Жидкие кристаллы Бочагова
Bochagova (обсуждение | вклад) |
Bochagova (обсуждение | вклад) |
||
Строка 2: | Строка 2: | ||
Большинство веществ может находиться только в трех агрегатных состо¬яниях: твердом, жидком или газообразном. Однако некоторые органические вещества, обладающие сложными молекулами, могут образовывать четвер¬тое, жидкокристаллическое. Как следует из самого названия, речь идет о специфическом агрегатном состоянии вещества, в котором оно проявляет одновременно свойства кристалла и жидкости. Оказывается, что при плав¬лении кристаллов этих веществ образуется жидкокристаллическая фаза, отличающаяся от обычных жидкостей. Эта фаза существует в интервале от температуры плавления до некоторой более высокой температуры, при нагреве до которой жидкий кристалл переходит в обычную жидкость. | Большинство веществ может находиться только в трех агрегатных состо¬яниях: твердом, жидком или газообразном. Однако некоторые органические вещества, обладающие сложными молекулами, могут образовывать четвер¬тое, жидкокристаллическое. Как следует из самого названия, речь идет о специфическом агрегатном состоянии вещества, в котором оно проявляет одновременно свойства кристалла и жидкости. Оказывается, что при плав¬лении кристаллов этих веществ образуется жидкокристаллическая фаза, отличающаяся от обычных жидкостей. Эта фаза существует в интервале от температуры плавления до некоторой более высокой температуры, при нагреве до которой жидкий кристалл переходит в обычную жидкость. | ||
− | :Первым, кто обнаружил жидкие кристаллы, то есть понял, что это самосто¬ятельное агрегатное состояние вещества, был австрийский ученый, ботаник Рейнитцер <ref> Трофимова Т.И., Курс общей физики. - М.: Высшая школа, 1997 | + | :Первым, кто обнаружил жидкие кристаллы, то есть понял, что это самосто¬ятельное агрегатное состояние вещества, был австрийский ученый, ботаник Рейнитцер <ref> Трофимова Т.И., Курс общей физики. - М.: Высшая школа, 1997.</ref>. Исследуя новое синтезированное им вещество холестерилбензоат, он в 1888 году обнаружил, что при нагреве до температуры 145°С кристал¬лы этого вещества плавятся, образуя мутную, сильно рассеивающую свет жидкость. Затем по достижении температуры 179°С жидкость становится прозрачной, т. е. начинает себя вести в оптическом отношении как обычная жидкость, например вода. Неожиданные свойства холестерилбензоат обна¬руживал в мутной фазе. Рассматривая его под поляризационным микро¬скопом, Рейнитцер обнаружил, что в этой фазе он обладает двулучепреломлением. Это означает, что показатель преломления этой фазы зависит от поляризации света. Но явление двупреломления - это типично кристалли¬ческий эффект, и в изотропной жидкости он не должен наблюдаться. |
Более детальные исследования, к которым Рейнитцер привлек известного физика Лемана, показали, что наблюдаемый эффект не может быть обусло¬влен двухфазностью этого состояния, т. е. мутная фаза полностью однород¬на, она не является жидкостью, в которой содержатся кристаллиты. Это фазовое состояние и было названо Ломаном жидкокристаллическим. | Более детальные исследования, к которым Рейнитцер привлек известного физика Лемана, показали, что наблюдаемый эффект не может быть обусло¬влен двухфазностью этого состояния, т. е. мутная фаза полностью однород¬на, она не является жидкостью, в которой содержатся кристаллиты. Это фазовое состояние и было названо Ломаном жидкокристаллическим. | ||
