Acasă » Kamensky » Exemple de cristale lichide. Rezumat: Cristale lichide și ele. Monitoare cu cristale lichide

Exemple de cristale lichide. Rezumat: Cristale lichide și ele. Monitoare cu cristale lichide

Senior al doilea decembrie Cercetător Departamentul de Compuși Macromoleculari, Facultatea de Chimie, Universitatea de Stat din Moscova, Profesor asociat, Doctor în Chimie, Laureat al Premiului Președintelui Federația Rusă pentru tinerii oameni de știință pentru 2009 Alexey Bobrovsky a susținut o prelegere despre cristalele lichide la Muzeul Politehnic în cadrul proiectului Prelegeri publice Polit.ru. Corespondentul Lenta.Ru l-a intervievat pe om de știință, în care Bobrovsky a spus din nou pe scurt ce sunt cristalele lichide, cum sunt obținute și studiate și de ce sunt necesare.

Ce sunt cristalele lichide?

Acestea sunt substanțe capabile să formeze o fază specială intermediară între faza lichidă izotropă (dezordonată) obișnuită și faza cristalină solidă. Putem spune că cristalele lichide sunt lichide ordonate. Termenul "mezofaze" ("mesos" - intermediar) este adesea folosit pentru fazele cristalelor lichide. Datorită ordinii lor moleculare, au un număr mare de proprietăți interesante datorită cărora cristalele lichide sunt utilizate într-o varietate de dispozitive tehnice. Mai mult, acum aproape fiecare persoană folosește un monitor LCD, se uită la un televizor LCD, monitoarele telefoanelor mobile funcționează pe cristale lichide.

Care sunt proprietățile cristalelor lichide? Cum diferă ele de cristalele „obișnuite” sau de lichide?

Cea mai interesantă caracteristică a cristalelor lichide este că au proprietăți anizotrope. Aceasta înseamnă că lumina polarizată se propagă în faza de cristale lichide la viteze diferite în direcții diferite. Datorită acestei caracteristici, cristalele lichide pot fi utilizate în sisteme comutabile - pe de o parte, răspund rapid la câmpurile externe, iar pe de altă parte, proprietățile lor diferă în funcție de direcția în care este aplicat câmpul extern.

Reorientarea moleculelor de cristale lichide are loc de obicei în milisecunde și, în acest caz, au loc schimbări enorme în proprietățile optice ale stratului de cristale lichide.

Ce substanțe pot ajunge în starea de cristal lichid?

O substanță poate trece în starea de cristal lichid dacă moleculele sale au o anumită structură - pentru a apărea anizotropia proprietăților, acestea trebuie să fie anizometrice. În linii mari, moleculele dintr-o substanță LC ar trebui să aibă formă de tijă sau disc. Acesta este în cel mai simplu caz. Există, de exemplu, o clasă de așa-numite molecule „în formă de banană” (în formă de banană) care formează mezofaze interesante.

Există substanțe care, în anumite condiții, sunt, de exemplu, lichide, în timp ce sub altele trec în stare de cristal lichid?

Există două tipuri de cristale lichide - termotrope și liotrope. Lichidele termotrope trec într-o stare lichid-cristalină la o anumită temperatură, iar la alte temperaturi pot fi fie lichide cristaline, fie (la temperaturi ridicate) izotrope. În cazul cristalelor lichide liotrope, mezofaza apare atunci când la substanță se adaugă un solvent.

Trecerea la starea de cristal lichid are loc cu o scădere a temperaturii sau cu o creștere?

Când este încălzită, orice substanță intră cel mai adesea într-o stare mai puțin ordonată; în consecință, starea cristalină lichidă este mai puțin ordonată decât starea cristalină, dar mai ordonată decât lichidul izotrop.

Și cu o încălzire suplimentară, o astfel de substanță se poate transforma într-o stare lichidă?

Da, unele substanțe pot intra în starea unui lichid obișnuit dezordonat și apoi încep să se evapore. Dacă luăm în considerare o diagramă generalizată a schimbării stării materiei cu creșterea temperaturii, atunci aceasta va fi după cum urmează: cristal, cristal lichid, lichid și vapori.

Când și cum au fost obținute pentru prima dată cristalele lichide?

Primul cristal lichid izolat de oamenii de știință a fost o substanță sintetică bazată pe colesterol natural. Această substanță se numește benzoat de colesteril, un ester al acidului benzoic și al colesterolului, iar în 1888 s-a descoperit că are o stare lichid-cristalină, deși la acea vreme cercetătorii nu știau ce este.

În istoria cristalelor lichide, s-a dovedit că substanțele cu astfel de proprietăți au fost sintetizate înainte ca oamenii de știință să înțeleagă aceste proprietăți. Mai târziu, chimiștii și fizicienii au început să studieze proprietățile noilor substanțe și s-a dovedit că multe dintre ele pot forma cristale lichide. Dar oamenii de știință au devenit serios interesați de cristalele lichide abia la sfârșitul anilor 1960, când și-au dat seama că pot fi folosite în tehnologie.

Cum obțin oamenii de știință cristale lichide acum? Cum ghicesc - sau prezic - că o anumită substanță va avea proprietăți de cristal lichid?

Acum, cristalele lichide sunt obținute prin sinteză organică standard. Oamenii de știință au acumulat o mulțime de informații, pe baza cărora se poate presupune dacă substanța va forma sau nu o fază de cristal lichid.

Cristalele lichide apar în natură?

Starea cristalelor lichide joacă un rol important în „lucrarea” sistemelor vii. De exemplu, poate fi observat în membranele lipidice. În anumite condiții, ADN-ul poate trece în faza de cristal lichid. Uneori există analogi sau asemănări ale structurilor LC - de exemplu, culoarea irizată a unor gândaci și fluturi este determinată de structuri solide care seamănă cu cristale lichide „înghețate”.

Cum studiază experții cristalele lichide? Ce metode experimentale folosesc?

Prima metodă, tradițională, ca să spunem așa, de studiere a cristalelor lichide este microscopia optică de polarizare. Aceeași tehnologie este folosită pentru a studia cristalele obișnuite. Pe scurt, esența metodei este următoarea: atunci când lumina polarizată intră într-un mediu cu cristale lichide, se observă o rotație a planului de polarizare, iar gradul de rotație depinde de lungimea de undă. Mezofazele dau imagini caracteristice, texturi, atunci când sunt observate printr-un microscop polarizant. Analiza imaginii ne permite să facem o concluzie primară despre ce fel de fază de cristal lichid se formează.

O altă metodă de studiere a cristalelor lichide este analiza de difracție de raze X.

În plus, metodele spectrale sunt folosite pentru a studia proprietățile cristalelor lichide, inclusiv, de exemplu, rezonanța magnetică nucleară. Și deși există multe metode, iar cristalele lichide au fost studiate de mult timp, multe dintre proprietățile lor rămân de neînțeles.

Există proprietăți care nu au fost încă găsite în cristalele lichide, dar a căror prezență este presupusă?

Nu-mi vine nimic de genul asta. În anii 1970 s-a prezis posibilitatea apariției feroelectricității în unele tipuri de faze LC, iar ulterior a fost de fapt descoperită. Acum, în studiul cristalelor lichide există mai multe direcții, ca să spunem așa, „la modă”. De exemplu, acestea includ studii ale moleculelor în formă de banană menționate mai sus. Pentru prima dată, oamenii de știință s-au interesat de ele la mijlocul anilor 90, dar acum interesul s-a intensificat, deoarece astfel de cristale lichide demonstrează ceva neobișnuit. proprietăți fizice, inclusiv, de exemplu, feroelectricitatea.

Să vorbim despre aplicarea practică a cristalelor lichide. Cum funcționează, de exemplu, în monitoare sau ceasuri?

Cristalele lichide se pot reorienta cu ușurință într-un câmp magnetic sau electric extern. Ele sunt aplicate sub formă de peliculă subțire pe o zonă specială cu un strat conductor. Când se aplică un semnal electric, moleculele de cristale lichide sunt reorientate, iar culoarea sau transmisia luminii a acoperirii se modifică.

Apropo, afișajele cu cristale lichide folosesc nu un singur tip de cristale, ci un amestec cu mai multe componente (și nu este necesar ca toate componentele sale să aibă proprietăți de cristale lichide). Acest lucru se face pentru a scădea punctul de topire al amestecului la sub temperatura camerei. În caz contrar, astfel de afișaje nu vor putea funcționa, deoarece cristalele lichide din ele vor fi în stare solidă.

Ce alte utilizări au cristalele lichide?

Folosind cristale lichide, este posibil să se vizualizeze câmpuri de temperatură - adevărul este că unele cristale lichide își schimbă culoarea sub influența schimbărilor de temperatură.

Dar, în general, punctul culminant al activității de cercetare a cristalelor lichide pentru tehnologiile de afișare a fost în anii 80-90 ai secolului trecut, iar acum interesul față de acestea din acest punct de vedere a dispărut în mare măsură. Cu toate acestea, acest lucru nu înseamnă că totul este deja clar pentru ei. Există un domeniu uriaș pentru cercetare fundamentală, și pentru posibile aplicații „non-afișare”: în optoelectronică, crearea de senzori, în biologie și medicină.

O înregistrare video a unei prelegeri susținute de Alexei Bobrovsky în cadrul proiectului Polit.Ru Public Lectures și transcrierea acesteia pot fi găsite pe site-ul Polit.ru.

Unul dintre direcții importante utilizarea cristalelor lichide -- termografie. Prin selectarea compoziției unei substanțe cu cristale lichide, sunt creați indicatori pentru diferite intervale de temperatură și pentru diferite modele. De exemplu, cristalele lichide sub formă de peliculă sunt aplicate pe tranzistoare, circuite integrate și plăci de circuite imprimate ale circuitelor electronice. Elementele defecte - foarte calde sau reci, nefuncționale - sunt imediat vizibile prin petele de culoare strălucitoare. Medicii au primit noi oportunități: un indicator cu cristale lichide pe pielea pacientului diagnostichează rapid inflamația latentă și chiar o tumoare.

Cu ajutorul cristalelor lichide sunt detectate radiațiile gamma și ultraviolete periculoase pentru sănătatea umană. Pe baza de cristale lichide, au fost create contoare de presiune și detectoare cu ultrasunete. Dar cel mai promițător domeniu de aplicare al substanțelor cu cristale lichide este tehnologia informației. Au trecut doar câțiva ani de la primii indicatori, familiari tuturor, de la ceasurile electronice, până la televizoarele color cu ecran cu cristale lichide de mărimea unei cărți poștale. Aceste televizoare oferă o imagine de foarte înaltă calitate, consumând mai puțină energie.

Dependența culorii de temperatură este folosită pentru diagnosticul medical. Prin aplicarea anumitor materiale cu cristale lichide pe corpul pacientului, medicul poate identifica cu ușurință țesuturile bolnave prin decolorare, unde aceste țesuturi generează cantități crescute de căldură. Astfel, indicatorul cu cristale lichide de pe pielea pacientului diagnostichează rapid inflamația latentă și chiar o tumoare.

Cu ajutorul cristalelor lichide sunt detectați vapori nocivi compuși chimiciși periculoase pentru sănătatea umană radiațiile gamma și ultraviolete. Pe baza de cristale lichide, au fost create contoare de presiune și detectoare cu ultrasunete.

