Рідкі кристали

                  

 

 

 

 

 

                       Реферат 

          На тему: «Рідкі кристали»

 

 

 

 

 

   

 

 

 

 

 

 

2012рік

 

                                                       

                                             Рідкі кристали

 

План:

Введення 

• 1 Історія відкриття рідких кристалів
• 2 Групи рідких кристалів
• 3 Застосування рідких кристалів

Введення

Шліри-текстура в нематичних рідких кристалах

Рідкі кристали (скорочено РК) - це фазове стан, у який переходять деякі речовини при певних умовах (температура, тиск, концентрація в розчині). Рідкі кристали володіють одночасно властивостями як рідин (плинність), так і кристалів ( анізотропія). За структурою ЖК являють собою в'язкі рідини, що складаються з молекулвитягнутої або дископодібної форми, певним чином упорядкованих у всьому обсязі цієї рідини. Найбільш характерним властивістю ЖК є їх здатність змінювати орієнтацію молекул під впливом електричних полів, що відкриває широкі можливості для застосування їх у промисловості. За типом РК зазвичай поділяють на дві великі групи: нематики і смектіка. У свою чергу нематики поділяються на власне нематические і холестерические рідкі кристали.

1. Історія відкриття рідких кристалів

Рідкі кристали відкрив у 1888 р. австрійський ботанік Ф. Рейнитцер. Він звернув увагу, що у кристалів холестерилбензоат і холестерілацетата було дві точки плавлення і, відповідно, два різних рідких стану - мутне і прозоре. Проте, вчені не звернули особливої ​​уваги на незвичайні властивості цих рідин. Довгий час фізики та хіміки в принципі не визнавали рідких кристалів, тому що її існування руйнувало теорію про три станах речовини : твердому, рідкому і газоподібному. Вчені відносили рідкі кристали то до колоїдним розчинам, то до емульсія. Науковий доказ було надано професором університету Карлсруе Отто Леманном ( ньому.Otto Lehmann ) Після багаторічних досліджень, але навіть після появи в 1904 написаної ним книги "Рідкі кристали", відкриття не знайшлося застосування.

В 1963 р. американець Дж. Фергюсон ( англ. James Fergason ) Використовував найважливіше властивість рідких кристалів - змінювати колір під впливом температури - для виявлення невидимих ​​простим оком теплових полів. Після того як йому видали патент на винахід ( US Patent 3114836 ), Інтерес до рідких кристалів різко зріс.

В 1965 р. в США зібралася Перша міжнародна конференція, присвячена рідким кристалам. У 1968 р. американські вчені створили принципово нові індикатори для систем відображення інформації. Принцип їх дії заснований на тому, що молекули рідких кристалів, повертаючись в електричному полі, по-різному відображають і пропускають світло. Під впливом напруги, яке подавали на провідники, упаяні в екран, на ньому виникало зображення, що складається з мікроскопічних точок. І все ж тільки після 1973 р., коли група англійських хіміків під керівництвом Джорджа Грея ( англ. George William Gray ) Отримала рідкі кристали з відносно дешевого і доступного сировини, ці речовини отримали широке поширення в різноманітних пристроях.

2. Групи рідких кристалів

За своїм загальним властивостям РК можна розділити на дві великі групи:

1. термотропние ЖК, які утворюються в результаті нагрівання твердого речовини і існуючі в певному інтервалі температур і тисків.
2. ліотропні ЖК, які представляють собою двох або більше компонентні системи, які утворюються в сумішах стержневидний молекул даної речовини і води (або інших полярних розчинників). Ці стержневидний молекули мають на одному кінці полярну групу, а більша частина стрижня являє собою гнучку гідрофобну углеводородную ланцюг. Такі речовини називаються амфіфіламі (амфі - по-грецьки означає з двох кінців, филос - люблячий, прихильність). Прикладом можуть служити амфіфілов фосфоліпіди.

Амфіфільних молекули, як правило, погано розчиняються у воді, схильні утворювати агрегати таким чином, що їх полярні групи на межі розділу фаз спрямовані до рідкої фазі. При низьких температурах змішування рідкого амфіфіла з водою призводить до розшарування системи на дві фази. Одним з варіантів амфіфілов зі складною структурою може служити система мило-вода. Тут є аліфатичний аніон СН 3 - (СН 2) n-2-СО 2 - (де n ~ 12-20) і позитивний іон Nа +, К +, NН4 + і ін Полярна група СО 2 - прагне до тісної контакту з молекулами води, тоді як неполярні група (амфіфільних ланцюг) уникає контакту з водою. Це явище є типовим для амфіфілов.

Термотропние РК поділяються на три великі класи:

Схематичне зображення нематического рідкого кристала.

1. Нематические рідкі кристали. У цих кристалах відсутній дальній порядок у розташуванні центрів тяжіння молекул, у них немає шаруватої структури, їх молекули ковзають безперервно в напрямку своїх довгих осей, обертаючись навколо них, але при цьому зберігають орієнтаційний порядок: довгі осі направлені уздовж одного переважного напрямку. Вони поводяться подібно до звичайних рідин. Нематические фази зустрічаються тільки в таких речовинах, у молекул яких нема різниці між правою і лівою формами, їх молекули тотожні свого дзеркального зображенню (ахіральни). Прикладом речовини, що утворює нематичних РК, може служити N-(пара-метоксібензіліден)-пара-бутіланілін.