:Подобно обычным жидкостям, жидкие кристаллы текучи и принимают форму сосуда, в котором помещены. А с другой стороны, образующие их молекулы упорядочены в пространстве. Правда, это упорядочение не такое полное, как в обычных кристаллах. Пространственная ориентация молекул жидких кристаллов состоит в том, например, что все длинные оси молекул одинаково ориентированы. Для характеристики ориентационного порядка вводится вектор единичной длины L, называемый директором, направле¬ние которого совпадает с направлением усредненной ориентации длинных осей молекул. Кроме того, вводится еще одна величина, параметр порядка 5, который характеризует степень ориентационного упорядочения молекул. | :Подобно обычным жидкостям, жидкие кристаллы текучи и принимают форму сосуда, в котором помещены. А с другой стороны, образующие их молекулы упорядочены в пространстве. Правда, это упорядочение не такое полное, как в обычных кристаллах. Пространственная ориентация молекул жидких кристаллов состоит в том, например, что все длинные оси молекул одинаково ориентированы. Для характеристики ориентационного порядка вводится вектор единичной длины L, называемый директором, направле¬ние которого совпадает с направлением усредненной ориентации длинных осей молекул. Кроме того, вводится еще одна величина, параметр порядка 5, который характеризует степень ориентационного упорядочения молекул. | ||
Строка 18: | Строка 18: | ||
Изменение ориентации L в нематическом жидком кристалле требует на¬пряжения порядка одного вольта и мощностей порядка микроватт, что мож¬но обеспечить непосредственной подачей сигналов с интегральных схем без дополнительного усиления. Поэтому жидкие кристаллы широко использу¬ются в малогабаритных электронных часах, калькуляторах, индикаторах, в плоских экранах портативных телевизоров и компьютеров. Для отображе¬ния цифровой информации в жидкокристаллических ячейках либо электро¬ды выполняются в виде нужных цифр, либо нужная цифра воспроизводится путем «включения» определенной комбинации ячеек, выполненных в виде полосок. | Изменение ориентации L в нематическом жидком кристалле требует на¬пряжения порядка одного вольта и мощностей порядка микроватт, что мож¬но обеспечить непосредственной подачей сигналов с интегральных схем без дополнительного усиления. Поэтому жидкие кристаллы широко использу¬ются в малогабаритных электронных часах, калькуляторах, индикаторах, в плоских экранах портативных телевизоров и компьютеров. Для отображе¬ния цифровой информации в жидкокристаллических ячейках либо электро¬ды выполняются в виде нужных цифр, либо нужная цифра воспроизводится путем «включения» определенной комбинации ячеек, выполненных в виде полосок. | ||
:Если в нематике внешнее поле приводит к сравнительно простой пере¬ориентации молекул, то у холестерина наложение поля, перпендикулярного холестерической оси, приводит к увеличению шага спирали, угол поворота директора перестает быть линейной функцией координаты, а при достиже¬нии некоторого критического значения поля холестерическая спираль пол¬ностью раскручивается. Зависимость шага спирали холестерических кри¬сталлов от температуры позволяет использовать пленки этих веществ для наблюдения распределения температуры на поверхности различных тел, при медицинской диагностике, визуализации теплового излучения. | :Если в нематике внешнее поле приводит к сравнительно простой пере¬ориентации молекул, то у холестерина наложение поля, перпендикулярного холестерической оси, приводит к увеличению шага спирали, угол поворота директора перестает быть линейной функцией координаты, а при достиже¬нии некоторого критического значения поля холестерическая спираль пол¬ностью раскручивается. Зависимость шага спирали холестерических кри¬сталлов от температуры позволяет использовать пленки этих веществ для наблюдения распределения температуры на поверхности различных тел, при медицинской диагностике, визуализации теплового излучения. | ||
