Какие свойства присущи жидким кристаллам
Шлирен-текстура[1] нематического жидкого кристалла, наблюдаемая при помещении его между двумя поляроидами, например в оптическом поляризационном микроскопе
Жи́дкие криста́ллы (сокращённо ЖК; англ. liquid crystals, LC) — это фазовое состояние, в которое переходят некоторые вещества при определённых условиях (температура, давление, концентрация в растворе). Жидкие кристаллы обладают одновременно свойствами как жидкостей (текучесть), так и кристаллов (анизотропия). По структуре ЖК представляют собой вязкие жидкости, состоящие из молекул вытянутой или дискообразной формы, определённым образом упорядоченных во всём объёме этой жидкости. Наиболее характерным свойством ЖК является их способность изменять ориентацию молекул под воздействием электрических полей, что открывает широкие возможности для применения их в промышленности. По типу ЖК обычно разделяют на две большие группы: нематики и смектики. В свою очередь нематики подразделяются на собственно нематические и холестерические жидкие кристаллы.
История открытия жидких кристаллов[править | править код]
Жидкие кристаллы открыл в 1888 году австрийский ботаник Ф. Рейнитцер (нем.)русск.[2]. Он обратил внимание, что у кристаллов холестерилбензоата и холестерилацетата было две точки плавления и, соответственно, два разных жидких состояния — мутное и прозрачное. Само название «жидкие кристаллы» придумал Отто Леманн в 1904 году[3]. Однако учёные не обратили особого внимания на необычные свойства этих жидкостей.
Долгое время физики и химики в принципе не признавали жидких кристаллов, потому что их существование разрушало теорию о трёх состояниях вещества: твёрдом, жидком и газообразном. Учёные относили жидкие кристаллы то к коллоидным растворам, то к эмульсиям.
Научное доказательство было предоставлено профессором университета Карлсруэ Отто Леманом после многолетних исследований, но даже после появления в 1904 году написанной им книги «Жидкие кристаллы» открытию не нашлось применения.
Фундаментальный вклад в физику жидких кристаллов внёс советский учёный В. К. Фредерикс[4].
Первое практическое применение жидких кристаллов произошло в 1936 году, когда компания Marconi Wireless Telegraph запатентовала свой электро-оптический световой клапан[5][6].
В 1963 г. американец Дж. Фергюсон (англ. James Fergason) использовал важнейшее свойство жидких кристаллов — изменять цвет под воздействием температуры — для обнаружения невидимых простым глазом неоднородно нагретых участков поверхности. После того, как ему выдали патент на изобретение (U.S. Patent 3 114 836), интерес к жидким кристаллам резко возрос.
В 1965 г. в США собралась Первая международная конференция, посвящённая жидким кристаллам. В 1968 г. американские учёные создали принципиально новые индикаторы для систем отображения информации. Принцип их действия основан на том, что молекулы жидких кристаллов, поворачиваясь в электрическом поле, по-разному отражают и пропускают свет. Под воздействием напряжения, которое подавали на проводники, впаянные в экран, на нём возникало изображение, состоящее из микроскопических точек. И всё же только после 1973 г., когда группа английских химиков под руководством Джорджа Грея получила жидкие кристаллы из относительно дешёвого и доступного сырья, эти вещества получили широкое распространение в разнообразных устройствах.
Группы жидких кристаллов[править | править код]
По своим общим свойствам ЖК можно разделить на две большие группы:
- термотропные ЖК, образующиеся в результате нагревания твёрдого вещества и существующие в определённом интервале температур и давлений.
- лиотропные ЖК, которые представляют собой двух- или более компонентные системы, образующиеся из стержневидных молекул данного вещества и воды (или других полярных растворителей). Эти стержневидные молекулы имеют на одном конце полярную группу, а большая часть стержня собой гибкую гидрофобную углеводородную цепь. Такие вещества называются амфифилами (амфи — по-гречески означает «с двух концов», филос — «любящий», «благорасположенный»). Примером амфифилов могут служить фосфолипиды.
Амфифильные молекулы, как правило, плохо растворяются в воде, склонны образовывать агрегаты таким образом, что их полярные группы на границе раздела фаз направлены к жидкой фазе. При низких температурах смешивание жидкого амфифила с водой приводит к расслоению системы на две фазы. Одним из вариантов амфифилов со сложной структурой может служить система мыло-вода. Здесь имеется алифатический анион (где ~ 12-20) и положительный ион и др. Полярная группа стремится к тесному контакту с молекулами воды, тогда как неполярная группа (алифатическая цепь) избегает контакта с водой. Это явление типично для амфифилов.
