Реферат: Жидкие кристаллы

Жидкие кристаллы

Введение

Жидкие кристаллы (сокращённо ЖК) — вещества, обладающиеодновременно свойствами как жидкостей (текучесть), так и кристаллов(анизотропия). По структуре ЖК представляют собой жидкости, похожие на желе,состоящие из молекул вытянутой формы, определённым образом упорядоченных вовсем объёме этой жидкости. Наиболее характерным свойством ЖК является ихспособность изменять ориентацию молекул под воздействием электрических полей,что открывает широкие возможности для применения их в промышленности. По типуЖК обычно разделяют на две большие группы: нематики и смектики. В свою очередьнематики подразделяются на собственно нематические и холестерические жидкиекристаллы.

История открытия жидких кристаллов

Жидкие кристаллы открыл в 1888 г. австрийский ботаник Ф.Рейнитцер. Он обратил внимание, что у кристаллов холестерилбензоата ихолестерилацетата было две точки плавления и, соответственно, два разных жидкихсостояния — мутное и прозрачное. Однако, учёные не обратили особого внимания нанеобычные свойства этих жидкостей. Долгое время физики и химики в принципе непризнавали жидких кристаллов, потому что их существование разрушало теорию отрёх состояниях вещества: твёрдом, жидком и газообразном. Учёные относилижидкие кристаллы то к коллоидным растворам, то к эмульсиям. Научноедоказательство было предоставлено профессором университета Карлсруэ ОттоЛеманном (нем. Otto Lehmann) после многолетних исследований, но даже послепоявления в 1904 году написанной им книги «Жидкие кристаллы», открытию ненашлось применения.

В 1963 г. американец Дж. Фергюсон (англ. James Fergason)использовал важнейшее свойство жидких кристаллов — изменять цвет подвоздействием температуры — для обнаружения невидимых простым глазом тепловыхполей. После того как ему выдали патент на изобретение (U.S. Patent 3114836(англ.)), интерес к жидким кристаллам резко возрос.

В 1965 г. в США собралась Первая международнаяконференция, посвящённая жидким кристаллам. В 1968 г. американские учёныесоздали 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. Подвоздействием напряжения, которое подавали на проводники, впаянные в экран, нанём возникало изображение, состоящее из микроскопических точек. И всё же толькопосле 1973 г., когда группа английских химиков под руководством Джорджа Грея(англ. George William Gray) синтезировала жидкие кристаллы из относительнодешёвого и доступного сырья, эти вещества получили широкое распространение вразнообразных устройствах.

Группы жидких кристаллов

По своим общим свойствам ЖК можно разделить на двебольшие группы:

термотропные ЖК, образующиеся в результате нагреваниятвердого вещества и существующие в определенном интервале температур и давленийи лиотропные ЖК, которые представляют собой двух или более компонентные системы,образующиеся в смесях стержневидных молекул данного вещества и воды (или другихполярных растворителей). Эти стержневидные молекулы имеют на одном концеполярную группу, а большая часть стержня представляет собой гибкую гидрофобнуюуглеводородную цепь. Такие вещества называются амфифилами (амфи — по-греческиозначает с двух концов, филос — любящий, благорасположенный). Примеромамфифилов могут служить фосфолипиды.

Амфифильные молекулы, как правило, плохо растворяются вводе, склонны образовывать агрегаты таким образом, что их полярные группы награнице раздела фаз направлены к жидкой фазе. При низких температурахсмешивание жидкого амфифила с водой приводит к расслоению системы на две фазы.Одним из вариантов амфифилов со сложной структурой может служить системамыло-вода. Здесь имеется алифатический анион СН3-(СН2)n-2-СО2- (где n ~ 12-20)и положительный ион Nа+, К+, NН4+ и др. Полярная группа СО2- стремится ктесному контакту с молекулами воды, тогда как неполярная группа (амфифильнаяцепь) избегает контакта с водой. Это явление типично для амфифилов.