− | Наибольшее практическое значение имеет так называемый твист-эффект, представляющий собой переход Фредерикса, но в предваритель¬но закрученной структуре. Жидкокристаллическая нематическая твист-ячейка была изобретена Шнадтом и Гельфричем в 1970 г. Схема такой ячейки приведена на рис. 11: LC — жидкий кристалл, PI, PI — полярои¬ды, EI, EI — прозрачные электроды, / — экран, G — стекло. Твист-структура <ref>Савина О. М., Энциклопедия. - М.: АСТ, 1994 | + | Наибольшее практическое значение имеет так называемый твист-эффект, представляющий собой переход Фредерикса, но в предваритель¬но закрученной структуре. Жидкокристаллическая нематическая твист-ячейка была изобретена Шнадтом и Гельфричем в 1970 г. Схема такой ячейки приведена на рис. 11: LC — жидкий кристалл, PI, PI — полярои¬ды, EI, EI — прозрачные электроды, / — экран, G — стекло. Твист-структура <ref>Савина О. М., Энциклопедия. - М.: АСТ, 1994.</ref>. располагается между двумя скрещенными поляроидами. Без поля (а) молекулы образуют твист-структуру, которая вращает поляризацию света так, что свет проходит через анализатор. В электрическом поле (б) моле¬кулы выстраиваются параллельно полю, поляризация не вращается и свет блокируется анализатором. В отсутствие поля свет, предварительно поля¬ризованный с помощью, например, пленочного поляроида, проходит сквозь твист-структуру. Но если к прозрачным электродам, нанесенным на стекла, приложить электрическое поле, то в случае е > 0 ди¬ректор переориентируется перпендикулярно стеклам, и ячейка теряет спо¬собность поворачивать плоскость поляризации света. Тем самым ячейка пе¬рестает пропускать свет. Этот эффект изменения оптического пропускания под действием электрического поля применяют в черно-белых индикаторах информации. |
[[Файл:Рис11.png|мини|right|300px|Рисунок 11.]] | [[Файл:Рис11.png|мини|right|300px|Рисунок 11.]] |
Версия 14:10, 15 ноября 2011
Жидкие кристаллы
Большинство веществ может находиться только в трех агрегатных состо¬яниях: твердом, жидком или газообразном. Однако некоторые органические вещества, обладающие сложными молекулами, могут образовывать четвер¬тое, жидкокристаллическое. Как следует из самого названия, речь идет о специфическом агрегатном состоянии вещества, в котором оно проявляет одновременно свойства кристалла и жидкости. Оказывается, что при плав¬лении кристаллов этих веществ образуется жидкокристаллическая фаза, отличающаяся от обычных жидкостей. Эта фаза существует в интервале от температуры плавления до некоторой более высокой температуры, при нагреве до которой жидкий кристалл переходит в обычную жидкость.
- Первым, кто обнаружил жидкие кристаллы, то есть понял, что это самосто¬ятельное агрегатное состояние вещества, был австрийский ученый, ботаник Рейнитцер [1]. Исследуя новое синтезированное им вещество холестерилбензоат, он в 1888 году обнаружил, что при нагреве до температуры 145°С кристал¬лы этого вещества плавятся, образуя мутную, сильно рассеивающую свет жидкость. Затем по достижении температуры 179°С жидкость становится прозрачной, т. е. начинает себя вести в оптическом отношении как обычная жидкость, например вода. Неожиданные свойства холестерилбензоат обна¬руживал в мутной фазе. Рассматривая его под поляризационным микро¬скопом, Рейнитцер обнаружил, что в этой фазе он обладает двулучепреломлением. Это означает, что показатель преломления этой фазы зависит от поляризации света. Но явление двупреломления - это типично кристалли¬ческий эффект, и в изотропной жидкости он не должен наблюдаться.
Более детальные исследования, к которым Рейнитцер привлек известного физика Лемана, показали, что наблюдаемый эффект не может быть обусло¬влен двухфазностью этого состояния, т. е. мутная фаза полностью однород¬на, она не является жидкостью, в которой содержатся кристаллиты. Это фазовое состояние и было названо Ломаном жидкокристаллическим.
- Подобно обычным жидкостям, жидкие кристаллы текучи и принимают форму сосуда, в котором помещены. А с другой стороны, образующие их молекулы упорядочены в пространстве. Правда, это упорядочение не такое полное, как в обычных кристаллах. Пространственная ориентация молекул жидких кристаллов состоит в том, например, что все длинные оси молекул одинаково ориентированы. Для характеристики ориентационного порядка вводится вектор единичной длины L, называемый директором, направле¬ние которого совпадает с направлением усредненной ориентации длинных осей молекул. Кроме того, вводится еще одна величина, параметр порядка 5, который характеризует степень ориентационного упорядочения молекул.
