Історія відкриття рідких кристалів

Рідкі кристали відкрив в 1888 р. австрійський ботанік Ф. Рейнітцер. Він звернув увагу, що у кристалів холестерілбензоата і холестерілацетата було дві точки плавлення і, відповідно, два різних рідких стану - мутне та 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 їх існування руйнувало теорію про трьох станах речовини: твердому, рідкому і газоподібному паливі. Вчені відносили рідкі кристали то до колоїдних розчинів, то до емульсія. Науковий доказ було надано професором університету Карлсруе Отто Леманном (нім. Otto Lehmann) після багаторічних досліджень, але навіть після появи в 1904 році написаної ним книги «Рідкі кристали», відкриття не знайшлося застосування.

У 1963 р. американець Дж. Фергюсон (англ. James Fergason) використовував найважливіша 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 (англ.)), інтерес до рідких кристалів різко зріс.

У 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, впаяні 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) синтезувала рідкі кристали з відносно дешевого і доступного сировини, ці речовини отримали широке поширення в різноманітних пристроях.

 

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

1. гамма РК, що утворюються в результаті нагрівання твердого речовини та існуючі в певному діапазоні температур та тисків і

2. ліотропних РК, які представляють собою двох або більше компонентні системи, що утворюються в сумішах стержневідних молекул даної речовини й води (або інших полярних розчинників). Ці стержневідние молекули мають на одному кінці полярну групу, а більша частина стрижня являє собою гнучку гідрофобну вуглеводневу ланцюг. Такі речовини називаються амфіфіламі (амфі - по-грецьки означає з двох кінців, філос - 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 направлені до рідкій 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 аліфатичних аніон СН3-(СН2) n-2-СО2-(де n ~ 12-20) і позитивний іон Nа +, К +, NН4 + та ін Полярна група СО2-прагне до тісної контакту з молекулами води, тоді як неполярні група (амфіфільних ланцюг) уникає контакту з водою. Це явище є типовим для амфіфілов.

Термотропные ЖК подразделяются на три больших класса:

1) нематичних рідкі кристали. У цих кристалах відсутній дальній порядок в 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 спрямовані уздовж одного переважного напрямку. Вони ведуть себе подібно звичайним рідин. Нематичних фази зустрічаються тільки в таких речовинах, у молекул яких нема різниці між правою і лівою формами, їх молекули тотожні вашому дзеркальному зображенню (ахіральні). Прикладом речовини, що утворює нематичних РК, може служити N-(пара-метоксібензіліден)-пара-бутіланілін;

2) Смектіческіе рідкі кристали мають шарувату структуру, шари можуть переміщатися відносно один одного. Товщина шару смектіческого визначається довжиною молекул (переважно, довжиною парафінового «хвоста»), проте в'язкість смектіков значно вище ніж у нематико і щільність по нормалі до поверхні шару може сильно змінюватися. Типовим є терефтал-біс (nара-бутіланілін);

3) холестеричних рідкі кристали - утворюються, в основному, сполуками холестерину та інших стероїдів. Це нематичних РК, але їхні довгі осі повернені один щодо одного так, що вони утворюють спіралі, дуже чутливі до зміни температури внаслідок надзвичайно малою енергії утворення цієї структури (близько 0,01 Дж / моль). В якості типового холестеріка можна назвати Амілія-пара-(4-ціанобензіліденаміно) – ціннамату

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

В усіх 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 одному у вигляді багатошарових колон, з паралельними оптичними осями. Часто їх називають «рідкими нитками», уздовж яких молекули володіють трансляційний 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. Нематико і смектікі - оптично одновісні кристали. Холестерікі внаслідок періодичного будови сильно відбивають світло у видимій області спектру. Оскільки в нематико 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 ліотропних РК, визначаються анізотропією їх електропровідності, яка, у свою чергу, пов'язана з анізотропією електронної поляризовності. Для деяких речовин унаслідок анізотропії властивостей РК питома електропровідність змінює свій знак. Наприклад, для н-октілоксібензойной кислоти вона проходить через нуль при температурі 146 ° С, і пов'язують це зі структурними особливостями мезофазо і з поляризації молекул. Орієнтація молекул нематичної фази, як правило, збігається з напрямком найбільшою провідності.

Всі форми життя так чи інакше пов'язані з діяльністю живої клітини, багато структурних ланки якого схожі на структуру рідких кристалів. Володіючи чудовими діелектричними властивостями, РК утворюють внутрішньоклітинні гетерогенні поверхні, вони регулюють взаємовідносини 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 в розвитку молекулярної біології. Застосування рідких кристалів

Сегментний і точковий РК-дисплей.

Один з важливих напрямків 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 та друковані плати електронних схем. Несправні елементи - сильно нагріті або холодні, непрацюючі - відразу помітні за яскравими колірним плям. Нові можливості отримали лікарі: рідкокристалічний індикатор на шкірі хворого швидко діагностує приховане запалення і навіть пухлину.

За допомогою рідких кристалів виявляють пари шкідливих хімічних сполук і небезпечні для здоров'я людини гамма-та ультрафіолетове випромінювання. На основі рідких кристалів створені вимірювачі тиску, детектори ультразвуку. Але сама 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.

ü Задачі.

ü Самостійно розв’язати задачі:

ü Питання самоконтролю:

Література:

Посібник №1. Кучерук І.М., Горбачук І.Т., Луцик П.П. Загальний курс фізики: У 3-х т. / За ред. І.М. Кучерука. - [2-е вид., випр.] - К.: Техніка, 2006. - 532 с. - Т.1: Механіка. Молекулярна фізика і термодинаміка

Посібник №2. Кучерук Ї.М., Горбачук І.Т., Луцик П.П. Загальний курс фізики: У 3-х т. / За пр. І.М. Кучерука. – [2-е вид., ипр..] — К.: Техніка, 2006. – 452 с. – Т.2: Електрика і магнетизм.

Посібник № 3. Кучерук І.М., Горбачук І.Т., Луцик П.П. Загальний курс фізики: У 3-х т. / За ред. І.М. Кучерука. - [2-е вид., зипр.] -К.: Техніка, 2006. - 518 с. - Т.З: Оптика. Квантова фізика.

Посібник №4. П.П. Чолпан Основи фізики: навч. Посібник: - К. Вища шк., 1995.- 488 с.: іл.

Посібник №5. І.П. Гаркуша, І.Т. Горбачук, В.П. Курінний та ін.; за заг. ред. І.П. Гаркуші./Загальний курс фізики: Зб. Задач./ К.Техніка,2003.-560с.

Л1.Том1, розділ19, §19.8,с.481-485

Л5. Розділ 7, §7.1, с. 309

Самостійна робота №27