жидкие кристааллы 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 кристааллы делятся на две основные группы. К первой группе относятся жидкие кристааллы с положительной диэлектрической анизотропией, у которых Дє=є -є >0, ко второй - с отрицательной диэлектрической анизотропией Дє=є -є <0. В общем, жидкие кристааллы 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 нематическийх жидких кристаллов проводимость вдоль длинных осей молекул будет всегда больше проводимости поперёк длинных осей молекул. Таким образом, нематическийе кристааллы 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 кристааллы обладают отрицательной диэлектрической анизотропией.

7. Магнитные свойства Жидкие кристааллы являются диамагнитными материалами, как и большинство органических соединений. Магнитная проницаемость, как и магнитная восприимчивость - являются свойствами анизотропными. Все жидкие кристааллы 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 к Гс), 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 кристааллы 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.

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 кристааллы в виде плёнки наносят на транзисторы, интегральные схемы ипечатные 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.термографияиндикаторытранзисторыинтегральные схемыпечатные платывоспалениеопухоль С помощью жидких кристаллов обнаруживают пары́ 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, до цветных телевизоров с жидкокристаллическим экраномразмером с почтовую открытку прошло лишь несколько лет. Такие телевизоры дают изображение весьма высокого качества, потребляя меньшее количество энергии.гаммаультрафиолетовоедавленияультразвукателевизоровжидкокристаллическим экраном

Жидкие кристааллы в биологии Многим структурным образованиям живого организма свойственно жидкокристаллическое состояние. Структура жидких кристаллов оказалась удобной для биологических процессов. Она соединяет в себе устойчивость к внешним воздействиям с гибкостью и пластичностью. Среди биоорганических веществ особенно распространены лиотропные жидкие кристааллы. Их образуют полипептиды, эфиры холестерина, цереброзиды, вирусы. Сложные биологически активные молекулы (например, ДНК) и даже макроскопические тела (например, вирусы) также могут находиться в жидкокристаллическом состоянии. Жидкие кристааллы играют важную роль в ряде механизмов жизнедеятельности человеческого организма. Некоторые болезни (атеросклероз, желчнокаменная болезнь), связанные с появлением в организме твердых кристаллов, проходят через стадию возникновения жидкокристаллического состояния.ДНК

Нитевидные молекулы реагируют на электрическое и магнитное поле так же, как железные опилки, располагаясь самым упорядоченным образом вдоль силовых линий поля. Из каждой тысячи новых органических соединений, синтезируемых в лабораториях мира, по крайней мере, пять могут образовывать жидкие кристааллы.

Универсальные свойства таких веществ позволили использовать их во многих областях науки и техники, в частности при изготовлении жидкокристаллических дисплеев, плоских экранов, термометров.

МИКРОФОТОГРАФИИ В СКРЕЩЕННЫХ ПОЛЯРОИДАХ ОТ РАЗЛИЧНЫХ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ РАСТВОРОВ ПОЛИМЕРОВ. 160С 20С 140С PBAPFTAPABI

Схема регистрации картин рассеяния поляризованного света

ТИПИЧНЫЕ Hv КАРТИНЫ МАЛОУГЛОВОГО РАССЕЯНИЯ ПОЛЯРИЗОВАННОГО СВЕТА ОТ ЖК РАСТВОРОВ И ПЛЕНОК (a) PBA and PFTA. (b) DAC and EC Hv КАРТИНЫ МАЛОУГЛОВОГО РАССЕЯНИЯ ПОЛЯРИЗОВАННОГО СВЕТА ОТ ОРИЕНТИРОВАНННЫХ ЖК РАСТВОРОВ И ПЛЕНОК PBA, (b) 30% DAC, (c) 30% DAC.

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.