Una dintre etapele producției de microcircuite este fotolitografia, care constă în aplicarea unor măști speciale pe suprafața unui material semiconductor, iar apoi în gravarea așa-numitelor ferestre litografice folosind tehnologia fotografică. Aceste ferestre, ca rezultat al procesului de producție în continuare, sunt transformate în elemente și conexiuni ale unui circuit microelectronic. Numărul de elemente de circuit care pot fi plasate pe unitate de suprafață a semiconductorului depinde de cât de mici sunt dimensiunile ferestrelor corespunzătoare, iar calitatea microcircuitului depinde de precizia și calitatea gravării ferestrei. Am menționat deja controlul calității microcircuitelor finite folosind cristale lichide colesterice, care vizualizează câmpul de temperatură pe un circuit de lucru și fac posibilă evidențierea secțiunilor de circuit cu degajare anormală de căldură. Utilizarea cristalelor lichide (acum nematice) s-a dovedit a fi utilă în etapa de control al calității lucrărilor litografice. Pentru a face acest lucru, un strat nematic orientat este aplicat unei plăci semiconductoare cu ferestre litografice gravate și apoi i se aplică o tensiune electrică. Ca urmare, în lumina polarizata modelul ferestrelor gravate este vizualizat clar. Mai mult, această metodă face posibilă detectarea unor inexactități și defecte foarte mici în lucrările litografice, a căror lungime este de numai 0,01 µm.

În ciuda număr mare posibile aplicații ale LCD-urilor, principala lor aplicație este asociată cu dispozitivele electro-optice (EO). Pentru astfel de aplicații, un LC (nematic) trebuie să aibă patru proprietăți necesare și anume: 1) ordonarea suprafeței, 2) reorientarea directorului printr-un câmp electric sau anizotropie dielectrică, 3) rotația planului de polarizare a luminii sau anizotropie optică și 4) orientare. elasticitatea (capacitatea moleculelor de a face diferite ture).

Cele mai bune rezultate în ceea ce privește stabilitatea imaginii, calitatea, rezoluția, netezimea și luminozitatea pot fi obținute cu ecrane cu matrice activă, care, totuși, sunt mai scumpe. Matricea activă folosește elemente de amplificare separate pentru fiecare celulă a ecranului, compensând efectul capacității celulelor și reducând semnificativ timpul necesar pentru modificarea transparenței acestora. Funcționalitatea monitoarelor LCD cu matrice activă este aproape aceeași cu cea a afișajelor cu matrice pasivă. Diferența constă în matricea de electrozi care conduce celulele cu cristale lichide ale afișajului. În cazul unei matrice pasive, diferiți electrozi sunt încărcați electric în mod ciclic, pe măsură ce afișajul este actualizat linie cu linie, iar ca urmare a descărcării capacităților elementelor, imaginea dispare pe măsură ce cristalele revin la original. configurație. În cazul unei matrice active, la fiecare electrod i se adaugă un tranzistor de stocare, care poate stoca informații digitale (valori binare de 0 sau 1) și, ca urmare, imaginea este stocată până când este primit un alt semnal. Tranzistoarele de memorie trebuie să fie din materiale transparente, care să permită trecerea fasciculului de lumină prin ele, ceea ce înseamnă că tranzistoarele pot fi amplasate pe spatele display-ului, pe un panou de sticlă care conține cristale lichide. În aceste scopuri, se folosesc folii subțiri cu tranzistor cu film subțire (sau TFT). Acestea sunt controalele care controlează fiecare pixel de pe ecran. Tranzistorul cu peliculă subțire este într-adevăr foarte subțire, grosimea sa este de 0,1-0,01 microni. Primele display-uri TFT, apărute în 1972, foloseau seleniura de cadmiu, care are o mobilitate mare a electronilor și menține o densitate mare de curent, dar în timp s-a făcut o tranziție la siliciu amorf (a-Si), iar în matrice cu Rezoluție înaltă se foloseşte siliciu policristalin (p-Si).

Tehnologia de creare a TFT-urilor este foarte complexă și este dificil să se obțină un procent acceptabil de produse bune din cauza faptului că numărul de tranzistori folosiți este foarte mare. Rețineți că un monitor care poate afișa o imagine la 800x600 pixeli în modul SVGA și cu doar trei culori are 1.440.000 de tranzistori individuali. Producătorii stabilesc limite pentru numărul de tranzistori care pot fi inoperanți într-un panou LCD. Pixelul bazat pe TFT este aranjat astfel: trei filtre de culoare (roșu, verde și albastru) sunt integrate unul după altul într-o placă de sticlă. Fiecare pixel este o combinație de trei celule colorate sau elemente sub-pixel. Aceasta înseamnă, de exemplu, că un afișaj care are o rezoluție de 1280x1024 are exact 3840x1024 tranzistori și elemente sub-pixel. Dimensiunea punctelor (pixeli) pentru un afișaj TFT de 15,1" (1024x768) este de aproximativ 0,0188" (sau 0,3 mm), iar pentru un afișaj TFT de 18,1" este de aproximativ 0,011" (sau 0,28 mm). ÎN În ultima vreme au existat rapoarte despre realizarea unui pixel din polimeri, tranzistorul fiind tot din polimer.

În ciuda utilizării pe scară largă a afișajelor cu matrice activă bazate pe LCD-uri nematice, acestea au un dezavantaj fundamental - un timp lung de relaxare (timpul necesar pentru ca directorul LCD să se închidă după oprire). câmp electric). Acum există o tehnologie fundamental diferită pentru fabricarea de afișaje plate, cu comutare rapidă, bazată pe utilizarea de smectici feroelectric, cu cristale lichide. La prima vedere, pare ciudat că faza LC smectică mai vâscoasă (în comparație cu cea nematică) este folosită pentru a crea dispozitive rapide. Moleculele unui astfel de smectic au moment de dipol și sunt dispuse în straturi, în fiecare strat sunt înclinate la același unghi față de planul stratului. Același unghi de înclinare apare din cauza interacțiunii dipolilor moleculelor - prezența unei faze feroelectrice. Aplicarea unui câmp electric poate schimba direcția dipolilor spre opus, iar unghiul de înclinare al moleculelor se va modifica în consecință. Astfel, într-un strat de molecule există două orientări posibile ale dipolilor și ale moleculelor în sine (cu și fără câmp electric). Într-un afișaj feroelectric, polarizatoarele de lumină sunt setate inițial în așa fel încât lumina să nu treacă (unul este paralel cu direcția directorului de molecule, celălalt este perpendicular). După aplicarea unui câmp electric, dipolii moleculelor se întorc paralel cu câmpul, iar directorul moleculelor se rotește printr-un anumit unghi Π față de polarizator, în timp ce lumina începe să treacă parțial prin structură. Timpul de rotație al moleculelor în acest caz este destul de mic, 1 μs, ceea ce este cu 2-3 ordine de mărime mai mic decât timpul de întoarcere al moleculelor în faza nematică. Companiile de electronice japoneze au dezvoltat deja ecrane de televiziune bazate pe feroelectrice LCD.

Introducere

Descoperirea cristalelor lichide

Conceptul și clasificarea cristalelor lichide

Proprietățile cristalelor lichide

1 Vâscozitatea și densitatea cristalelor lichide

2 Proprietăți optice și electro-optice

3 Efect de memorie

4 Proprietăți diamagnetice

5 Proprietăți dielectrice

6 Proprietăți acusto-optice

Aplicații cu cristale lichide

Concluzie

Bibliografie

Introducere

ÎN sfârşitul XIX-lea secole, s-au descoperit substanțe, proprietăți structura interna care în stare lichidă avea trăsături caracteristice atât lichidului cât şi corp solid.

Această stare a materiei se numește mezomorf,ceea ce înseamnă o stare cu o structură intermediară și substanțe - cristale lichide.Se părea că acest nume nu este adevărat, ceea ce a stârnit multe controverse. O substanta in stare lichida are fluiditate si ia forma vasului in care se afla. Orientarea moleculelor într-un lichid, chiar dacă apare, are o ordine de rază scurtă în intervalul mai multor straturi moleculare. Într-un cristal solid, dimpotrivă, moleculele sunt strict orientate pe tot volumul și au o ordine de lungă durată. Cu toate acestea, cristalele lichide sunt substanțe care, în condiții date de temperatură, au caracterul unui lichid și al unui solid. Se întâlnesc destul de des.

Este suficient să spunem că dintre cele două sute de substanțe nou sintetizate, cel puțin una este cristal lichid.

De ce sunt necesare cristale lichide? În viața de zi cu zi, întâlnim ceasuri, termometre, televizoare cu ecran plat, dicționare de traducere și multe alte aparate electronice moderne, tehnice și de uz casnic și dispozitive cu cristale lichide.

Interesul științific pentru cristalele lichide se datorează posibilității aplicării lor efective într-o serie de industrii. Introducerea cristalelor lichide înseamnă rentabilitate, simplitate, comoditate.

În 1988, comunitatea științifică a sărbătorit centenarul descoperirii cristalelor lichide - o nouă stare a materiei. În urmă cu aproape 100 de ani, oamenii de știință au descoperit că substanțele în stare lichid-cristalină curg ca lichidele obișnuite și, în același timp, proprietățile lor optice sunt izbitor de similare cu cele ale cristalelor solide.

1. Descoperirea cristalelor lichide

În 1888 botanistul Reinitzer și-a publicat observațiile asupra comportamentului benzoatului de colesteril sintetizat de el la o schimbare a temperaturii. Cristalele acestei substanțe s-au topit la o temperatură de 145,5°C, transformându-se într-un lichid tulbure. Acest lichid, la încălzirea ulterioară, a devenit transparent la 178,5°C și a rămas neschimbat cu o creștere suplimentară a temperaturii. În timpul răcirii, în lichidul la 178,5°C a apărut o culoare albăstruie, care a dispărut rapid, iar lichidul a devenit tulbure. Când temperatura a atins 145,5°C, culoarea a reapărut, urmată de cristalizare.

Pe lângă culoarea frumoasă, el a descoperit o serie de proprietăți neobișnuite în această substanță. Colesterolbenzoatul s-a topit în două etape: în primul rând, s-a format un lichid tulbure, iar la încălzire ulterioară, o topitură transparentă. Lichidul tulbure, observat printr-un microscop polarizant, arăta ca un sistem cu două faze. O fază a fost un fundal viu colorat, pe care „canelurile uleioase” erau clar vizibile. - fluxuri subțiri ale unei alte faze. Fondul viu colorat, care își schimbă culoarea atunci când este încălzit, a avut în plus o dublă refracție și a rotit planul de polarizare al luminii. Când o topitură transparentă a fost răcită, un lichid tulbure nu a apărut imediat. Inițial, s-au format agregate asemănătoare stelelor, care numai după răcirea ulterioară au trecut în faza cu „caneluri uleioase”.

Reinitzer credea că, în starea unui lichid tulbure, una dintre faze, aparent, era cristalină. Numai prin aceasta ar putea el explica prezența birefringenței în această fază, o proprietate inerentă doar cristalelor. Cu toate acestea, Reinitzer nu a putut separa acest amestec și și-a trimis preparatul celebrului fizician german O. Lehmann.

Probele de Reinitzer au fost examinate de către fizicianul Lehmann într-un microscop polarizant și au descoperit că lichidul investigat în stare tulbure prezintă anizotropie optică. P-azoxifenetolul, oleatul de amoniu și esterul etilic al acidului p-azoxibenzoic studiat de el au avut, pe de o parte, proprietățile unui lichid, iar, pe de altă parte, datorită anizotropiei optice, proprietățile unui solid. În probele studiate, Lehmann a stabilit prezența microzonelor cu anizotropie optică spontană, ceea ce l-a convins că aceasta este o stare nouă a materiei, până acum necunoscută, pe care a numit-o cristal lichid. Inițial, Lehmann a crezut în mod eronat că substanțele în această stare au o rețea cristalină în vrac foarte mobilă. Unii experimentatori care au studiat aceste substanțe credeau că au de-a face cu emulsii care împrăștie puternic lumina, în timp ce alții credeau că în substanțe s-au format microcristale înconjurate de o peliculă.

Termenul de cristale lichide a fost propus de Lehman. Acest termen se bazează pe atractivitatea combinației a două cuvinte opuse - lichid și cristalin, acest termen a prins bine rădăcini. Abia treizeci de ani mai târziu, a apărut un alt termen, acum la fel de comun - starea mezomorfă (dacă vorbim de o fază - mezofază), care a fost introdus de fizicianul francez Friedel, formându-l din cuvântul grecesc "mesos" - intermediar. .

Acum, cel mai adesea, termenul de cristal lichid este folosit pentru a se referi chimic, care poate forma o mezofază într-un anumit interval de temperatură.