Термотропные ЖК подразделяются на три больших класса:
Схематическое изображение нематического жидкого кристалла.
- Нематические жидкие кристаллы. В этих кристаллах отсутствует дальний порядок в расположении центров тяжести молекул, у них нет слоистой структуры, их молекулы скользят непрерывно в направлении своих длинных осей, вращаясь вокруг них, но при этом сохраняют ориентационный порядок: длинные оси направлены вдоль одного преимущественного направления. Они ведут себя подобно обычным жидкостям. Нематические фазы встречаются только в таких веществах, у молекул которых нет различия между правой и левой формами, их молекулы тождественны своему зеркальному изображению (ахиральны). Примером вещества, образующего нематический ЖК, может служить -(пара-метоксибензилиден)-пара-бутиланилин.
Схематическое изображение жидкого кристалла в смектической фазе
- Смектические жидкие кристаллы имеют слоистую структуру, слои могут перемещаться относительно друг друга. Толщина смектического слоя определяется длиной молекул (преимущественно, длиной парафинового «хвоста»), однако вязкость смектиков значительно выше, чем у нематиков, и плотность по нормали к поверхности слоя может сильно меняться. Типичным является терефтал-бис (пара-бутиланилин).
- Холестерические жидкие кристаллы — образуются, в основном, соединениями холестерина и других стероидов. Это нематические ЖК, но их длинные оси повёрнуты друг относительно друга так, что они образуют спирали, очень чувствительные к изменению температуры вследствие чрезвычайно малой энергии образования этой структуры (порядка 0,01 Дж/моль). В качестве типичного холестерика можно назвать амил-пара-(4-цианобензилиденамино)-циннамат.
Холестерики ярко окрашены, и малейшее изменение температуры (до тысячных долей градуса) приводит к изменению шага спирали и, соответственно, к изменению окраски ЖК.
Во всех приведённых типах ЖК характерным является ориентация дипольных молекул в определённом направлении, которое определяется единичным вектором — называемым «директором».
В недавнее время открыты так называемые колончатые фазы, которые часто образуются дискообразными молекулами, расположенными слоями друг на друге в виде многослойных колонн, с параллельными оптическими осями. Часто их называют «жидкими нитями», вдоль которых молекулы обладают трансляционными степенями свободы. Этот класс соединений был предсказан академиком Л. Д. Ландау, а открыт лишь в 1977 Чандрасекаром. Схематично характер упорядоченности жидких кристаллов названных типов представлен на рисунке.
У ЖК необычные оптические свойства. Нематики и смектики — оптически одноосные кристаллы. Холестерики, вследствие периодического строения, сильно отражают свет в видимой области спектра. Поскольку в нематиках и холестериках носителями свойств является жидкая фаза, то она легко деформируется под влиянием внешнего воздействия, а так как шаг спирали в холестериках очень чувствителен к температуре, то, следовательно, и отражение света резко меняется с температурой, приводя к изменению цвета вещества. Эти явления широко используются в различных приложениях, например, для нахождения горячих точек в микроцепях, локализации переломов и опухолей у человека, визуализации изображения в инфракрасных лучах и др.
На феноменологическом уровне деформации жидкого кристалла, как правило, описываются при помощи плотности свободной энергии Франка — Озеена.
Характеристики многих электрооптических устройств, работающих на лиотропных ЖК, определяются анизотропией их электропроводности, которая, в свою очередь, связана с анизотропией электронной поляризуемости. Для некоторых веществ вследствие анизотропии свойств ЖК удельная электропроводность изменяет свой знак. Например, для н-октилоксибензойной кислоты она проходит через ноль при температуре 146 °C, и связывают это со структурными особенностями мезофазы и с поляризуемостью молекул. Ориентация молекул нематической фазы, как правило, совпадает с направлением наибольшей проводимости.
Применение жидких кристаллов[править | править код]
Сегментный и точечный ЖК-дисплей.
Одно из важных направлений использования жидких кристаллов — термография. Подбирая состав жидкокристаллического вещества, создают индикаторы для разных диапазонов температуры и для различных конструкций. Например, жидкие кристаллы в виде плёнки наносят на транзисторы, интегральные схемы и печатные платы электронных схем. Неисправные элементы — сильно нагретые или холодные, неработающие — сразу заметны по ярким цветовым пятнам. Новые возможности получили врачи: жидкокристаллический индикатор на коже больного быстро диагностирует скрытое воспаление и даже опухоль.
