Жидкие кристаллы. 3
Необычное сочетание слов "жидкие кристаллы", вероятно, многим уже знакомо, хотя далеко не все себе представляют, что же стоит за этим странным и, казалось бы противоречивым понятием. Эти удивительные вещества удачно сочетают в себе анизотропные свойства кристаллов и текучие свойства жидкостей.
В то же время, вероятно, каждый второй (ну, может быть третий!) человек носит при себе жидкокристаллические(ЖК) индикаторы и по несколько десятков раз в день посматривает на свои электронные часы. ЖК-циферблат которых аккуратно отсчитывает часы, минуты, секунды, а иногда и доли секунд. Именно ЖК-индикаторы являются основой современных калькуляторов, портативных компьютеров "Notebooks", миниатюрных плоских экранов телевизоров, словарей-переводчиков, пейджеров и многих других современных электронных технических и бытовых приборов и устройств.
Мировое производство ЖК-индикаторов и дисплеев исчисляется миллиардами и, по прогнозам будет увеличиваться и дальше. Уже сейчас без преувеличения можно сказать, что прогресс и развитие ряда отраслей науки и техники немыслимы без развития исследований в области жидких кристаллов. Не меньший интерес представляют собой жидкие кристаллы с точки зрения биологии и процессов жизнедеятельности. Функционирование клеточных мембран и ДНК, передача нервных импульсов, работа мышц, формирование аттеросклеротических бляшек — вот далеко неполный перечень процессов, протекающих в ЖК-фазе, с присущими этой фазе особенностями — склонностью к самоорганизации и сохранении высокой молекулярной подвижности.
1. История открытия жидких кристаллов
Со времени открытия жидких кристаллов прошло более 100 лет. Впервые их обнаружил австрийский ботаник Фридрих Рейнитцер, наблюдая две точки плавления сложного эфира холестерина — холестерилбензоата (рис.1).
При температуре плавления (Tпл), 1450C, кристаллическое вещество превращалось в мутную, сильно рассеивающую свет жидкость, которая при 1790C становилась прозрачной. В отличии от точки плавления температуру, при которой происходило просветление образца, Рейнитцер назвал точкой просветления (Tпр). Пораженный этим необычайным явление, свидетельствующим как будто о двойном плавлении, Рейнитцер отправил свои препараты немецкому кристаллографу Отто Леману с просьбой помочь разобраться в странном поведении холестерилбенозоата. Исследуя их при помощи поляризационного микроскопа, Леман установил, что мутная фаза, наблюдаемая Рейнитцером, является анизатропной. Поскольку свойства анизотропии присуще твердому кристаллу, а вещество в мутной фазе было жидким, Леман назвал его жидким кристаллом.
С тех пор вещества, способные в определенном температурном интервале выше точки плавления сочетать одновременно свойства жидкостей (текучесть, способность к образованию капель) и свойства кристаллических тел (анизотропии), стали называться жидкими кристаллами или жидкокристаллическими. ЖК-вещества часто называют мезоморфными, а образуемую ими ЖК-фазу — мезофазой (от греч. "мезос" — промежуточный). Такое состояние является термодинамически стабильным фазовым состоянием и по праву на ряду с твердым, жидким и газообразным может рассматриваться как четвертое состояние вещества.
Однако понимание природы ЖК-состояния веществ установление и исследование их структурной организации приходит значительно позднее. Серьезное недоверие к самому факту существования таких необычных соединений в 20 — 30-х годах сменилось их активным исследованием. Работы Д. Форлендера в Германии во многом способствовали синтезу новых ЖК-соединений. Достаточно сказать, что под его руководством было выполнено 85 диссертаций по жидким кристаллам. Французский ученый Ж. Фридель предложил первую классификацию жидких кристаллов, голландец С. Озеен и чех Х. Цохер создали теорию упругости, русские ученые В.К. Фредерикс и В.Н. Цветков в СССР в 30-х годах впервые исследовали поведение жидких кристаллов в электрических и магнитных полях. Однако то 60-х годов изучение жидких кристаллов не представляло существенного практического интереса, и все научные исследования имели достаточно ограниченный, чисто академический интерес.