Cristalele lichide au fost descoperite în urmă cu aproape o sută de ani, dar abia în ultimii douăzeci de ani au fost studiate intens. Mai mult, studiul lor s-a dezvoltat într-un ritm atât de mare încât chiar și în vremea noastră ar trebui considerat rapid.

Într-adevăr, dacă în anii șaizeci numărul articolelor din reviste științifice și brevete dedicate cristalelor lichide era de doar câteva zeci pe an, atunci deja în a doua jumătate a anilor șaptezeci numărul lor anual se apropia de o mie. De-a lungul anilor, au fost sintetizate câteva mii de cristale lichide noi, inclusiv multe de importanță practică, și a fost creată o industrie producătoare de cristale lichide. S-au găsit multe aplicații pentru cristalele lichide, de la cromatografie la televiziune; s-au construit fabrici care produc produse în care lucrează cristalele lichide. În acești ani a fost creată fizica cristalelor lichide, bazată pe teoria continuumului, ale cărei pietre de temelie au fost teoria elasticității și hidrodinamicii.

2. Conceptul și clasificarea cristalelor lichide

cristal lichid - Aceasta este o stare specifică de agregare a unei substanțe în care prezintă simultan proprietățile unui cristal și ale unui lichid. Trebuie să facem imediat o rezervă că nu toate substanțele pot fi în stare de cristal lichid. Majoritatea substanțelor pot fi doar în trei stări de agregare binecunoscute: solid sau cristalin, lichid sau gazos.

Se pare că unii materie organică, care au molecule complexe, pe lângă cele trei stări numite, se pot forma a patra stare agregată -cristal lichid . Această stare se realizează în timpul topirii cristalelor anumitor substanțe. Când se topesc, se formează o fază lichid-cristalină, care diferă de lichidele obișnuite. Această fază există în intervalul de la temperatura de topire a cristalului până la o temperatură mai mare, când este încălzită, la care cristalul lichid se transformă într-un lichid obișnuit.

Cum diferă un cristal lichid de un lichid și un cristal obișnuit și cum este similar cu acestea? Ca un lichid obișnuit, un cristal lichid are fluiditate și ia forma unui vas în care este plasat. Prin aceasta se deosebește de cristalele cunoscute tuturor. Cu toate acestea, în ciuda acestei proprietăți, care îl unește cu un lichid, are o proprietate caracteristică cristalelor. Aceasta este ordonarea în spațiu a moleculelor care formează cristalul. Adevărat, această ordonare nu este la fel de completă ca în cristalele obișnuite, dar, cu toate acestea, afectează în mod semnificativ proprietățile cristalelor lichide, ceea ce le diferențiază de lichidele obișnuite. Ordonarea spațială incompletă a moleculelor care formează un cristal lichid se manifestă prin faptul că în cristalele lichide nu există o ordine completă în aranjarea spațială a centrelor de greutate ale moleculelor, deși poate exista o ordine parțială. Aceasta înseamnă că nu au o rețea cristalină rigidă. Prin urmare, cristalele lichide, ca și lichidele obișnuite, au proprietatea fluidității.

O proprietate obligatorie a cristalelor lichide, care le apropie de cristalele obișnuite, este prezența unei ordini în orientarea spațială a moleculelor. O astfel de ordine de orientare se poate manifesta, de exemplu, prin faptul că toate axele lungi ale moleculelor dintr-o probă de cristale lichide sunt orientate în același mod. Aceste molecule ar trebui să aibă o formă alungită. Pe lângă cea mai simplă ordonare numită a axelor moleculelor, se poate realiza o ordine de orientare mai complexă a moleculelor într-un cristal lichid.

Alături de termenul „cristale lichide” pentru denumirea stării nou descoperite a materiei, de mulți ani au fost folosiți și alți termeni: cristale curgătoare, stare mezomorfă. Cu toate acestea, cel mai adesea, împreună cu termenul de cristal lichid, numele lichid anizotrop,și pentru a sublinia tipul de cristal lichid mai detaliat, folosiți termenii următori: nematic, smecticsau lichid colesteric. Cristalele lichide se obtin nu numai prin topire, ci si prin dizolvarea unor corpuri solid-cristaline. Pe măsură ce concentrația crește, soluția dă mai întâi lichide smectice, apoi nematice și izotrope. Cu toate acestea, unele substanțe din solventul adecvat dau cristale de un singur tip, cum ar fi cristalele lichide colesterice. Cristalele obținute în acest fel se numesc liotrop,Spre deosebire de termotropcristale obţinute prin topirea solidului substante.

Cristalele lichide pot fi împărțite în două grupe: cristale lichide termotrope și liotrope.

Cristalele lichide termotrope se formează prin încălzire solid. Ele există într-un anumit interval de temperaturi și presiuni. Cristalele lichide liotrope sunt două sau mai multe sisteme componente formate în amestecuri de molecule amfifile și apă sau alți solvenți polari care înlocuiesc apa.

Clasificarea cristalelor lichide propus de Lehmann, apoi extins de Friedel . Conform acestei clasificări, există trei tipuri de smectice, nematice și colesterice . Cristalele lichide incluse în fiecare dintre aceste grupe diferă în ceea ce privește proprietățile fizice și, mai ales, optice. Această diferență rezultă din diferența lor structurală. Să luăm în considerare fiecare tip mai detaliat.

Mezomorf smectic afecțiunea a fost observată pentru prima dată în săpunuri („smegma” – greacă pentru săpun). Suprafețele interioare și exterioare ale filmelor sunt, de fapt, straturi smectice separate în bule de un strat de apă. În astfel de cristale, moleculele alungite sub formă de trabucuri sau fusuri sunt dispuse paralel cu axele lor lungi și formează straturi de aceeași grosime, apropiate de lungimea moleculelor.

Aceste așa-numite straturi smectice se află unul deasupra celuilalt la aceeași distanță, pot aluneca cu ușurință unul câte unul, provocând fluiditatea cristalului lichid. Straturile moleculare din cristalele lichide smectice tipice sunt mobile, mișcându-se ușor paralel unele cu altele. Temperatura tranziției de fază la starea mezomorfă este destul de ridicată. Ar trebui să fie astfel încât să rupă legătura dintre rânduri, dar să nu rupă legătura dintre moleculele situate la o distanță apropiată. Dacă legătura dintre molecule dintr-un strat separat este parțial ruptă, atunci substanța din strat se comportă ca o bidimensională. lichid. La fel de scăderea ordonării temperaturii în straturi crește, iar la temperaturi suficient de scăzute nu se respectă ordinea. numai molecule în straturi, dar și straturile în sine și după alăturarea lor reciprocă. Cu o scădere suplimentară temperatură, apare o structură cristalină, adică poate forma un cristal solid cu cea mai simplă moleculară structura. Cristale lichide smectice sunt adesea numite smecticii.

Cristale lichide nematice ("nema" - în greacă fir) se caracterizează prin prezența microstructurilor sub formă de fire, ale căror capete sunt fie libere, fie legate de peretele recipientului în care se află substanța studiată. Orientarea axelor moleculare în aceste cristale este paralelă, dar ele nu formează straturi separate. Axele lungi ale moleculelor se află de-a lungul unor linii paralele cu o anumită direcție, iar centrele lor sunt plasate aleatoriu. Cristalele lichide nematice se mai numesc nematică.

Cristale lichide colesterice , sau colesterice (de la denumirea substanței colesterol), constând din molecule chirale.

Acestea includ în principal derivați de colesterol. Colesterolul în sine nu dă mezofază. În cristalele lichide colesterice, moleculele sunt dispuse în straturi, ca la smecticii, dar axele lungi ale moleculelor sunt paralele cu planul straturilor, iar aranjarea lor în interiorul stratului seamănă mai degrabă cu o nematică. Straturile din cristalele colesterice sunt subțiri, monomoleculare. Fiecare moleculă are o configurație plană și o grupare metil CH3 suspendată situată deasupra sau sub plan. Cu această configurație de atomi în molecule rezultă că direcţia de orientare a axelor lungi ale moleculelor în fiecare strat ulterior este deviat cu 15 minute arc față de stratul anterior. Aceste abateri sunt însumate pe întreaga grosime a substanței, ceea ce duce la formarea unei structuri moleculare elicoidale a unui cristal lichid colesteric.

Cristalele lichide colesterice sunt similare ca structură cu nematicii, dar au o diferență fundamentală. Constă în faptul că într-un colesteric, lipsit de influențe exterioare, orientarea uniformă a axei optice este energetic nefavorabilă. Moleculele de colesterol pot fi aranjate paralel între ele (ca într-o nematică) într-un monostrat subțire, dar în stratul adiacent, moleculele chirale trebuie rotite printr-un unghi mic: energia acestei stări se dovedește a fi mai mică decât în cazul a unei orientări uniforme a axei. Într-o stivă de astfel de monostraturi nematice, axa se rotește treptat de la strat la strat, formând un șurub la dreapta sau la stânga în spațiu, numit și orientarea de răsucire a axei optice.

Injecţie între vectorii monostraturilor adiacente și pasul șurubului laîn colesterică poate fi estimată aproximativ pe baza unor presupuneri simple. Evident, cu cât unghiul este mai mic (Unde unghiul dintre vectorii monostraturilor vecine) subiecte mai putina energie interacțiunea secțiunii elicoidale a moleculei cu molecula vecină și cu atât mai mare este interacțiunea principalelor secțiuni plate ale moleculelor. Deoarece, aproximativ vorbind, secțiunea spirală conține un atom, iar secțiunea plată conține 100, raportul acestor energii de interacțiune este de aproximativ 0,01. Prin urmare, unghiul este sutimi dintr-o tură completă.

Colesteriile sunt viu colorate și cea mai mică modificare a temperaturii (până la miimi de grad) duce la o modificare a pasului helixului și, în consecință, la o schimbare a culorii cristalului lichid.

fazele albastre . Un astfel de nume datorită culorii lor a fost dat stărilor materiei care conțin molecule chirale care există într-un interval îngust de temperatură de ordinul 1. 0între fazele lichide izotrope și fazele colesterice. Multă vreme au intrigat cercetătorii, deoarece nu a fost posibil să le descifreze în niciun fel structura. Fazele albastre sunt optic izotrope, au o structură spațială cubică și prezintă activitate optică. Dimensiunea celulei unitare este de obicei mai mare decât pasul șurubului colesteric.

Motivele acestor caracteristici ale fazelor albastre sunt acum înțelese. În esență, astfel de stări ale unei substanțe chirale demonstrează posibilitatea formării structurilor tridimensionale atunci când modulații suplimentare în trei dimensiuni cu o perioadă care nu este egală cu pasul șurubului original sunt suprapuse pe helixul de orientare colesterică. Aceste noi suprastructuri cubice, ca și cea colesterică unidimensională, ar putea fi numite necomensurate, adică având perioade spațiale care nu sunt multiple ale mărimii moleculare l. Informațiile despre structura cubică a fazelor albastre sunt furnizate de date experimentale privind împrăștierea Bragg în domeniul vizibil al spectrului. În explicarea proprietăților neobișnuite ale fazelor albastre, considerațiile lui Brazovsky și Dmitriev conform cărora așa-numita ordine de rază scurtă a moleculelor, adică organizarea grupurilor moleculare la o distanță relativ mică, a jucat un rol important în astfel de sisteme. eunumită raza de corelație.

3. Proprietăţile cristalelor lichide

.1 Vâscozitatea și densitatea cristalelor lichide

Pentru prima dată, vâscozitatea substanțelor capabile să fie în stare lichid-cristalină a fost măsurată de Shenk. Metoda capilară a făcut posibilă măsurarea vâscozității benzoatului de colesteril și a n-azoxyanisolului. Experiența a arătat că vâscozitatea mezofazei scade odată cu creșterea temperaturii, dar la temperaturi apropiate de trecerea fazei nematice la starea izotropă, aceasta crește rapid, atingând un maxim. Odată cu o creștere suplimentară a temperaturii în stare izotropă, vâscozitatea scade monoton.