С помощью жидких кристаллов обнаруживают пары́ вредных химических соединений и опасные для здоровья человека гамма- и ультрафиолетовое излучения. На основе жидких кристаллов созданы измерители давления, детекторы ультразвука.
Но самая многообещающая область применения жидкокристаллических веществ — информационная техника[7]: от первых индикаторов, знакомых всем по электронным часам, до цветных телевизоров с жидкокристаллическим экраном. Такие телевизоры дают изображение весьма высокого качества, потребляя меньшее количество энергии по сравнению с телевизорами на электронно-лучевых трубках. В жидкокристаллических дисплеях используется переход Фредерикса, открытый ещё в 1927 году.
М. Г. Томилин предложил использовать жидкие кристаллы в двухступенчатых фотографических технологиях, для сохранения изображений, регистрация внешних воздействий при этом происходит в мезофазе, а хранение — в твердокристаллическом состоянии[8].
Жидкие кристаллы применяются в производстве «умного стекла», способного изменять коэффициент светопропускания[9].
Производство[править | править код]
Основным производителем жидких кристаллов является немецкая компания Mеrck. Она обеспечивает больше половины мирового спроса на составляющие ЖК-экранов. Она получила золотую медаль ежегодной премии Ассоциации разработчиков и производителей информационных дисплеев SID-2015 (Society for Information Displays) в номинации «Комплектующие для дисплеев» за разработку инновационной технологии производства жидких кристаллов UB-FFS[10].
Ссылки[править | править код]
- [www.xumuk.ru/encyklopedia/1540.html Жидкие кристаллы в химической энциклопедии «XuMuK»]
- Беседа о жидких кристаллах с доктором химических наук Алексеем Юрьевичем Бобровским в программе Наука 2.0
Примечания[править | править код]
- ↑ Шибаев. Необычные кристаллы или загадочные жидкости (неопр.) // Соросовский образовательный журнал. — 1996. — № 11. — С. 41.
- ↑ Reinitzer, Friedrich. Beiträge zur Kenntniss des Cholesterins (неопр.) // Monatshefte für Chemie (Wien). — 1888. — Т. 9, № 1. — С. 421—441. — doi:10.1007/BF01516710.
- ↑ Otto Lehmann. Flüssige Krystalle (Жидкие кристаллы) // Zeitschrift für Physikalische Chemie. — Leipzig, 1904.
- ↑ Репьёва А., Фредерикс В. К теории анизотропных жидкостей и некоторые новые наблюдения над ними // V съезд рус. физиков, Москва, 15—20 дек. 1926 г. — М: ГИЗ, 1926. — С. 16—17.
- ↑ Liquid Crystal Display (LCD) (англ.). History of computer. Дата обращения 25 марта 2019. Архивировано 3 апреля 2019 года.
- ↑ Barnett Levin; Nyman Levin. Патент № GB441274 (A) Заявитель Marconi wireless telegraph co. (англ.). https://www.epo.org/index.html. European patent office (13 January 1934). Дата обращения 12 мая 2019.
- ↑ Цветков В. А., Гребенкин М. Ф. Жидкие кристаллы в оптоэлектронике // Жидкие кристаллы / под ред. С. И. Жданова. — М.: Химия, 1979. — С. 160—215
- ↑ Томилин М. Г.// Фотографические технологии на основе жидких кристаллов. — Статья. — Научно-технический вестник НИУ ИТМО. — УДК 535:771.36.
- ↑ За умным стеклом — будущее, ОКНАМЕДИА (1 сентября 2015). Дата обращения 6 апреля 2019.
- ↑ Инновационная технология производства жидких кристаллов компании «Мерк» удостоена награды, Современная электроника (30 июля 2015). Дата обращения 6 апреля 2019.
Литература[править | править код]
На русском[править | править код]
- Чандрасекар С. Жидкие кристаллы. — М.: Мир, 1980. — 344 с.
- Пикин С. А. Структурные превращения в жидких кристаллах. — М.: Наука, 1981. — 336 с.
- Пикин С. А., Блинов Л. М. Жидкие кристаллы / Под ред. Л. Г. Асламазова. — М.: Наука, 1982. — 208 с. — (Библиотечка «Квант». Вып. 20). — 150 000 экз.