Схематичне зображення рідкого кристала в смектичних фазі

2. Смектичних рідкі кристали мають шарувату структуру, шари можуть переміщатися один щодо одного. Товщина шару смектичних визначається довжиною молекул (переважно, довжиною парафінового "хвоста"), проте в'язкість смектіка значно вище ніж у нематиков і щільність по нормалі до поверхні шару може сильно змінюватися. Типовим є терефтал-біс (nара-бутіланілін):
3. Холестерические рідкі кристали - утворюються, в основному, сполуками холестерину та інших стероїдів. Це нематические ЖК, але їх довгі осі повернені один щодо одного так, що вони утворюють спіралі, дуже чутливі до зміни температури внаслідок надзвичайно малої енергії утворення цієї структури (близько 0,01 Дж / моль). Як типовий холестеріка можна назвати аміл-пара-(4-ціанобензіліденаміно) - циннаматів

Холестерікі яскраво забарвлені і найменшу зміну температури (до тисячних часток градуса) призводить до зміни кроку спіралі і, відповідно, зміни забарвлення ЖК.

У всіх наведених типах РК характерним є орієнтація дипольних молекул у визначеному напрямку, який визначається одиничним вектором - званим "директором".

У недавній час відкриті так звані колончатого фази, які утворюються тільки дископодібних молекулами, розташованими шарами один на одного у вигляді багатошарових колон, з паралельними оптичними осями. Часто їх називають "рідкими нитками", уздовж яких молекули володіють трансляційними ступенями свободи. Цей клас сполук був передбачений академіком Л. Д. Ландау, а відкритий лише в 1977 Чандрасекара. Схематично характер впорядкованості рідких кристалів названих типів представлений на малюнку.

У РК незвичайні оптичні властивості. Нематики і смектіка - оптично одноосні кристали. Холестерікі внаслідок періодичного будови сильно відбивають світло у видимій області спектра. Оскільки в нематика і холестеріках носіями властивостей є рідка фаза, то вона легко деформується під впливом зовнішнього впливу, а так як крок спіралі в холестеріках дуже чутливий до температури, то, отже, і відображення світла різко змінюється з температурою, приводячи до зміни кольору речовини.

Ці явища широко використовуються в різних додатках, наприклад, для знаходження гарячих точок у мікроцепях, локалізації переломів і пухлин у людини, візуалізації зображення в інфрачервоних променях і ін

Характеристики багатьох електрооптичних пристроїв, що працюють на ліотропний ЖК, визначаються анізотропією їх електропровідності, яка, в свою чергу, пов'язана з анізотропією електронної поляризуемости. Для деяких речовин внаслідок анізотропії властивостей РК питома електропровідність змінює свій знак. Наприклад, для н-октілоксібензойной кислоти вона проходить через нуль при температурі 146 C, і пов'язують це зі структурними особливостями мезофази і з поляризуемостью молекул. Орієнтація молекул нематической фази, як правило, збігається з напрямком найбільшою провідності.

Всі форми життя так чи інакше пов'язані з діяльністю живої клітини, багато структурні ланки якої схожі на структуру рідких кристалів. Володіючи чудовими діелектричними властивостями, РК утворюють внутрішньоклітинні гетерогенні поверхні, вони регулюють взаємини між кліткою і зовнішнім середовищем, а також між окремими клітинами і тканинами, повідомляють необхідну інертність складовим частинам клітини, захищаючи її від ферментативного впливу. Таким чином, встановлення закономірностей поведінки РК відкриває нові перспективи у розвитку молекулярної біології.

3. Застосування рідких кристалів

Сегментний і точковий РК-дисплей.

Одне з важливих напрямів використання рідких кристалів - термографія. Підбираючи склад рідкокристалічного речовини, створюють індикатори для різних діапазонів температури і для різних конструкцій. Наприклад, рідкі кристали у вигляді плівки наносять на транзистори, інтегральні схеми і друковані платиелектронних схем. Несправні елементи - сильно нагріті або холодні, непрацюючі - відразу помітні по яскравим колірним плям. Нові можливості отримали лікарі: рідкокристалічний індикатор на шкірі хворого швидко діагностує приховане запалення і навіть пухлина.

За допомогою рідких кристалів виявляють пари шкідливих хімічних сполук і небезпечні для здоров'я людини гамма - і ультрафіолетове випромінювання. На основі рідких кристалів створені вимірювачі тиску, детектори ультразвуку. Але найбільш багатообіцяюча область застосування рідкокристалічних речовин - інформаційна техніка. Від перших індикаторів, знайомих всім по електронному годиннику, до кольорових телевізорів з рідкокристалічним екраном розміром з поштову листівку пройшло лише кілька років. Такі телевізори дають зображення дуже високої якості, споживаючи меншу кількість енергії.