Lucrări mai recente cu alte substanțe au arătat, de asemenea, o creștere bruscă a vâscozității în apropierea tranzițiilor izotrop-nematice și izotrop-colesterică. Forma curbelor se dovedește a fi diferită. În unele cazuri, maximul pe curbă este simetric, în altele, vâscozitatea după atingere valoare maximă se schimba foarte lin. Vâscozitatea fazei nematice, de exemplu n-azoxyanisol, s-a dovedit a fi foarte scăzută, doar puțin mai mare decât cea a apei la temperatura camerei. Vâscozitatea fazei smectice este mult mai mare decât cea a fazelor nematice și colesterice. Din păcate, sunt foarte puține lucrări publicate legate de acest tip de mezofaze. Se știe că în faza smectică, care are o structură stratificată, vâscozitatea în două direcții (de-a lungul straturilor și perpendicular pe straturi) este diferită. Discontinuitatea în schimbarea vâscozității este de asemenea observată în timpul tranzițiilor în cadrul fazei de cristal lichid. Astfel, n-(4-metoxibenziliden-di-amino)cinamatul de etil are trei mezofaze.

Anizotropia vâscozității în cristale lichide a fost descoperită într-o serie de măsurători. Studiile efectuate într-un câmp magnetic pentru n-azoxyanisol la 122 ° au dat trei valori pentru coeficientul de vâscozitate:

) moleculele de mezofază sunt paralele cu direcția fluxului de cristale lichide în capilar, = 0,024;

) moleculele sunt paralele cu gradientul vitezei curgerii, = 0,092;

) moleculele sunt perpendiculare pe vectorul viteză și pe vectorul gradientului vitezei curgerii, = 0,034. Este interesant de observat că , sa dovedit a fi mai mică decât vâscozitatea unui lichid izotrop.

Schimbarea sub formă de salturi a vâscozității în regiunea tranzițiilor de fază în cadrul fazei de cristal lichid, aparent, este cauzată de o încălcare a organizării moleculare, care este deosebit de mare în punctele tranziției de fază și se instalează brusc. Schimbări similare au loc în sistemele dispersate.

În acest sens, a fost interesant de măsurat viteza de propagare și absorbție a sunetului. Se știe că viteza sunetului (sau compresibilitatea adiabatică) este una dintre caracteristicile fizice ale materiei. Având proprietățile unui lichid, mezofaza prezintă vâscozitate de forfecare și vrac, a cărei măsură cantitativă este absorbția ultrasunetelor.

Martyanova și Kapustin au studiat dependența vitezei și absorbției ultrasunetelor de temperatură în esterul etilic al acidului 4-anisalaminocinamic, care are o modificare nematică și două modificări smectice. Metoda de măsurare cu ultrasunete în impulsuri aplicată la frecvența 7 MHz,nu conținea nicio caracteristică. Viteza de precizie a măsurării sunetului dina fost de 0,5%, iar coeficientul de absorbție 7%.

Coeficient de absorbție acustică în intervalul dintre punctele de tranziție crește lent cu temperatura, suferind salturi în regiunea fiecărei tranziții de fază.

Experiența arată că în regiunea tranzițiilor de fază se observă o modificare a coeficientului de temperatură al vitezei sunetului. Densitatea unei substanțe se modifică foarte puțin pe întregul interval de temperatură. Prin urmare, modificările anormale ale proprietăților mezofazei, aparent, se datorează formării de grupuri moleculare - roiuri, care creează eterogenitatea elastică a substanței. Dimensiunile roiului nu sunt menținute constante. Pe măsură ce temperatura scade, acestea cresc, păstrând ordinea de lungă durată în dispunerea axelor moleculare. Astfel, procesul de distrugere a structurii mezofazei are loc în mai multe etape. Modificări structurale mezofazele provoacă o schimbare bruscă a compresibilității și, în consecință, a vitezei ultrasunetelor.

Ostwald a încercat să stabilească o legătură între schimbările de temperatură ale vâscozității în cristalele lichide și în amestecurile coloidale. Analogia în dependențele de temperatură a făcut posibilă presupunerea că fazele nematice și colesterice sunt dispersate, ceea ce este tipic pentru coloizi. El a arătat, de asemenea, că vâscozitatea anormală sau structurală, cunoscută până atunci în sisteme dispersate grosier, se manifestă și în cristale lichide. Potrivit lui Lawrence, deși analogia în comportamentul coloizilor și mezofazelor nu poate fi completă, totuși, studiul vâscozității fazelor nematice este important pentru a confirma conceptul de existență a roiurilor. Dacă ele există într-adevăr în diferite tipuri de mezofaze, atunci devine clar că sistemele prezintă unele proprietăți ale coloizilor. Cu toate acestea, Lawrence credea că apariția unei viscozități anormal de ridicate imediat înainte faza de tranzitie cu greu poate fi considerat ca proprietate caracteristică mezofaza în sine. Modificările bruște mari ale vâscozității în apropierea punctului de tranziție pot fi cauzate de un efect turbulent într-o topitură anizotropă. O anumită confirmare a acestui lucru poate fi văzută în faptul că nu există un vârf de vâscozitate la tranziția dintre faza smectică mai vâscoasă și lichidul izotrop. În plus, se știe că înălțimea vârfului pentru tranzițiile izotrop-colesterice depinde de viteza curgerii.

Efectul unui câmp magnetic asupra comportamentului unui mediu trebuie luat în considerare atunci când se construiește o teorie hidrodinamică a cristalelor lichide nematice. Un studiu al efectului unui câmp magnetic asupra coeficienților de vâscozitate și conductivitate termică a arătat că, din cauza magnetizării slabe a cristalelor lichide, efectul câmpului trebuie luat în considerare doar la câmpuri externe foarte mari, de ordinul 10 4-105 uhsi mai sus. În câmpuri atât de înalte, axa de anizotropie a cristalelor lichide nematice este practic paralelă camp magnetic(cu gradiente hidrodinamice nu prea mari)

Un număr mic de lucrări au fost dedicate măsurării densității cristalelor lichide.

Vorlender a studiat dependența densității n-azoxyanisolului de temperatură. Creșterea densității în regiunea tranziției izotrop-nematice a fost de 0,26%. Conform lucrării, modificarea densității în timpul tranziției izotrop-nematice în n-azoxyanisol pur este de 0,36%. În timpul topirii cristalelor solide, densitatea se modifică de 30 de ori mai mult decât în timpul tranziției izotrop-nematice. Studiul dependenței densității de etil-anisal-n-aminocinamat de temperatură a relevat caracteristici interesante. Absența unei variații anormale a densității în regiunea tranziției izotrop-nematice este foarte îndoielnică. În regiunea tranziției nematic-smectice, densitatea crește odată cu scăderea temperaturii. Modificarea sa relativă este de aproximativ 1%. Pe măsură ce temperatura scade în continuare, densitatea crește liniar.

În general, putem spune că studiul dependenței densității de temperatură este un proces complex în care individualitatea substanței, puritatea acesteia și controlul atent al temperaturii joacă un rol.

3.2 Proprietăți optice și electro-optice

Orientarea spontană a moleculelor din cristalele lichide face ca aceste substanțe să prezinte birefringență optică, care este caracteristică unor cristale solide. Lumina, care trece prin straturi uniform ordonate de cristale lichide, se împarte în două fascicule: extraordinar, a cărui direcție de polarizare coincide cu direcția axei optice a cristalului lichid, și obișnuită, cu direcția de polarizare perpendiculară pe această axă. Cristalul este considerat optic pozitiv,dacă n e -n 0>0 și negativ optic dacă Pe- n 0<0; Pe si n 0sunt indicii de refracție ai razelor extraordinare și obișnuite.

Cristalele lichide nematice și smectice sunt optic pozitive și direcția axelor lungi ale moleculelor coincide cu direcția axei optice. Cristalele lichide colesterice, în care axele lungi ale moleculelor sunt perpendiculare pe axa helixului colesteric, care, la rândul său, este paralelă cu axa optică a probei, sunt optic negative. Această caracteristică servește adesea drept criteriu pentru distingerea cristalelor lichide colesterice de cele smectice.

Semnul birefringenței și direcția axei optice într-o probă de cristal lichid, precum și într-un cristal solid, pot fi determinate atunci când sunt observate la microscop în lumină convergentă.

Straturi orientate de colesterice, nematice și smectice cu cristale lichide DARoptic uniaxiale, adică cristalele lichide sunt caracterizate de o singură direcție în care lumina se deplasează cu aceeași viteză, indiferent de starea de polarizare. În smecticii DINExistă două astfel de direcții, ele sunt biaxiale. Starea biaxială poate fi obținută prin deformarea cristalelor lichide colesterice și nematice.

Birefringența nematicii scade monoton odată cu creșterea temperaturii și scade brusc la zero în punctul de tranziție de fază la un lichid izotrop. Indicele de refracție pentru rază extraordinară Pescade brusc odata cu cresterea temperaturii , și indicele de refracție al unui fascicul obișnuit n 0crescând încet.

Se arată că dependența termică a birefringenței nematicilor este determinată de forțele de dispersie și forțele de respingere. Proprietăți optice remarcabile sunt posedate de sistemele de tip „nematic răsucit”. Un astfel de sistem se obține astfel: un cristal lichid este plasat între două plăci de sticlă, ale căror suprafețe sunt tratate astfel încât stratul nematic să fie orientat plan, iar plăcile sunt răsucite una față de alta cu 90°. Ca urmare a rotației plăcilor, axa optică a nematicului este deformată (așa cum se arată în figură). Un strat de nematic răsucit în polaroiduri paralele oferă un câmp vizual întunecat, deoarece direcția de polarizare a luminii care trece prin stratul de cristal este rotită cu n/2. Un experiment mai amănunțit al lui Hooke și Tarry a arătat că lumina care trece printr-un strat de nematic învolburat este polarizată de-a lungul unei elipse - câmpul vizual nu este complet întunecat.

Deoarece un strat de nematic învolburat este similar cu un strat de colesterol cu un pas relativ mare, Hooke și Tarry au folosit metoda lui Azzam și Bashar și au obținut următoarea expresie pentru intensitatea I a luminii transmise printr-o nematică învolburată:

unde eu 0este intensitatea luminii incidente; d - grosimea probei; - lungimea de unda. O analiză a datelor obținute arată că stingerea completă este tipică doar pentru anumite lungimi de undă. Pentru valori mari Xelipticitatea luminii poate fi neglijată și direcția de polarizare a luminii poate fi considerată rotită cu 90°, indiferent de lungimea de undă. Tip smectic cu cristale lichide DAR,moleculele în care sunt aliniate perpendicular pe planurile smectice sunt optic uniaxiale. Cristalele smectice de tip C, care se caracterizează prin orientarea moleculelor oblic față de planul straturilor, sunt biaxiale optic După unii autori, biaxialitatea optică a smecticilor de tip DINeste cauzată de anizotropia parametrului de comandă și de structura lor „hearringbone”. Cristalele lichide colesterice au cele mai interesante proprietăți optice. Colesteriile, spre deosebire de nematici și smecticii, sunt optic negative. (Pe- n 0<0). Они одноосны. Их замечательными оптическими свойствами, которые характерны для твердых кристаллов в диапазоне рентгеновского излучения, являются очень сильная (большая, чем для всех известных веществ) способность вращать плоскость поляризации, и селективное отражение света. Эти исключительные_ свойства жидких кристаллов холестерического типа - следствие их спиральной структуры и того, что длина шага холестерической спирали сравнима с длиной волны видимого света. Распространение света в холестерических жидких кристаллов изучалось многими авторами как теоретически, так и экспериментально. Теория Озеена и де Ври хорошо обьясняет оптические свойства холестериков для случая, когда направление света перпендикулярно ориентированным слоям.