- Сонин А. С. Введение в физику жидких кристаллов. — М.: Наука, 1983. — 320 с.
- Сонин А. С. Дорога длиною в век: Из истории открытия и исследования жидких кристаллов. — М.: Наука, 1988. — 224 с. — ISBN 5-02-000084-1.
- Анисимов М. А. Критические явления в жидкостях и жидких кристаллах. — М.: Наука, 1987. — 272 с.
- Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Механика жидких кристаллов // Теория упругости. — М.: Наука, 2003. — С. 264.
- Клеман М., Лаврентович О. Д. Основы физики частично упорядоченных сред. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. — 680 с.
- Воронов В. К., Подоплелов А. В. Физика на переломе тысячелетий: конденсированное состояние. — М.: ЛКИ, 2012. — С. 336. — ISBN 978-5-382-01365-7.
- Блинов Л. М. Жидкие кристаллы: Структура и свойства. — М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2013. — 480 с.
На английском[править | править код]
- de Gennes P. G., Prost J. The Physics of Liquid Crystals. 2nd Edition — Clarendon Press, Oxford, 1993
- Blinov L. M., Chigrinov V. G. Electrooptic Effects in Liquid Crystal Materials. — Springer, 1994
- Kats E. I., Lebedev V. V. Fluctuational Effects in the Dynamics of Liquid Crystals. — Springer, 1994
Некоторые внешние ссылки в этой статье ведут на сайты, занесённые в спам-лист. Эти сайты могут нарушать авторские права, быть признаны неавторитетными источниками или по другим причинам быть запрещены в Википедии. Редакторам следует заменить такие ссылки ссылками на соответствующие правилам сайты или библиографическими ссылками на печатные источники либо удалить их (возможно, вместе с подтверждаемым ими содержимым). Список проблемных доменов |
В школьном курсе физики и химии обычно рассказывают о трёх агрегатных состояниях вещества — жидком, твёрдом и газообразном. Но для ряда веществ существует четвертое агрегатное состояние — нечто среднее между жидким и твердым, которое называют жидкокристаллическим.
В чем принципиальные отличия между жидкостью и кристаллом?
Жидкости обладают подвижностью, текучестью и изотропией свойств.
Что значит «изотропия свойств«? Рассмотрим на примере явления преломления света. Известно, что скорость распространения света зависит от среды, в которой он распространяется. Самой высокой скорость распространения будет в вакууме. При прохождении света через жидкости скорость снижается. Это снижение скорости зависит от природы вещества и характеризуется коэффициентом преломления. Причем в каком бы направлении относительно жидкости мы ни направляли луч света, коэффициент преломления будет одинаковым. Вещества, у которых измеряемые физические свойства не зависят от направления, называют изотропными.
Кристаллы — твёрдые вещества, обладающие внутренней упорядоченностью и анизотропией свойств.
Внутренняя упорядоченность кристаллов обуславливается наличием кристаллической решетки, которая отражает строгую повторяемость структурных частиц кристалла. Строение кристаллов подчиняется законам симметрии, чего нет в жидкостях и газах. Благодаря наличию кристаллической решетки кристаллы являются анизотропными средами. Если располагать кристалл под разными углами относительно падающего на него луча света и измерять коэффициент преломления, то он будет меняться в зависимости от положения кристалла.
Эксперимент, иллюстрирующий зависимость скорости распространения света в кристалле в зависимости от его ориентации относительно луча.
Известно, что если нагревать твердое вещество, оно начнет плавиться и перейдет в жидкость. Более ста лет назад австрийский ботаник Ф. Рейнитцер заметил интересную вещь. Он нагревал кристаллический эфир холестерилбензоат, который при 145 °С плавился с образованием мутной жидкости, а она при достижении 179 °С превращалась в прозрачную жидкость. Момент перехода мутной жидкости в прозрачную назвали точкой просветления.
Самое удивительное, что в ходе дальнейших исследований было установлено: мутная жидкость является анизотропной! Получается, что эта жидкость обладала свойствами кристаллов. Именно поэтому такое состояние было названо жидкокристаллическим.
Вещества, способные в определенном температурном интервале выше точки плавления сочетать одновременно свойства жидкостей (текучесть, способность к образованию капель) и свойства кристаллических тел (анизотропию, упорядоченность), стали называть жидкими кристаллами или жидкокристаллическими.
