Способи одержання рідких кристалів

Необхідною умовою прояву мезоморфізму є існування геометричної анізотропії молекул. Які повинні бути довгими і порівняно вузькими. Залежно від геометрії молекул система може проходити через одну або кілька мезофаз до переходу в ізотропну рідину. Переходи в ці проміжні стани можуть спричинятися суто термічними процесами (термотропний мезоформізм) або впливом розчинника (ліотропний мезоформізм).

У рідких кристалів після досягнення певної температури руйнується тривимірна гратка, але вони після цього не переходять у рідкий ізотропний стан, а зберігають дво- або одновимірну впорядкованість внаслідок анізотропії молекул. Відкриття рідких кристалів було пов’язано з тим, що при плавленні деяких речовин замість прозорого розплаву утворюється мутний. Мутність його зумовлена невпорядкованим подвійним променезаломленням подібно до кристалів кварцу та ісландського шпату. З підвищенням температури у таких речовин спостерігається перехід до звичайного ізотропного прозорого розплаву.

Як уже зазначалося, за способом одержання рідкі кристали поділяють на термотропні і ліотропні. Термотропні рідкі кристали утворюються при нагріванні твердих кристалів або охолодженні ізотропної рідини і існують у певному інтервалі температур. Ліотропні рідкі кристали утворюються при розчиненні твердих органічних речовин у різних розчинниках, наприклад у воді. Термотропні і ліотропні рідкі кристали мають кілька модифікацій рідкокристалічних фаз, кожній з яких на фазовій діаграмі відповідає певна область. Температурний інтервал існування рідкокристалічних фаз залежить від речовини і може знаходитись як при низьких (до -60°С), так і при високих температурах (до 400°С).

Рис. 4

На рис. 4 зображено молекулу типового термотропного рідкого кристала, що подібна до стержня. Характерним для таких кристалів є наявність двох або трьох бензольних кілець. До ліотропних рідких кристалів належать системи мило–вода; це розчин так званих амфифільних сполук. Кожна молекула таких речовин має полярну „голову”, яка розчинна у воді і нерозчинна у вуглеводах. Друга частина молекули – це вуглеводневий ланцюжок, який не розчиняється у воді. Це призводить до виникнення ламелярних (шаруватих) фаз у водних розчинах. В яких полярні „голови” повернуті до прошарків води, а вуглеводневі ланцюжки повернуті один до одного, утворюючи бішар (рис. 5).

Рис.5

 

Властивості рідких кристалів

Загальні властивості

Загальна для всіх типів рідких кристалів властивість – подвійне заломлення світла, характерне для більшості твердих кристалів, за допомогою якої можна ідентифікувати мезоморфний стан.

Другою властивістю, характерною для холестеричних рідких кристалів, є обертання плоскості поляризації. Якщо пропускати лінійно-поляризоване світло через шар холестеричної мезофази перпендикулярно молекулярним шарам, то напрямок коливань електричного вектора світової хвилі буде повернуто вліво або вправо. Площина коливань світла також повертається вліво або вправо. Кут обертання пропорційний товщині шару речовини. Кут обертання плоскості поляризації для цих речовин порядку кількох десятків градусів на 1мм шляху світлового сигналу, в той час як холестерині рідкі кристали, які мають сильну оптичну активність, обертають плоскість поляризації світла навіть до 180000 на 1мм шляху.

Освітленні пучком поляризованого білого світла, холестеричні рідкі кристали мають райдужне забарвлення, яке залежить від природи речовини, температури та кута падіння світла. Досягнувши поверхні рідкого кристала, світ диспергує на дві складові з круговою поляризацією в напрямках, зворотних повороту електричних векторів. Одна з складових проникає в глибину кристала, в той час як інша відображається від його поверхні, що викликає появлення характерного офарблення рідкокристалічного зразка.

Наявність в рідких кристалах дальнього порядку в орієнтації молекул викликає анізотропію електричних і магнітних властивостей, притаманну твердим кристалам. Однак, у відмінності від твердих тіл, сили міжмолекулярної взаємодії тут значно слабкіші. Енергія деформації рідких кристалів мала, тому їх молекулярну структуру легко змінити під дією електричного та магнітного полів невеликої потужності. Для зміни структури достатні також незначні температурні колихання або механічний вплив на рідкі кристали. Структурним змінам рідких кристалів супроводжує зміна їх оптичних властивостей, так як вторинними ефектами зміни орієнтації молекул є зміни ступеня пропускання та відображення світла, кругового дихроїзму, оптичної активності та офарблення. Звідси випливає, що ці властивості легко управляються, особливо в випадку холестеричних рідких кристалів. Зміна офарблення холестеричних рідких кристалів проходить під дією мінімальних температурних колихань.

 

Термічні властивості

Рідкокристалічну фазу можна отримати двома шляхами: плавленням відповідної кристалічної речовини – тоді річ іде про термотропні рідкі кристали, або розчиненням речовини, здатної давати ліотропні рідкі кристали.

Нагрівання речовини, що знаходиться при нормальних умовах в кристалічному стані, до мезоморфного приводять до ряду фазових переходів при температурах Т0, Т1, Т2,..., Тпр, де Т0 – температура плавлення кристалів з утворенням мезоморфної фази, а Тпр – температура просвітління або зникнення рідкокристалічної фази та переходу її в ізотропну рідину. Температури Т1, Т2... – точки можливих полімезоморфних перетворень всередині рідкокристалічної фази.

Температури фазових переходів для однієї й тої ж речовини розрізняються в залежності від напрямку температурних змін, тобто для нагрівання та охолодження. В зв’язку з легкістю переохолодження мезоморфної фази особливо помітна різниця в температурі Т0 при нагріванні та охолодженні. Послідовність перетворень, яку перетерплює речовина при нагріванні та охолодженні, також не завжди збігається. Фазові перетворення в речовинах, що утворюють мезоморфний стан тільки при охолодженні, називаються монотропними, в відмінності від енантіотропних перетворень, що спостерігаються як при нагріванні, так і при охолодженні речовини.

Дуже часто на практиці необхідно розширити температурний діапазон мезофази або збільшити різницю Тпр – Т0 між температурою просвітління або плавлення рідкого кристала. З цією ціллю різні рідкі кристали перемішують в таких пропорціях, щоб утворилась евтектична суміш. Температура плавлення Т0 такої суміші має різко виражений мінімум, який нижче температури плавлення кожного з компонентів. Величина температури просвітління буде проміжною між температурами просвітління кожного з компонентів суміші.