3.3 Efect de memorie

Starea tulbure cauzată de prezența curentului ionic în cristalul lichid (fenomen de împrăștiere dinamică a luminii) dispare aproximativ 100 ms după eliminarea câmpului. Heilmeier și Goldmacher au observat că amestecurile de nematici de anizotropie dielectrică negativă cu mai multe fracțiuni de masă de esteri de colesterol au păstrat starea de ceață suficient de mult după ce câmpul a fost îndepărtat. Timpul în care proba împrăștie lumina variază de la câteva ore la câteva săptămâni. Este foarte important ca starea de ceață lăptoasă a unui strat subțire să poată fi stinsă ușor și rapid prin aplicarea unei tensiuni alternative cu o frecvență de 500 până la 2000 Hz pe eșantion.

Acest fenomen a fost numit efect de memorie.Schema de funcționare a unui element cu memorie: acest element este compus din două plăci paralele acoperite cu un strat conductor, între care se așează un amestec de cristale lichide. Stratul de cristale lichide orientat inițial și transparent devine alb lăptos atunci când se aplică câmpul. Această stare („înregistrare”) este stocată în celulă după eliminarea câmpului timp de câteva zile și chiar luni. Tensiunea alternativă de frecvență acustică șterge înregistrarea. Înregistrarea în celule cu memorie se realizează folosind o tensiune alternativă de joasă frecvență sau o tensiune constantă egală cu 20-30 V. Tensiunea de ștergere a frecvenței acustice are aceeași ordine. Frecvența tensiunii alternative de ștergere trebuie să fie peste o anumită valoare critică, peste care nu se formează instabilități electrohidrodinamice. Valoarea frecvenței critice este proporțională cu conductivitatea electrică a cristalului lichid.

3.4 Proprietăți diamagnetice

Câmpul magnetic este un mijloc excelent de orientare a moleculelor unei structuri nematice. Acțiunea sa afectează direct aproape întregul spațiu ocupat de teren. Moleculele de substanțe organice sunt cel mai adesea diamagnetice. Apărând în ele într-un câmp magnetic Hmomentul magnetic este opus H. Acest efect este vizibil în special la compușii aromatici care conțin inele benzenice. Dacă planul inelului este perpendicular pe direcția câmpului magnetic, atunci atomii de carbon situati la vârfurile hexagonului se comportă ca o bobină conducătoare, în care, sub acțiunea câmpului Hse induce un curent opus.

Să ne oprim asupra unor fenomene din cristalele lichide într-un câmp magnetic constant.

Bose a considerat o fază nematică constând dintr-un număr mare de grupuri de molecule, ca urmare a căreia părea tulbure ca volum. El a arătat că anisaldazina devine transparentă într-un câmp magnetic. Mogen, observând birefringența în n-azoxyanisol și n-azoxyphenetol, a constatat că acțiunea unui câmp magnetic de putere suficientă determină orientarea moleculelor, în urma căreia axele lor capătă o direcție paralelă cu liniile de câmp. Luând în considerare aceste rezultate atunci când studiem schimbarea e și conductivitatea într-un câmp magnetic. Kast a descoperit anizotropia dielectrică în cristalele lichide și dependența constantei dielectrice a n-asxianisolului de intensitatea câmpului magnetic.

Dezvoltarea ulterioară a lucrării a condus la concluzia că efectul de orientare al unui câmp magnetic asupra mezofazei ar trebui căutat nu în momentele magnetice ale moleculelor (sau roiurile lor), ci în anizotropia proprietăților lor diamagnetice.

Foix a atras atenția asupra asemănării comportării cristalelor lichide într-un câmp magnetic cu comportamentul feromagneților în timpul magnetizării și a sugerat că, în mod similar cu domeniile feromagneților, cristalele lichide au elemente de volum foarte mic în care moleculele sunt paralele între ele. În absența unui câmp extern, direcția acestor elemente de volum este arbitrară și pentru fiecare element este functie de timp. Când se aplică un câmp magnetic, are loc orientarea lor. Cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că, în ciuda utilității analogiei de mai sus, datele experimentale disponibile nu sunt suficiente pentru a aprecia dacă orientarea moleculelor are loc în cadrul grupurilor în sine - domenii. În ceea ce privește grupurile, odată cu creșterea temperaturii, orientarea lor reciprocă scade, deci coeficientul de magnetizare crește în valoare absolută. Datele experimentale au arătat că Cristalele lichide smectice și colesterice necesită câmpuri mari (10 4 - 3*104 gs).Unele dintre aceste substanțe păstrează orientarea indusă chiar și după îndepărtarea câmpului, ceea ce este asociat cu o vâscozitate ridicată, ceea ce contribuie la păstrarea ordinii moleculare.

Rezumând unele rezultate, se pot evidenția diferențe semnificative între proprietățile dielectrice ale cristalelor lichide nematice, pe de o parte, și proprietățile diamagnetice și optice, pe de altă parte. Ele se rezumă la următoarele.

Atât anizotropia diamagnetică, cât și cea optică în toate cristalele lichide nematice sunt pozitive, în conformitate cu faptul că atât în câmpurile electrice, cât și magnetice, polarizabilitatea unei molecule de-a lungul axei sale lungi este mai mare decât de-a lungul celei scurte. Anizotropia dielectrică și susceptibilitățile molare de-a lungul axei cristalelor lichide și perpendiculare pe aceasta în diferite cristale din domeniul de frecvență radio pot fi fie pozitive, fie negative.

Această diferență se explică prin faptul că polarizarea dipolului mezofazei joacă un rol important în aceasta din urmă. Prin urmare, dacă anizotropia optică și magnetică depinde numai de ordonarea axelor moleculare, atunci anizotropia dielectrică este în mare măsură determinată de forțele interacțiunii de orientare a moleculelor, care împiedică rotația dipolilor lor rigizi într-un câmp electric. În acest caz, rotația dipolului, aparent, ar trebui să fie mai liberă atunci când este efectuată în jurul axei lungi a moleculelor și mai întârziată atunci când se rotește în jurul axei scurte. Prin urmare, pentru acele cristale lichide în care dipolul este înclinat la un unghi mare față de axa longitudinală, se poate aștepta o anizotropie dielectrică negativă.

În ciuda numărului mare de lucrări, întrebarea rămâne deschisă până de curând dacă câmpul acționează direct asupra unei molecule individuale sau dacă grupuri moleculare întregi se rotesc în câmp sub influența forțelor de rotație.

În mezofaza nematică, sub acțiunea unui câmp magnetic se poate observa un fenomen analog efectului magnetic. De menționat că câmpul electric afectează și creșterea cristalelor lichide, dar aceste fenomene au fost puțin studiate.

.5 Proprietăţi dielectrice

Când se aplică un câmp electric sau magnetic, cristalul lichid suferă un fel de deformare elastică. Deformarea mezofazei este în general neomogenă, deoarece marginile lichidului adiacente sticlei și puternic lipite de pereți nu sunt supuse deformării. La cea mai mare deformare este supusă cea mai mare parte a mezofazei de pereții vasului. Particularitatea sa constă în faptul că fiecare element individual, de exemplu, o moleculă, este supus în primul rând rotației și abia apoi, probabil, deplasării, ceea ce eludează observarea, deoarece este de obicei realizat cu ajutorul luminii polarizate. .

Studiul proprietăților dielectrice ale cristalelor lichide face posibilă descoperirea modelelor generale datorate acțiunii câmpurilor electrice. Un preparat de cristal lichid orientat uniform se comportă ca un cristal uniaxial, în care, cu câteva excepții, se găsește anizotropie optică și dielectrică. Pentru fazele nematice și smectice (cu excepția grupului Dmodificare smectică) axa optică coincide cu direcția predominantă a axelor moleculare și este simultan și direcția de polarizabilitate maximă.

În stare nematică, cristalele lichide orientate prezintă o anizotropie dielectrică care rezultă din suprapunerea unei polarizări cu deplasare pozitivă (pe lungimea moleculei) cu o polarizare de orientare negativă (perpendiculară pe axa optică). Valoarea anizotropiei dielectrice este determinată de formula:

e =e ||-e

Unde e ||, e - constante dielectrice pe direcţia axei: ordin nematic şi pe direcţia perpendiculară pe aceasta. Semnul anizotropiei dielectrice depinde de polarizarea care predomină, care la rândul său este determinată de mărimea și direcția momentului dipol.

În faza nematică, forțele intermoleculare și forma moleculelor contribuie la aranjarea paralelă a moleculelor, în care mișcarea moleculelor în direcția lungimii lor nu este împiedicată, iar orice abateri de la mișcarea paralelă provoacă o puternică opoziţia acestor forţe.

Un strat de cristal lichid orientat uniform, ca un cristal uniaxial, are anizotropie dielectrică și optică. În stările nematice și smectice, direcția axei optice coincide cu direcția predominantă a axelor moleculare și concomitent cu direcția celei mai mari polarizabilitati. Prin urmare, un fascicul de lumină, un vector electric Ecare oscilează paralel cu axa optică, este refractat mai puternic decât un fascicul cu oscilații E,perpendicular pe axa optică. Dacă = Pe - P0 > 0, unde Pe Și P0 sunt indicii de refracție ai razelor extraordinare și respectiv ordinare, atunci se observă birefringență pozitivă. În cristalele lichide colesterice, axa optică este situată perpendicular pe direcția predominantă a axelor moleculare, prin urmare < 0, т. е. в этом случае имеется отрицательное двулучепреломление.

Refracția sau birefringența luminii este asociată cu densitatea substanței și gradul de aranjare paralelă a moleculelor S, care este determinată de expresia:

Unde φ - unghiul de abatere a axei longitudinale a moleculei de la direcția de orientare preferențială în timpul vibrațiilor sale de rotație termică în apropierea acestei direcții, este valoarea obţinută prin medierea tuturor orientărilor moleculelor. Gradul de ordin S variază puternic cu temperatura în faza nematică, aparent într-o măsură mai mică în faza colesterică și cu atât mai puțin în faza smectică. Prin urmare, dependența de temperatură a indicelui de refracție sau birefringența în starea nematică este mai puternică decât în starea smectică, în care modificarea densității are un efect mai semnificativ.

Ambele valori sunt e || Și e - dezvăluie dispersia caracteristică. Se datorează stabilirii unei poziții de echilibru față de axa longitudinală a vectorului de rotație al momentului transversal al grupării azoxi, care este puternic legată de moleculă și, de asemenea, față de legătura dublă a părții mijlocii a intramoleculară. momentul de rotație al grupării alcoxi. Timpul de relaxare atât în faza nematică, cât și în faza izotropă este de ordinul a 10 -11 sec.Dimpotriva, stabilirea momentului longitudinal al grupului azoxi, datorita rotatiei in jurul axei transversale in stare nematica, este foarte dificila. Timpul de relaxare este de aproximativ 10 -8 sec.

Rezultate foarte interesante au fost obținute de Besler și Labes, care au studiat efectul unui câmp electric asupra proprietăților dielectrice și orientării moleculelor din cristalele lichide colesterice. Pentru un amestec de miristat de colesteril și clorură de colesteril (1,75:1,00 în greutate), au măsurat constanta dielectrică în și fără un câmp electric constant. Se știe că un astfel de amestec la o temperatură de 43° își pierde proprietățile colesterice și se comportă ca o fază nematică cu o conductivitate de 10 -12 ohm-1 *cm-1 . Valorile de prag ale câmpului electric au făcut posibilă estimarea modulelor elastice de încovoiere și torsiune în funcție de temperatură și intensitatea câmpului în condiții de perturbare indusă a structurii elicoidale și distrugerea acesteia în timpul trecerii la faza nematică.

.6 Proprietăţi acusto-optice

Dezvoltarea cristalografiei acustice a stării de cristal lichid tocmai a început. Un alt subiect al acestei științe este conectarea unor fenomene precum propagarea și absorbția undelor elastice într-o gamă largă de vibrații mecanice - de la infrasonice la hipersonice, cu interacțiuni microscopice ale particulelor care alcătuiesc un cristal lichid și procesele cinetice care au loc. în ea.