Ситуация резко изменилась
в середине 60-х годов, когда в
связи с бурным развитием микроэлектроники
и микроминиатюризации приборов
потребовались вещества, способные
отражать и передавать информацию,
потребляя при этом минимум энергии.
И вот здесь на помощь пришли жидкие
кристаллы, двойственный характер которых
(анизотропия свойств и
Жидкокристллический бум, в свою очередь, стимулировал активную научную деятельность, созывались международные симпозиумы и конференции по жидким кристаллам, организовывались школы для молодых ученых, выпускались сборники и монографии.
Что же представляют собой эти необычные кристаллы и каковы особые свойства, сделавшие их сегодня практически незаменимыми?
2. Молекулярное строение и структура жидких кристаллов
Сейчас известно уже около сотни тысяч органических веществ, которые могут находиться в ЖК-состоянии, и число таких соединений непрерывно растет. Если первые десятилетия после открытия жидких кристаллов основными представителями этих соединений являлись только вещества, состоящие из асимметрических молекул стержнеобразной формы, — так называемые каламитики (от греч. "каламис" — тростник), то в последствии было обнаружено, что в ЖК-состояние могут переходить самые разнообразные вещества, имеющие молекулы более сложной формы (диски, пластины и др.). Молекулы ЖК-соединений очень часто называют мезогенами, а группировки или фрагменты малеку, способствующие формированию ЖК-фазы, — мезогенными группами. В таблице 1 приведены примеры стержнеобразных мезогенов — каломитиков, а также химические формулы дискообразных (дискотики) и планкообразных мезогенов (санидики) (от греч. "санидис" — планка).
Как видно из таблицы 1, среди мезогенных групп чаще всего встречаются бензольные кольца, связанные непосредственно друг с другом с помощью различных химических группировок( –CH=CH–, –CH=N–, –NH–CO и др.). Характерной особенностью всех ЖК-соединений является асимметричная форма малеку, обеспечивающая анизотропию поляризуемости и тенденцию к расположению молекул преимущественно параллельно друг другу вдоль их длинных (каламитики и санидики) и коротких (дискотики) осей.
2.1.Термотропные жидкие криста
В зависимости от характера
расположения молекул согласно классификации,
предложенной еще Фриделем, различают
три основных типа структур ЖК-соединений:смектич
Смектический тип жидких кристаллов (смектики – от греч. слова "смегма" – мыло) ближе всего к истинно кристаллическим телам. Молекулы располагаются в слоях, и их центры тяжести подвижны в двух измерениях (на смектической плоскости). При этом длинные оси молекул в каждом слое могут располагаться как перпендикулярно плоскости слоя (ортогональные смектики), так и под некоторым углом (наклонные смектики). Направление преимущественной ориентации осей молекул принято называть директором, который обычно обозначается вектором n (рис. 2, а).
Нематический тип жидких
кристаллов (нематики от греч.
"нема" — нить) характеризуется наличием
только одномерного ориентационного
Наиболее сложный тип
упорядочения молекул жидких кристаллов холестерический (
Периодическая спиральная структура холестериков
P = lmax / n,
где n — показатель преломления холестерика. Этот эффект избирательного отражения пленкой холестерика света с определенной длиной волны получил название селективного отражения. В зависимости от величины шага спирали, который определяется химической природой холестерика, максимум длины волны отраженного света может располагаться в видимой, а также в ИК- и УФ-областях спектра, определяя широкие области использования оптических свойств холестериков.
Любой из трех типов мезофаз рассматривается обычно как непрерывная анизотропная среда, где в небольших по размерам микрообьемах (их часто называют роями или доменами), состоящих, как правило, из 104-105 молекул, молекулы ориентированы параллельно друг другу.
Теперь рассмотрим макроскопическую структуру жидких кристаллов, которую чаще всего называют текстурой, понимая под этим совокупность структурных деталей образца жидкого кристалла, помешенного между двумя стеклами и исследуемого с помощью оптического поляризационного микроскопа. Каждый тип жидкого кристалла самопроизвольно образует свои характерные текстуры, по которым их часто удается идентифицировать. Как правило, текстуры жидких кристаллов настолько "фотогеничны", что их красивые микрофотографии часто помешают на обложках научных журналов и научно-популярных изданий.