В жидких кристал¬лах выделяют три разновидности: нематические, смектические и холестерические. Нематики. Чтобы схематично описать устройство нематиков, удобно молекулы, образующие его, представить в виде палочек. Для такой идеа¬лизации есть физические основания. Молекулы жидких кристаллов пред¬ставляют собой типичные для многих органических веществ образования со сравнительно большим молекулярным весом, порядка сотни, сильно вытя¬нутые в одном направлении. Структура типичного нематика приведена на рис.10. При наблюдении нематика через микроскоп видна причудливая совокупность пересекающихся линий, или, как их называют, нитей, предста¬вляющих собой границы раздела между однодоменными областями.
Ам¬плитуда ориентационных колебаний молекул зависит от близости жидкого кристалла к точке фазового перехода в обычную жидкость, возрастая по ме¬ре приближения температуры нематика к температуре фазового перехода. В точке фазового перехода ориентационное упорядочение молекул исчезает, и ориентация молекул становится полностью хаотической.
- Смектики. В смектических жидких кристаллах степень упорядочения молекул выше, чем в нематиках. Схематически структура смектика выгля¬дит так, как это показано на рис. 10(б). В смектиках, помимо ориентационной упорядоченности молекул, аналогичной случаю нематиков, существует ча¬стичное упорядочение центров тяжести молекул-молекулы смектика ор¬ганизованы в слои, расстояния между которыми фиксированы, что и дает упорядочение слоев. Ориентация молекул в слое может быть как перпенди¬кулярна плоскости слоя, так, и направлена под некоторым углом к нему.
Общим для всех смектиков, независимо от описанных выше деталей их структуры, является слабое взаимодействие молекул, принадлежащих к различным слоям, по сравнению с взаимодействием молекул внутри одно¬го слоя. По этой причине слои легко скользят друг относительно друга и смектики на ощупь мылоподобны. Аналогично нематикам, смектики обладают двулучепреломлением света. Если не созданы специ¬альные условия, образец смектического жидкого кристалла, так же как и нематик, представляет собой совокупность малых областей (доменов) с оди¬наковым упорядочением молекул только в их пределах.
- Холестерики. Холестерики устроены более сложно, чем нематики и смектики. Локально холестерический жидкий кристалл имеет такую же структуру, что и нематик. Это означает, что в малом объеме упорядочение молекул холестерика можно характеризовать директором и параметром по¬рядка. Отличия холестерика от нематика проявляются в больших по срав¬нению с молекулярными размерами масштабах. Оказывается, что направле¬ние директора в холестерике, но остается неизменным по его объему даже для однодоменного образца. Существует такое направление, называемое холестерической осью (на рис. 10(в) это ось г), вдоль которого регулярным образом изменяется ориентация директора.
- Следует отметить, что мы рассмотрели лишь жидкие кристаллы, моле¬кулы которых имеют удлиненную форму. Реально для жидких кристаллов существенным моментом является лишь анизотропия молекул, и поэтому жидкокристаллическую фазу могут образовывать и молекулы сплюснутой формы (доскообразные). Существует и другой класс жидких кристаллов - лиотропные, к которым относятся, в частности, клеточные мембраны, игра¬ющие большую роль в биологии. Мы ограничимся только подробно разо¬бранными выше термотропными жидкими кристаллами, в которых фазо¬вый переход в жидкокристаллическое состояние происходит при изменении температуры вещества.
Из всего многообразия физических свойств жидких кристаллов мы оста¬новимся лишь на их оптических свойствах, которые определяют необычайно широкое использование жидких кристаллов для отображения информации. Прежде всего, рассмотрим вопрос о том, как получить жидкий монокри¬сталл, например, нематик. Стабилизировать структуру жидкого кристалла можно, например, с помощью поверхностных сил, задающих определенную ориентацию молекул на поверхностях, ограничивающих нематик, который, в свою очередь, индуцирует за счет межмолекулярных взаимодействии со¬ответствующую ориентацию молекул в объеме.