Fenomenele deosebite din domeniul unei unde elastice se datorează mobilității moleculelor și anizotropiei cristalelor lichide. Baza multor studii experimentale este o celulă care conține un strat subțire de cristale lichide între două plăci transparente paralele plasate între polaroiduri încrucișate. Suprafețele plăcilor sunt adesea tratate în așa fel încât, în absența influențelor externe, moleculele formează un strat homeotrop. Un astfel de strat între nicoli încrucișați nu transmite lumină. Când vibrații de diferite tipuri sunt excitate într-una dintre plăci, se creează o undă vâscoasă în strat. Gradientul de viteză în unda vâscoasă face ca moleculele stratului să se rotească, drept urmare o parte a fluxului luminos trece prin sistem. Eficiența unui astfel de dispozitiv acusto-optic se datorează faptului că, datorită dimensiunii mici a lungimii de undă vâscoase, gradienții care apar în strat sunt mari.

Diapasonul, adus în vibrație, era așezat pe o masă sau pe un cuptor unde se afla preparatul. Sub acțiunea unei unde elastice în stratul homeotrop, apare un model de interferență din două linii drepte care se intersectează, precum și două hiperbole, a căror formă depinde de punctul de aplicare a diapazonului și de gradul presiunii acestuia asupra masa. Intervalul de frecvență în care se observă interferența este de la 200 la 600 Hz. Cea mai ascuțită cifră este vizibilă la 300 Hz.

Rotirea nicolului modifică modelul de interferență și poate fi fotografiat. Rotiți nicolele cu 90 0conduce la forma originală.

Formarea unei figuri de interferență este rezultatul unei schimbări în direcția axelor optice ale moleculelor. Figura în sine vă permite să judecați direcția în care sunt făcute vibrațiile. În locul unde sunt vizibile linii întunecate, direcția de oscilație a axelor optice ale moleculelor este perpendiculară sau paralelă cu direcția planului de polarizare.

Fenomenele acusto-optice se observă în timpul deformării compresive, torsiune și forfecare. Efectul clarificării stratului este vizibil mai ales în apropierea limitelor bulelor de aer conservate accidental într-un strat subțire. Deformarea stratului este elastică. Timpul necesar pentru ca stratul să revină la starea inițială depinde de mărimea forței externe aplicate. Cu o compresie slabă, timpul de relaxare este foarte scurt, iar pentru ochi procesul de recuperare a stratului decurge aproape instantaneu. Cu un puternic - procesul durează câteva secunde. Timpul de recuperare al stratului depinde de vâscozitatea fazei nematice și de grosimea stratului de relaxare. În absența etanșării stratului, efectul optic se observă numai atunci când presiunea externă se schimbă de la P la P+ P. Presiunea constanta, chiar si atunci cand este foarte semnificativa, face ca stratul sa devina transparent doar la socul initial, dupa care stratul revine la starea initiala. Într-o celulă etanșă, acțiunea presiunii constante corespunde unei anumite deformari a stratului, care corespunde efectului birefringenței.

Există un efect de culoare: o anumită cantitate de impuls mecanic corespunde apariției unei anumite culori. O modificare a ordinii particulelor cauzată de forțele externe rămâne în urmă cu o schimbare a presiunii externe, deoarece este asociată cu o rearanjare a particulelor sau o redistribuire a orientării lor reciproce, adică procese care necesită un anumit timp.

Efectul acusto-optic se observă pe întregul interval de temperatură al existenței fazei nematice. În faza smectică și în stare izotropă, efectul este absent. Acest lucru se datorează faptului că solicitările mecanice dintr-un strat subțire de mezofază provoacă fluxuri de materie, a căror existență poate fi judecată din comportamentul particulelor străine mici, care, în funcție de mărimea forței externe și de propriile dimensiuni, sunt deplasat la distante diferite fata de pozitia initiala. Acești curenți sunt suficienți pentru a schimba direcția axelor moleculelor. În mezofaza smectică, moleculele nu sunt doar paralele între ele, ci au și capetele în același plan, formând straturi care alunecă cu ușurință unul peste altul, astfel că fluxurile nu fac decât să schimbe straturile fazei smectice, în timp ce direcția. a axelor moleculelor se păstrează.

Efectul acusto-optic depinde neliniar de impulsul mecanic și crește odată cu magnitudinea acestuia, apropiindu-se de saturație. În condiții reale, lumina trece printr-un sistem complex de cristale lichide, al cărui grad de ordonare depinde de temperatură. Mișcarea termică perturbă ordinea în aranjarea moleculelor. În plus, pe măsură ce temperatura crește, vâscozitatea cristalului lichid scade. Prin urmare, pe măsură ce temperatura crește, efectul fotoelastic scade.

O modificare a transparenței stratului de cristale lichide se observă la frecvențe mai mari și la diferite amplitudini ale semnalului acustic. Prin înregistrarea fluxului luminos prin modificarea componentei câmpului se poate obține o modulare a fluxului luminos.

4. Aplicarea cristalelor lichide

Materialele organice sunt din ce în ce mai mult introduse în micro- și optoelectronica modernă. Este suficient să menționăm rezistențele foto și electroni utilizate în procesul litografic, laserele cu coloranți organici și filmele polimerice feroelectrice. Unul dintre exemplele clasice care confirmă această tendință sunt cristalele lichide.

Astăzi, cristalele lichide nematice nu au competitori între alte materiale electrooptice în ceea ce privește costurile energetice pentru comutarea lor. Proprietățile optice ale unui cristal lichid pot fi controlate direct de la microcipuri folosind putere în intervalul de microwați. Aceasta este o consecință directă a caracteristicilor structurale ale cristalelor lichide.

În afișarea ceasurilor, calculatoarelor, traducătorilor electronici sau într-un televizor cu ecran plat cu cristale lichide, se realizează același proces de bază. Datorită anizotropiei mari a permisivității, un câmp electric destul de slab creează un cuplu vizibil care acționează asupra directorului (un astfel de moment nu are loc într-un lichid izotrop). Datorită vâscozității scăzute, acest moment duce la o reorientare a directorului (axa optică), ceea ce nu s-ar întâmpla într-un solid. Și, în sfârșit, această rotație duce la o modificare a proprietăților optice ale cristalului lichid (birefringență, dicroism) datorită anizotropiei proprietăților sale optice. În cazurile în care informațiile trebuie reținute, de exemplu, atunci când sunt scrise cu un fascicul laser, sunt utilizate proprietățile vâscoelastice specifice ale fazei smectice A. Pentru dispozitivele optoelectronice cu memorie, polimerii cu cristale lichide sunt, de asemenea, foarte promițători.

Sensibilitatea înaltă a structurii elicoidale a cristalelor lichide colesterice la temperatură este utilizată în diagnosticarea medicală. Lumina albă, difractând pe această structură, se descompune într-un spectru, iar modificările locale ale temperaturii suprafeței corpului pot fi determinate din culorile irizate.Aceeași metodă este folosită în tehnica de testare nedistructivă a suprafeței diferitelor obiecte încălzite. Astfel, aici sunt utilizate caracteristicile structurii modulate (spirale) a fazei asimetrice în oglindă a cristalelor lichide.

Fazele liotrope, care sunt soluții de polimeri liniari cu cristale lichide, sunt utilizate în tehnologia fibrelor cu lungime completă de înaltă rezistență. Tragerea firului din faza comandată contribuie la creșterea rezistenței sale. Un alt exemplu de utilizare a fazelor de cristale lichide în tehnologia chimică este producția de cocs de înaltă calitate din fracțiuni de petrol grele. În ambele cazuri, rolul decisiv îl joacă caracteristicile ordonării structurale a moleculelor, liniară în primul și în formă de disc în al doilea exemplu.

Posibilitatea de a crea elemente optice anizotrope, precum și piro-, piezo-senzori și materiale optice neliniare bazate pe polimeri cu cristale lichide în formă de pieptene, care combină organizarea structurală a cristalelor lichide (inclusiv polarizarea spontană) și proprietățile mecanice ale polimerului. materiale, ar trebui să fie deosebit de subliniate.

Televizoare LCD

Crearea televizoarelor cu ecrane cu cristale lichide a devenit o nouă piatră de hotar istorică în utilizarea cristalelor lichide (LCD). Televizoarele de acest tip devin din ce în ce mai accesibile pentru cumpărători, deoarece există reduceri regulate de preț datorită îmbunătățirii tehnologiilor de producție.

Ecranul LCD este un ecran translucid, adică un ecran care este iluminat din spate cu o lampă albă, iar celulele culorilor primare (RGB - roșu, verde, albastru), situate pe trei panouri de culorile corespunzătoare, transmit sau nu transmit lumină prin ei înșiși în funcție de tensiunea aplicată. De aceea, există o anumită întârziere în imagine (timp de răspuns), care se observă mai ales la vizualizarea obiectelor care se mișcă rapid. Timpul de răspuns în modelele moderne variază de la 15 ms la 40 ms și depinde de tipul și dimensiunea matricei. Cu cât de această dată este mai scurtă, cu atât imaginea se schimbă mai repede, nu există fenomene de plume și suprapuneri de imagini.

Durata de viață a lămpii pentru majoritatea panourilor LCD la luminozitatea aproape inițială este de 60.000 de ore (acest lucru este suficient pentru aproximativ 16 ani când te uiți la televizor timp de 10 ore pe zi). Spre comparație: pentru televizoarele cu plasmă luminozitatea scade mult mai mult în același timp, iar pentru televizoarele CRT (fosforul se arde), pragul este de 15.000-20.000 de ore (aproximativ 5 ani), apoi calitatea se deteriorează vizibil.

Dispozitiv cu monitor LCD

Fiecare pixel LCD constă dintr-un strat de molecule între doi electrozi transparenți și două filtre polarizante ale căror planuri de polarizare sunt (de obicei) perpendiculare. În absența cristalelor lichide, lumina transmisă de primul filtru este aproape complet blocată de al doilea. Suprafața electrozilor în contact cu cristalele lichide este tratată special pentru orientarea inițială a moleculelor într-o singură direcție.

În matricea TN, aceste direcții sunt reciproc perpendiculare, astfel încât moleculele se aliniază într-o structură elicoidală în absența stresului. Această structură refractă lumina în așa fel încât înaintea celui de-al doilea filtru planul său de polarizare se rotește și lumina trece prin ea fără pierderi. În afară de absorbția a jumătate din lumina nepolarizată de către primul filtru, celula poate fi considerată transparentă. Dacă electrozilor li se aplică o tensiune, atunci moleculele tind să se alinieze în direcția câmpului electric, ceea ce distorsionează structura elicoidală. În acest caz, forțele elastice contracarează acest lucru, iar atunci când tensiunea este oprită, moleculele revin la poziția inițială. La o intensitate suficientă a câmpului, aproape toate moleculele devin paralele, ceea ce duce la opacitatea structurii. Variând tensiunea, puteți controla gradul de transparență.

Dacă se aplică o tensiune constantă pentru o perioadă lungă de timp, structura cristalelor lichide se poate degrada din cauza migrării ionilor. Pentru a rezolva această problemă se aplică un curent alternativ sau o modificare a polarității câmpului cu fiecare adresare a celulei (deoarece schimbarea transparenței are loc la pornirea curentului, indiferent de polaritatea acestuia).

Lumina care trece prin celule poate fi naturală - reflectată de substrat (în afișajele LCD fără lumină de fundal). Dar mai des se folosește o sursă de lumină artificială, pe lângă independența față de iluminatul extern, aceasta stabilizează și proprietățile imaginii rezultate.

Astfel, un monitor LCD cu drepturi depline este format din electronice care procesează semnalul video de intrare, o matrice LCD, un modul de iluminare de fundal, o sursă de alimentare și o carcasă. Combinația acestor componente este cea care determină proprietățile monitorului în ansamblu, deși unele caracteristici sunt mai importante decât altele.

Caracteristicile cheie ale monitoarelor LCD:

Permisiune: Dimensiunile orizontale și verticale exprimate în pixeli Spre deosebire de monitoarele CRT, LCD-urile au o rezoluție fixă, restul se realizează prin interpolare.