Нематические жидкие кристаллы
характеризуются так называемой шлирен-текстурой (
Важно отметить, что все рассмотренные текстуры чрезвычайно лабильны и легко подвергаются структурным перестройкам под действием небольших внешних воздействий (механические напряжения, электрические поля, температура и др.).
2.2. Лиотропные жидкие кристаллы
В отличие от термотропных жидких
кристаллов лиотропные жидкие кристаллы
образуются при растворении ряда амфифильных соединений
в определенных растворителях и имеют,
как правило, более сложную структуру,
чем термотропные жидкие кристаллы. Амфифильные
В отличие от термотропных жидких
кристаллов, где формирование определенного
типа мезофазы определяется лишь
температурой, в лиотропных системах
тип структурнойорганизации
определяется же двумя параметрами: концентрацией
вещества и температурой. Лиотропные
жидкие кристаллы наиболее часто
образуются биологическими системами,
функционирующими в водных средах. Именно
в этих системах в наиболее яркой
форме проявляются уникальные особенности
жидких кристаллов, сочетающих лабильность
с высокой склонностью к самоорганизации.
Ограничимся лишь одним примером, относящимся
к клеткам и внутриклеточным органеллам,
3. Анизотропия физических
свойств — основная
Поскольку основным структурным
признаком жидких кристаллов является
наличие ориентационного
S = 0,5 á( 3cos2q – 1)ñ
где q - угол между осью индивидуальной
молекулы жидкого кристалла и преимущественным
направлением всего ансамбля, определяемым
директором n (рис. 2) (угловые скобки
означают усреднение по всем ориентациям
молекул). Легко понять, что в полностью разупорядоченной
Dn|| = n|| – n^ и De|| = e|| – e^
где n||, n^ и e||, e^ — показатели преломления и
диэлектрические постоянные соответственно,
измеренные при параллельной и перпендикулярной
ориентации длинных осей молекул относительно
директора. Значения Dn для ЖК-соединений обычно
весьма велики и меняются в широких
пределах в зависимости от их химического
строения, достигая иногда величины порядка
0,3-0,4. Величина и знак De зависят от соотношения между
анизотропией поляризуемости молекулы,
величиной постоянного дипольного
Нагревание жидкого кристалла,
понижая его ориентационный
В то же время именно анизотропия
всех физических характеристик жидкого
кристалла в сочетании с низкой
вязкостью этих соединений и позволяет
с высокой легкостью и эффектив
4. Как управлять жидкими кристаллами
Основой любого ЖК-индикатора
является так называемая электрооптическая
ячейка, устройство которой изображено
на рис. 5. Две плоские стеклянные пластинки
с нанесенным на них прозрачным проводящим
слоем из окиси олова или окиси индия,
выполняющие роль электродов,
разделяются тонкими прокладками из непроводяшего материала
(полиэтилен, тефлон).
Впервые воздействие электрических
и магнитных полей на жидкие кристаллы
было исследовано русским физиком В.
Гомеотропная ориентация реализуется
для жидких кристаллов с положительной
диэлектрической анизотропией (De > 0) (рис. 5, б). В этом случае
длинные оси молекул с продольным дипольным моментом
располагаются вдоль направления поля
перпендикулярно поверхности ячейки.
И наконец, возможна твист- или
закрученная ориентация молекул (рис.
5, в). Такая ориентация достигается специальной
обработкой стеклянных пластинок, при
которой длинные оси молекул поворачиваются
в направлении от нижнего к верхнему
стеклу электрооптической ячейки. Обычно
это достигается натиранием стекол в разных
направлениях или использованием специальных веществ-
В основе действия любого ЖК-индикатора лежат
структурные перестройки между
указанными типами ориентации молекул,
которые индуцируются при приложении
слабого электрического поля. Рассмотрим,
например, как работает ЖК-циферблат
При отсутствии электрического поля (то есть в выключенном состоянии) свет, "следуя" твист-ориентации нематика, меняет свое направление в соответствии с оптической осью нематика и на выходе будет иметь то же направление поляризации, что и нижний поляризатор (см. рис. 6, а). Другими словами, свет отразится от зеркала, и мы увидим светлый фон. При включении электрического поля для нематического жидкого кристалла с положительной диэлектрической анизотропией (De > 0) произойдет переход от закрученной твист-ориентации к гомеотропной ориентации молекул, то есть длинные оси молекул повернутся в направлении, перпендикулярном к электродам, и спиральная структура разрушится (рис. 6, б). Теперь свет, не изменив направления исходной поляризации, совпадающей с поляризацией верхнего поляризатора, будет иметь направление поляризации, противоположное нижнему поляроиду, а они, как видно на рис. 6, б, находятся в скрещенном положении. В этом случае свет не дойдет до зеркала, и мы увидим темный фон. Другими словами, включая поле, можно рисовать любые темные символы (буквы, цифры) на светлом фоне, используя, например, простую семисегментную систему электродов (рис. 6, в).