Также жидкие кристаллы часто называют мезоморфными веществами, а фазу, которая существует между точкой плавления и точкой просветления, — мезо-фазой.
Если жидкость анизотропна, значит её внутреннее строение каким то образом упорядочено. Но как может совмещаться упорядоченность и текучесть? Ведь для того, чтобы свободно перемещаться молекулы жидкости должны разрывать связи с соседними молекулами, менять свое положение, то есть — нарушать порядок! Необходимо разобраться, как устроены жидкие кристаллы.
Агрегатные состояния вещества.
На самом деле, не все вещества могут образовывать жидкокристаллическую фазу. Эта особенность присуща только веществам, молекулы которых имеют асимметричную форму. Например, молекула того же самого холестерилбензоата имеет вытянутую вдоль одной оси асимметричную форму:
Холестерилбензоат.
В зависимости от формы молекул жидкие кристаллы делят на: каламитики (стержнеобразные молекулы, как холестерилбензоат), дискотики (дискообразные молекулы) и санидики (планкообразные молекулы).
Классификация жидких кристаллов по форме молекул (мезогенов).
В кристаллах присутствует трансляционная симметрия. На рисунке ниже красные вектора a и b как раз и являются трансляциями, которые показывают направление и расстояние, через которое будет периодически встречаться определенным образом ориентированная молекула. То есть в кристалле наряду с трансляционным порядком существует еще и ориентационный порядок.
Взаимное расположение молекул в кристалле и жидком кристалле. а и b — трансляции, d — директор.
При нагревании кристалла происходит его переход в жидкокристаллическую фазу, и сначала теряется ориентационный порядок; молекулы приобретают достаточную энергию, чтобы начать менять свою ориентацию. При этом молекулы самоорганизуются таким образом, что их наклон становится одинаковым — это энергетически выгодно.
Вектор, указывающий выделенное направление, по которому ориентированы молекулы-мезогены, называют директором.
На рисунке он изображен черными стрелками.
Если повышать температуру медленно, то после потери ориентационного порядка центры тяжести молекул сначала будут оставаться неизменными — трансляционная симметрия еще не потерялась. Такую мезо-фазу называют смектической-С фазой. При дальнейшем нагревании теряется и трансляционный порядок — молекулы покидают свои центры тяжести. Такую фазу называют нематической. Однако не смотря на потерю симметрии, во всех жидкокристаллических фазах остается единая ориентация мезогенов. Директор не пропадает.
Жидкие кристаллы, которые получают нагреванием кристаллов или охлаждением жидкостей, называют термотропными (образуются за счет изменения температуры). Остановимся немного на том, какие термотропные мезо-фазы встречаются.
Основные типы расположения стержнеобразных молекул в смектиках, нематиках и холестериках (Шибаев В.П. Необычные кристаллы или загадочные жидкости. Соросовский образовательный журнал, №11, 1996).
Смектики — самые упорядоченные жидкие кристаллы. Молекулы располагаются слоями и имеют подвижность в пределах каждого слоя. В нематических кристаллах центры тяжести молекул расположены хаотично (трансляционная симметрия отсутствует). Третий тип мезо-фаз — холестерический — самый сложно организованный. Он представляет собой нематические слои, закрученные в пространстве. При переходе от одного слоя к другому директор поворачивается на малый угол. Расстояние, между слоями, в которых направление директора совпадает, называют шагом спирали.
Помимо термотропных жидких кристаллов существуют лиотропные ЖК. Их получают растворением бифильных веществ в определенных растворителях. Что за бифильные вещества? Это вещества, молекулы которых которые совмещают в себе гидрофильные (растворимость в воде) и гидрофобные (нерастворимость в воде) свойства. Примером таких веществ являются высшие карбоновые кислоты.
C17H35COOH — стеариновая кислота (Автор: Jynto and Ben Mills — Derived from File:Caproic-acid-3D-balls.png., Общественное достояние, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=11080927)
Карбоксильная группа -COOH является гидрофильной и может образовывать водородные связи с молекулами воды, благодаря наличию электроотрицательных атомов кислорода. Жирный углеводородный радикал -C17H35 является гидрофобной частью молекулы. Благодаря такому строению бифильные молекулы склонны образовывать мицеллы, растворы которых в определенных концентрациях могут проявлять свойства жидких кристаллов.
Жидкие кристаллы обладают рядом интереснейших свойств, о которых будет рассказано в дальнейших статьях. Подписывайся на эту ленту =)