Dimensiunea punctului: Distanța dintre centrele pixelilor adiacenți. Direct legat de rezoluția fizică.

Raportul de aspect al ecranului(format): raportul dintre lățime și înălțime, de exemplu: 5:4, 4:3, 5:3, 8:5, 16:9, 16:10.

Diagonala vizibila: dimensiunea panoului în sine, măsurată în diagonală. Zona de afișare depinde și de format: un monitor 4:3 are o suprafață mai mare decât un monitor 16:9 cu aceeași diagonală.

Contrast: Raportul dintre luminozitatea punctului cel mai luminos și cel mai întunecat. Unele monitoare folosesc un nivel adaptiv de iluminare de fundal folosind lămpi suplimentare, iar cifra de contrast dată pentru ele (numită dinamică) nu se aplică unei imagini statice.

Timp de raspuns: Timpul minim necesar unui pixel pentru a-și schimba luminozitatea.

Unghi de vedere: unghiul la care scăderea contrastului atinge valoarea specificată este calculat diferit pentru diferite tipuri de matrice și de către diferiți producători și adesea nu este comparabil. Unghiul de vizualizare al celor mai noi televizoare LCD atinge 160-170 de grade pe verticală și pe orizontală, iar acest lucru face ca problema să fie mult mai puțin acută decât era acum câțiva ani.

Dezavantajele ecranelor LCD: Prezența pixelilor morți. Pixeli care nu funcționează - pixeli care sunt aprinși în mod constant într-o singură stare și nu își schimbă culoarea în funcție de semnal. Spre deosebire de CRT, acestea pot afișa o imagine clară într-o singură rezoluție ("standard"). Restul se realizează prin interpolare cu pierdere de claritate. În plus, rezoluții prea mici (de exemplu, 320 × 200) nu poate fi afișat deloc pe multe monitoare. Gama de culori și acuratețea culorilor sunt mai mici decât cele ale panourilor cu plasmă și, respectiv, CRT-urilor. Pe multe monitoare există o neuniformitate irecuperabilă în transmiterea luminozității (benzi în gradienți).

Multe monitoare LCD au un contrast relativ scăzut și o adâncime de negru. Creșterea contrastului real este adesea asociată cu pur și simplu creșterea luminozității luminii de fundal, până la valori incomode. Stratul lucios utilizat pe scară largă a matricei afectează doar contrastul subiectiv în condiții de lumină ambientală. Datorită cerințelor stricte pentru o grosime constantă a matricelor, există o problemă de neuniformitate uniformă a culorii (neuniformitatea luminii de fundal). Rata reală de schimbare a imaginii rămâne, de asemenea, mai mică decât cea a ecranelor CRT și cu plasmă.

Dependența contrastului de unghiul de vizualizare este încă un dezavantaj semnificativ al tehnologiei.

Monitoarele LCD produse în serie nu sunt bine protejate de deteriorare. Matricea neprotejată de sticlă este deosebit de sensibilă. Cu o presiune puternică, este posibilă degradarea ireversibilă.

Display cu cristale lichide

Se știe cât de populare erau diverse jocuri electronice, instalate de obicei în sala de distracție din locuri publice sau în foaierul cinematografelor. Progresele în dezvoltarea ecranelor cu cristale lichide cu matrice au făcut posibilă crearea și producerea în masă a unor astfel de jocuri într-o versiune de buzunar în miniatură, ca să spunem așa.

Primul astfel de joc din Rusia a fost jocul „Ei bine, așteaptă!”, stăpânit de industria autohtonă. Dimensiunile acestui joc sunt ca cele ale unui caiet, iar elementul său principal este un display cu matrice cu cristale lichide, pe care sunt afișate imagini cu un lup, un iepure de câmp, găini și testicule rostogolindu-se de-a lungul jgheaburilor. Sarcina jucătorului, prin apăsarea butoanelor de control, este să-l facă pe lupul, deplasându-se de la jgheab la jgheab, să prindă ouăle care se rostogolesc din jgheab în coș pentru a preveni căderea la pământ și spargerea lor. Aici observăm că, pe lângă scopuri de divertisment, această jucărie acționează ca un ceas și un ceas cu alarmă, adică într-un alt mod de funcționare, ora este afișată pe afișaj și poate fi dat un semnal sonor la ora necesară.

În centrul oricărui afișaj LCD se află un principiu de design. Baza pentru straturile ulterioare ale LCD-ului sunt două plăci de sticlă paralele acoperite cu filme polarizante. Există polarizatoare superioare și inferioare orientate perpendicular unul pe celălalt. Pe plăcile de sticlă din acele locuri în care imaginea se va forma în viitor, se aplică o peliculă transparentă de oxid de metal, care servește ulterior drept electrozi. Pe suprafața interioară a sticlelor și electrozilor sunt aplicate straturi de nivelare polimerice, care sunt apoi lustruite, ceea ce contribuie la apariția unor șanțuri longitudinale microscopice pe suprafața lor în contact cu LC. Spațiul dintre straturile de nivelare este umplut cu o substanță LC. Ca rezultat, moleculele LC se aliniază în direcția de lustruire a stratului de nivelare.

Direcțiile de lustruire ale straturilor de nivelare superioare și inferioare sunt perpendiculare (asemănătoare cu orientarea polarizatoarelor). Acest lucru este necesar pentru „răsucirea” preliminară a straturilor de molecule LC cu 90° între ochelari. Când nu se aplică tensiune electrozilor de control, fluxul de lumină, trecând prin polarizatorul inferior, se deplasează prin straturile de cristale lichide, care își schimbă ușor polarizarea, rotindu-l la un unghi de 90°. Ca urmare, fluxul luminos după ieșirea din materialul LC trece nestingherit prin polarizatorul superior (orientat perpendicular pe cel inferior) și ajunge la observator. Nu are loc imagistica. Când se aplică o tensiune electrozilor, se creează un câmp electric între ei, ceea ce determină o reorientare a moleculelor LC. Moleculele tind să se alinieze de-a lungul liniilor de câmp în direcția de la un electrod la altul. Ca urmare, efectul de „răsucire” a luminii polarizate dispare, sub electrod apare o regiune de umbră, repetându-și contururile. Este creată o imagine, formată dintr-o zonă de fundal deschisă și o zonă întunecată sub electrodul pornit. Variind contururile zonei ocupate de electrod, este posibil să se formeze o varietate de imagini: litere, cifre, pictograme etc. Așa sunt create LCD-urile cu caractere. Și atunci când creați o matrice de electrozi (matrice ortogonală), puteți obține un LCD grafic cu o rezoluție determinată de numărul de electrozi implicați.

Cerințele pentru un afișaj cu matrice folosit ca ecran TV se dovedesc a fi mult mai mari atât în ceea ce privește viteza, cât și numărul de elemente decât într-o jucărie electronică și un dicționar traducător. Acest lucru va deveni clar dacă ne amintim că, în conformitate cu standardul de televiziune, imaginea de pe ecran este formată din 625 de linii (și fiecare linie este formată din aproximativ același număr de elemente), iar timpul de înregistrare a unui cadru este de 40 ms. . Prin urmare, implementarea practică a unui televizor LCD este o sarcină mai dificilă. Cu toate acestea, oamenii de știință și designerii au obținut în mod clar un succes extraordinar și în soluționarea tehnică a acestei probleme. Așadar, compania japoneză Sony a lansat producția unui televizor în miniatură cu o imagine color și o dimensiune a ecranului de 3,6 cm care ține aproape în palmă.

Concluzie

Existența cristalelor lichide este cunoscută de relativ mult timp, dar multe experimente care ar fi putut fi efectuate în urmă cu treizeci de ani au fost realizate abia acum. Importanța potențialelor lor aplicații în termografie și afișaje electro-optice a fost realizată cu doar zece ani în urmă. Studii recente au arătat că structura unui cristal lichid este extrem de mobilă și labilă: mici influențe externe sunt suficiente pentru a-l schimba, iar acest lucru duce imediat la o modificare a proprietăților macroscopice ale substanței. Prin urmare, cristalele lichide sunt un material unic ale cărui proprietăți pot fi modificate prin acțiuni de control.

Cristalele lichide au dobândit un rol uriaș în știință și tehnologie. Cristalele lichide sunt de mare interes pentru electronica radio și optoelectronica. Acum a fost stabilită producția industrială de indicatoare cu cristale lichide pentru ceasuri, minicalculatoare etc.. Caracteristica lor distinctivă este consumul de energie extrem de scăzut, tensiuni de control scăzute, ceea ce face posibilă combinarea indicatoarelor cu dispozitive electronice miniaturale, facilitând utilizarea surselor de alimentare miniaturale. cu o durată lungă de viață.

Bibliografie

dielectric optic cu cristale lichide

1.A.P. Kapustin Proprietăți electro-optice și acustice ale cristalelor lichide. -M.: Nauka, 1973.

.A. Adamchik, Z. Strugalsky Cristale lichide - M .: Radio sovietică, 1979.

.L.M. Blinov, SA Pikin Starea cristalelor lichide a materiei. -M.: Cunoașterea, 1986.

4.De Zhen P. Fizica cristalelor lichide. - Per. din engleza. ed. A.F. Sonina. - M.: Mir, 1977.

.Pikin S.A., Blinov L.M. cristale lichide. - M.: Nauka, 1982.

Agenția Federală pentru Știință și Educație a Federației Ruse

Universitatea Tehnică de Stat din Irkutsk

Departamentul de Fizică

ESEU

pe tema: Cristale lichide și lor

aplicare în cristale lichide

Efectuat:

Grupa de elevi EL-03-1

Moroz Ya.V.

Verificat:

profesori

Sozinova T.V.

Shishilova T.I.

Irkutsk, 2005

1. Ce sunt cristalele lichide 3

1.1. Cristale lichide 3

1.2. Tipuri de cristale lichide 4

1.3. Aplicație 5

2. Monitoare LCD 6

2.1. TN - cristale 6

2.2. Anatomia unui LCD 8

2.3. Afișaje TFT 8

2.4. Cristale lichide ferrodielectrice 12

2.5. Cristale lichide adresate cu plasmă (PALC) 12

3. Rezultate 13

1.1 CRISTAL LICHID - o stare a materiei intermediară între starea lichidă și starea solidă. Moleculele dintr-un lichid sunt libere să se rotească și să se miște în orice direcție. Într-un solid cristalin, ele sunt situate la nodurile unei rețele geometrice obișnuite, numită rețea cristalină și se pot roti numai în pozițiile lor fixe. Într-un cristal lichid, există un anumit grad de ordine geometrică în aranjarea moleculelor, dar este permisă și o anumită libertate de mișcare.

Figura 1. O imagine mărită a unui cristal lichid.

Se crede că starea cristalului lichid a fost descoperită în 1888 de botanistul austriac F. Reinitzer. El a studiat comportamentul unui solid organic numit benzoat de colesteril. Când este încălzit, acest compus s-a schimbat dintr-o stare solidă într-o stare cu aspect tulbure, numită acum cristal lichid, iar apoi într-un lichid transparent; la răcire, succesiunea transformărilor s-a repetat în ordine inversă. Reinitzer a mai remarcat că atunci când este încălzit, culoarea cristalului lichid se schimbă - de la roșu la albastru, cu o repetare în ordine inversă când este răcită. Aproape toate cristalele lichide descoperite până în prezent sunt compuși organici; Aproximativ 50% din toți compușii organici cunoscuți formează cristale lichide când sunt încălziți. Literatura descrie, de asemenea, cristale lichide ale unor hidroxizi (de exemplu, Fe2O3 X H2O).

cristale lichide , stare de cristal lichid, stare mezomorfă - o stare a materiei în care are proprietățile unui lichid (fluiditate) și unele proprietăți ale cristalelor solide (anizotropia proprietăților). Zh. pentru a forma substanțe ale căror molecule sunt sub formă de bastoane sau plăci alungite. Se face o distincție între cristalele lichide termotrope și liotrope.Primele sunt substanțe individuale care există într-o stare mezomorfă într-un anumit interval de temperatură, sub care substanța este un cristal solid, deasupra căruia este un lichid obișnuit. Exemple:

paraazoxyanisol (în intervalul de temperatură 114-135°C), ester etilic al acidului azoxibenzoic

(100-120°C), colesterol propil eter (102-116°C). Cristalele lichide liotrope sunt soluții ale anumitor substanțe în anumiți solvenți. Exemple: soluții apoase soluții de săpun de polipeptide sintetice (poli-g-benzil- L-glutamat) într-un număr de solvenți organici (dioxan, dicloroetan).