Таков принцип действия любого ЖК-индикатора. Основными преимуществами этих индикаторов являются низкие управляющие напряжения (1,5-5 В), малые потребляемые мощности (1—10 мкВт), высокая контрастность изображения, легкость встраивания в любые электронные схемы, надежность в работе и относительная дешевизна.
5. Как управлять холестерической спиралью
Среди рассмотренных типов
жидких кристаллов, пожалуй, наиболее
экзотическими оптическими
У большинства холестериков с
ростом температуры шаг спирали уменьшается,
а следовательно, уменьшается
и длина волны селективно отраженного
света lmax (рис. 7). Иными словами,
каждой из указанных на рис. 7 температур
— Т0, Т1, Т2 и Т3 — соответствует
свой цвет. Таким образом, нанося холестерические жидкие
кристаллы на поверхности различных
объектов, можно получать топографию распределения
температуры, что делает их незаменимыми
термоиндикаторами и визуализаторами для
различного рода применений в технике
и медицине. Вводя холестерики в полимерные
пленки, то есть получая так называемые капсулирован-ные
|
Рис. 7 Температурная зависимость длины волны селективного отражения света lmax слоя холестерического жидкого кристалла — холестерилпеларгоната. |
В последние годы разрабатываются смеси холестерических жидких кристаллов, резко изменяющие цвет (а следовательно, и шаг спирали) под действием малых, но опасных концентраций вредных паров различных химических соединений. Такие ЖК-индикаторы могут за очень короткое время (1-2 мин) менять цветовую окраску при превышении допустимой концентрации вредных паров, выполняя таким образом роль своеобразных химических датчиков.
Одним из внешних факторов, с помощью которого можно управлять шагом холестерической спирали, может служить электрическое или магнитное поле. При приложении поляхолестерическая спираль начинает постепенно раскручиваться, при этом шаг спирали увеличивается, четко "отслеживая" величину поданного напряжения. А это означает, что можно непрерывно управлять и цветом холестерического слоя жидкого кристалла. При некотором так называемом критическом напряжении поля спираль можно полностью раскрутить, превратив таким образом холестерический жидкий кристалл а нематический (один из видов эффекта Фредерикса). Процесс раскрутки спирали в настоящее время активно исследуется с целью использования в цветных плоских экранах с электронной системой управления.
Заключение
Итак, жидкие кристаллы обладают двойственными свойствами, сочетая в себе свойство жидкостей(текучесть) и свойство кристаллических тел (анизотропию). Их поведение не всегда удается описать с помощью привычных методов и понятий. Но именно в этом и заключена их привлекательность для исследователей, стремящихся познать еще неизведанное.
Недавно открыты и интенсивно
исследуются жидкокристаллическ
Любименко Н.А.
Список литературы:
1. Шибаев В.П. Необычные
кристаллы или загадочные
2. Чандрасекар С. Жидкие кристаллы - М.:Мир, 1980 с.344
3. Титов В.В., Севостьянов В.П., Кузьмин Н.Г., Семенов А.М. Жидкокристаллические дисплеи: строение, синтез, свойства жидких кристаллов. - Минск:Изд-во НПООО "Микровидеосистемы", 1998 с.238

- Жидкие кристаллы
- Жидкие кристаллы
- Жидкие кристаллы
- Жидкие кристаллы
- Жидкие кристаллы
- Жидкие кристаллы и их применение
- Жидкие кристаллы и их применение
- Живые организмы как среда обитания
- Живые организмы мирового океана: детритофаги и редуценты
- Жигулёвский заповедник
- Жидкие гвозди
- Жидкие диэлектрики
- Жидкие дрожжи
- Жидкие кристаллы