- Можно создавать ориентацию молекул и внешними полями, как прави¬ло, электрическими, ориентирующими молекулы однородным образом во всем объеме. Решающую роль в электрооптическом поведении жидких кри¬сталлов играет анизотропия их диэлектрических свойств. Во внешнем по¬ле жидкий кристалл стремится ориентироваться так, чтобы направление, в котором его диэлектрическая проницаемость £ максимальна, совпадало с направлением поля; при этом L || Е. С переориентацией директо¬ра связано изменение направления оптической оси, т. е. практически всех оптических свойств образца-поглощения света, вращения плоскости по¬ляризации, двойного лучепреломления и т. д.
Изменение ориентации L в нематическом жидком кристалле требует на¬пряжения порядка одного вольта и мощностей порядка микроватт, что мож¬но обеспечить непосредственной подачей сигналов с интегральных схем без дополнительного усиления. Поэтому жидкие кристаллы широко использу¬ются в малогабаритных электронных часах, калькуляторах, индикаторах, в плоских экранах портативных телевизоров и компьютеров. Для отображе¬ния цифровой информации в жидкокристаллических ячейках либо электро¬ды выполняются в виде нужных цифр, либо нужная цифра воспроизводится путем «включения» определенной комбинации ячеек, выполненных в виде полосок.
- Если в нематике внешнее поле приводит к сравнительно простой пере¬ориентации молекул, то у холестерина наложение поля, перпендикулярного холестерической оси, приводит к увеличению шага спирали, угол поворота директора перестает быть линейной функцией координаты, а при достиже¬нии некоторого критического значения поля холестерическая спираль пол¬ностью раскручивается. Зависимость шага спирали холестерических кри¬сталлов от температуры позволяет использовать пленки этих веществ для наблюдения распределения температуры на поверхности различных тел, при медицинской диагностике, визуализации теплового излучения.
Наибольшее практическое значение имеет так называемый твист-эффект, представляющий собой переход Фредерикса, но в предваритель¬но закрученной структуре. Жидкокристаллическая нематическая твист-ячейка была изобретена Шнадтом и Гельфричем в 1970 г. Схема такой ячейки приведена на рис. 11: LC — жидкий кристалл, PI, PI — полярои¬ды, EI, EI — прозрачные электроды, / — экран, G — стекло. Твист-структура [2]. располагается между двумя скрещенными поляроидами. Без поля (а) молекулы образуют твист-структуру, которая вращает поляризацию света так, что свет проходит через анализатор. В электрическом поле (б) моле¬кулы выстраиваются параллельно полю, поляризация не вращается и свет блокируется анализатором. В отсутствие поля свет, предварительно поля¬ризованный с помощью, например, пленочного поляроида, проходит сквозь твист-структуру. Но если к прозрачным электродам, нанесенным на стекла, приложить электрическое поле, то в случае е > 0 ди¬ректор переориентируется перпендикулярно стеклам, и ячейка теряет спо¬собность поворачивать плоскость поляризации света. Тем самым ячейка пе¬рестает пропускать свет. Этот эффект изменения оптического пропускания под действием электрического поля применяют в черно-белых индикаторах информации.
Хорошие оптические свойства твист-ячейки делает ее даже сегодня наи¬лучшей среди дисплеев. Недостаток первых дисплеев - ограниченное число символов, но сейчас уже изготовляются дисплеи, которые имеют более по¬лумиллиона изображающих точек. Решена и проблема электроники, упра¬вляющей таким громадным числом отображающих точек.
Используемые источники
- ↑ Трофимова Т.И., Курс общей физики. - М.: Высшая школа, 1997.
- ↑ Савина О. М., Энциклопедия. - М.: АСТ, 1994.