1.2 Tipuri de cristale lichide .

Există două moduri de a obține cristale lichide. Unul dintre ei a fost descris mai sus când se vorbea despre benzoatul de colesteril. Când unii compuși organici solizi sunt încălziți, rețeaua lor cristalină se destramă și se formează un cristal lichid. Dacă temperatura crește și mai mult, atunci cristalul lichid se transformă într-un lichid real. Cristalele lichide formate la încălzire se numesc termotrope. La sfârșitul anilor 1960, s-au obținut compuși organici care sunt lichid cristalini la temperatura camerei.

Există două clase de cristale lichide termotrope: nematice (filamentoase) și smectice (sebacee sau mucoase). Cristalele lichide nematice pot fi împărțite în două categorii: obișnuite și colesteric-nematice (nematice răsucite).

Figura 2. CRISTALELE LICHIDE TERMOTROPICE, schema de ambalare moleculară. În clasa smectică (cu excepția smecticului D), moleculele sunt dispuse în straturi. Fiecare moleculă rămâne în propriul strat, dar straturile pot aluneca unul față de celălalt. În cristalele lichide nematice, moleculele se pot mișca în toate direcțiile, dar axele lor rămân întotdeauna paralele între ele. În cristalele lichide colesteric-nematice, axele moleculelor se află în planul stratului, dar orientarea lor se schimbă de la strat la strat, ca o spirală. Datorită acestei răsuciri elicoidale, peliculele subțiri de cristale lichide colesterice au o capacitate neobișnuit de mare de a roti planul de polarizare a luminii polarizate. dar– smectic; b– nematic; în- colesteric.

1.3 Aplicare.

Dispunerea moleculelor în cristale lichide se modifică sub influența unor factori precum temperatura, presiunea, câmpurile electrice și magnetice; modificările în aranjarea moleculelor conduc la o schimbare a proprietăților optice, cum ar fi culoarea, transparența și capacitatea de a roti planul de polarizare a luminii transmise. (În cristalele lichide colesteric-nematice, această capacitate este foarte mare.) Numeroase aplicații ale cristalelor lichide se bazează pe toate acestea. De exemplu, dependența culorii de temperatură este folosită pentru diagnosticul medical. Prin aplicarea anumitor materiale cu cristale lichide pe corpul pacientului, medicul poate identifica cu ușurință țesuturile bolnave prin decolorare, unde aceste țesuturi generează cantități crescute de căldură. Dependența de temperatură a culorii face, de asemenea, posibilă controlul calității produselor fără a le distruge. Dacă un produs metalic este încălzit, atunci defectul său intern va modifica distribuția temperaturii pe suprafață. Aceste defecte sunt detectate printr-o schimbare a culorii materialului de cristal lichid depus pe suprafata.

Filmele subțiri de cristale lichide închise între pahare sau foi de plastic și-au găsit o largă aplicație ca dispozitive indicatoare (prin aplicarea de câmpuri electrice de joasă tensiune pe diferite părți ale unui film selectat corespunzător, este posibil să se obțină figuri vizibile pentru ochi, formate, de exemplu , prin zone transparente și opace). Cristalele lichide sunt utilizate pe scară largă în fabricarea de ceasuri și calculatoare mici. Sunt create televizoare cu ecran plat cu un ecran subțire cu cristale lichide. Relativ recent, s-au obținut fibre de carbon și polimer pe bază de matrice de cristale lichide.

2.Monitoare LCD

Familiarizarea noastră cu afișajele cu cristale lichide se desfășoară de mulți ani, iar istoria sa datează din era pre-computer. Astăzi, dacă o persoană se uită la ceasul de mână, verifică starea unei imprimante sau lucrează cu un laptop, întâlnește involuntar fenomenul cristalelor lichide. Mai mult, această tehnologie intră în domeniul tradițional al monitoarelor CRT - display-uri desktop pentru computere.

Tehnologia LCD se bazează pe utilizarea unor caracteristici ale luminii precum polarizarea. Ochiul uman nu poate face distincția între stările de polarizare ale unei unde, dar unele substanțe (de exemplu, peliculele polaroid) transmit lumină doar cu o anumită polarizare. Dacă luați două polaroid - una luminoasă întârziatoare cu polarizare verticală și alta cu polarizare orizontală, puneți-le unul față de celălalt, atunci lumina nu va putea trece printr-un astfel de sistem (Figura 3).

Figura 3 polarizarea luminii.

Prin rotirea selectivă a polarizării luminii în golul dintre filme, am putea forma zone luminoase și întunecate - pixeli. Acest lucru este posibil dacă utilizați o placă presărată cu cristale optic active (se numesc astfel deoarece, datorită particularităților moleculelor lor asimetrice, pot modifica polarizarea luminii).

Dar afișajul implică o afișare dinamică a informațiilor, iar cristalele obișnuite nu ne vor putea ajuta aici. Omologul lor lichid vin în ajutor. Cristalele lichide sunt lichide în care este inerent un anumit aranjament de molecule, în urma căruia apare anizotropia proprietăților mecanice, magnetice și, cel mai interesant pentru noi, electrice și optice.

Datorită anizotropiei proprietăților electrice și prezenței fluidității, este posibil să se controleze orientarea preferată a moleculelor, modificând astfel proprietățile optice ale cristalului. Și au o trăsătură remarcabilă - forma specifică alungită a moleculelor și aranjarea lor paralelă le fac polarizatoare foarte eficiente. Acum să începem să studiem varietatea elementară de afișaje LCD - pe cristale nematice răsucite (Twisted Nematic - TN).

2.1 TN - cristale.

Faptul că moleculele unui cristal lichid nematic se aliniază ca soldații într-o paradă este o consecință a anizotropiei forțelor interacțiunii lor. Este imposibil de prezis poziția regizorului din punct de vedere macroscopic într-un cristal lichid liber; prin urmare, este imposibil să se determine în prealabil în ce plan va polariza lumina.

Se pare că este destul de simplu să dai moleculelor una sau alta orientare, este necesar doar să facem o placă (transparentă pentru scopurile noastre, de exemplu, sticlă) cu multe șanțuri paralele microscopice (lățimea lor ar trebui să corespundă dimensiunii minime de elementul imagine fiind format).

cristale lichide(abreviat LCD; ing. l lichidă c cristale, LC) este o stare de fază în care trec unele substanțe în anumite condiții (temperatură, presiune, concentrație în soluție). Cristalele lichide au simultan proprietățile atât ale lichidelor (fluiditate), cât și ale cristalelor (anizotropie). Conform structurii, LC-urile sunt lichide vâscoase formate din molecule alungite sau sub formă de disc, ordonate într-un anumit fel pe întregul volum al acestui lichid. Cea mai caracteristică proprietate a LC-urilor este capacitatea lor de a schimba orientarea moleculelor sub influența câmpurilor electrice, ceea ce deschide oportunități largi pentru aplicarea lor în industrie. În funcție de tipul de LC, acestea sunt de obicei împărțite în două grupuri mari: nematici și smectici. La rândul lor, nematicele sunt subdivizate în cristale lichide nematice și colesterice.

Istoria descoperirii cristalelor lichide

Dovada științifică a fost oferită de profesorul de la Universitatea Karlsruhe, Otto Lehmann, după mulți ani de cercetări, dar chiar și după apariția cărții Liquid Crystals scrisă de el în 1904, descoperirea nu a fost aplicată.

O contribuție fundamentală la fizica cristalelor lichide a fost adusă de omul de știință sovietic V. K. Frederiks.

Prima utilizare practică a cristalelor lichide a venit în 1936, când compania Marconi Wireless Telegraph și-a brevetat supapa de lumină electro-optică.

Caracteristicile multor dispozitive electro-optice care funcționează pe LC-uri liotrope sunt determinate de anizotropia conductivității electrice a acestora, care, la rândul său, este legată de anizotropia polarizabilității electronice. Pentru unele substanțe, datorită anizotropiei proprietăților LC, conductivitatea electrică își schimbă semnul. De exemplu, pentru acidul n-octiloxibenzoic, acesta trece prin zero la o temperatură de 146 ° C, iar acest lucru este asociat cu caracteristicile structurale ale mezofazei și cu polarizabilitatea moleculelor. Orientarea moleculelor fazei nematice, de regulă, coincide cu direcția celei mai mari conductivitati.

Toate formele de viață sunt conectate într-un fel sau altul cu activitatea unei celule vii, multe dintre ale cărei legături structurale sunt similare cu structura cristalelor lichide. Cu proprietăți dielectrice remarcabile [ ], FA formează suprafețe eterogene intracelulare, ele reglează relația dintre celulă și mediu, precum și între celulele și țesuturile individuale, asigură inerția necesară părților constitutive ale celulei, protejând-o de influența enzimatică. ] . Astfel, stabilirea regularităților în comportamentul FA deschide noi perspective în dezvoltarea biologiei moleculare. ] .

Aplicații cu cristale lichide

Una dintre utilizările importante ale cristalelor lichide este termografia. Prin selectarea compoziției unei substanțe cu cristale lichide, sunt creați indicatori pentru diferite intervale de temperatură și pentru diferite modele. De exemplu, cristalele lichide sub formă de peliculă sunt aplicate pe tranzistoare, circuite integrate și plăci de circuite imprimate ale circuitelor electronice. Elementele defecte - foarte calde sau reci, nefuncționale - sunt imediat vizibile prin petele de culoare strălucitoare. Medicii au primit noi oportunități: un indicator cu cristale lichide pe pielea pacientului diagnostichează rapid inflamația latentă și chiar o tumoare.

Cu ajutorul cristalelor lichide sunt detectați vapori de compuși chimici nocivi și radiații gamma și ultraviolete periculoase pentru sănătatea umană. Contoarele de presiune și detectoarele cu ultrasunete au fost create pe baza de cristale lichide.

Dar cel mai promițător domeniu de aplicare al substanțelor cu cristale lichide este tehnologia informației: de la primii indicatori, familiari tuturor de la ceasuri electronice, până la televizoare LCD color. Astfel de televizoare oferă o imagine de foarte înaltă calitate, consumând mai puțină energie decât televizoarele CRT. Ecranele cu cristale lichide folosesc joncțiunea Freedericksz, descoperită în 1927.

M. G. Tomilin a propus utilizarea cristalelor lichide în tehnologiile fotografice în două etape pentru salvarea imaginilor, în timp ce înregistrarea influențelor externe are loc în mezofază, iar stocarea este în stare solid-cristalină.

Cristalele lichide sunt folosite în producția de „sticlă inteligentă” care poate modifica coeficientul de transmisie a luminii.

Productie

Principalul producător de cristale lichide este compania germană Merck. Oferă mai mult de jumătate din cererea mondială de componente pentru ecrane LCD. Ea a primit medalia de aur a premiului anual al Asociației Dezvoltatorilor și Producătorilor de Afișări de Informații SID-2015 (Society for Information Displays) în nominalizarea „Componente pentru afișaje” pentru dezvoltarea tehnologiei inovatoare de producție cu cristale lichide UB-FFS.

Legături

Note

Shibaev. Cristale neobișnuite sau lichide misterioase (neopr.) // Soros Educational Journal. - 1996. - Nr. 11. - S. 41.
Reinitzer, Friedrich. Beiträge zur Kenntniss des Cholesterins (neopr.) // Monatshefte für Chemie (Wien). - 1888. - V. 9, Nr. 1. - p. 421-441. -

Vizualizări