Термотропные ЖК подразделяются на три больших класса:

Нематические жидкие кристаллы. В этих кристаллахотсутствует дальний порядок в расположении центров тяжести молекул, у них нетслоистой структуры, их молекулы скользят непрерывно в направлении своих длинныхосей, вращаясь вокруг них, но при этом сохраняют ориентационный порядок:длинные оси направлены вдоль одного преимущественного направления. Они ведутсебя подобно обычным жидкостям. Нематические фазы встречаются только в такихвеществах, у молекул которых нет различия между правой и левой формами, ихмолекулы тождественны своему зеркальному изображению (ахиральны). Примеромвещества, образующего нематический ЖК, может

Смектические жидкие кристаллы имеют слоистую структуру,слои могут перемещаться друг относительно друга. Толщина смектического слояопределяется длиной молекул (преимущественно, длиной парафинового «хвоста»),однако вязкость смектиков значительно выше чем у нематиков и плотность по нормалик поверхности слоя может сильно меняться. Типичным являетсятерефтал-бис(nара-бутиланилин):

Холестерические жидкие кристаллы — образуются, восновном, соединениями холестерина и других стероидов. Это нематические ЖК, ноих длинные оси повернуты друг относительно друга так, что они образуют спирали,очень чувствительные к изменению температуры вследствие чрезвычайно малойэнергии образования этой структуры (порядка 0,01 Дж/моль). В качестве типичногохолестерика можно назвать амил-пара-(4-цианобензилиденамино)- циннамат

Холестерики ярко окрашены и малейшее изменениетемпературы (до тысячных долей градуса) приводит к изменению шага спирали и,соответственно, изменению окраски ЖК.

Во всех приведенных типах ЖК характерным являетсяориентация дипольных молекул в определенном направлении, которое определяетсяединичным вектором — называемым «директором».

В недавнее время открыты так называемые колончатые фазы,которые образуются только дискообразными молекулами, расположенными слоями другна друге в виде многослойных колонн, с параллельными оптическими осями. Частоих называют «жидкими нитями», вдоль которых молекулы обладают трансляционнымистепенями свободы. Этот класс соединений был предсказан академиком Л. Д.Ландау, а открыт лишь в 1977 Чандрасекаром. Схематично характер упорядоченностижидких кристаллов названных типов представлен на рисунке.

У ЖК необычные оптические свойства. Нематики и смектики —оптически одноосные кристаллы. Холестерики вследствие периодического строениясильно отражают свет в видимой области спектра. Поскольку в нематиках ихолестериках носителями свойств является жидкая фаза, то она легкодеформируется под влиянием внешнего воздействия, а так как шаг спирали вхолестериках очень чувствителен к температуре, то, следовательно, и отражениесвета 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 иопухолей у человека, визуализации изображения в инфракрасных лучах и др.

Характеристики многих электрооптических устройств,работающих на лиотропных ЖК, определяются анизотропией их электропроводности,которая, в свою очередь, связана с анизотропией электронной поляризуемости. Длянекоторых веществ вследствие анизотропии свойств ЖК удельная электропроводностьизменяет свой знак. Например, для н-октилоксибензойной кислоты она проходитчерез нуль при температуре 146° С, и связывают это со структурнымиособенностями мезофазы и с поляризуемостью молекул. Ориентация молекулнематической фазы, как правило, совпадает с направлением наибольшейпроводимости.

Все формы жизни так или иначе связаны с деятельностьюживой клетки, многие структурные звенья которой похожи на структуру жидкихкристаллов. Обладая замечательными диэлектрическими свойствами, ЖК образуютвнутриклеточные гетерогенные поверхности, они регулируют взаимоотношения междуклеткой и внешней средой, а также между отдельными клетками и тканями, сообщаютнеобходимую инертность составным частям клетки, защищая ее от ферментативноговлияния. Таким образом, установление закономерностей поведения ЖК открываетновые перспективы в развитии молекулярной биологии.

Применение жидких кристаллов

Одно из важных направлений использования жидкихкристаллов — термография. Подбирая состав жидкокристаллического вещества,создают индикаторы для разных диапазонов температуры и для различныхконструкций. 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 цветовымпятнам. Новые возможности получили врачи: жидкокристаллический индикатор накоже больного быстро диагностирует скрытое воспаление и даже опухоль.

С помощью жидких кристаллов обнаруживают пары́вредных химических соединений и опасные для здоровья человека гамма- иультрафиолетовое излучения. На основе жидких кристаллов созданы измерителидавления, детекторы ультразвука. Но самая многообещающая область примененияжидкокристаллических веществ — информационная техника. От первых индикаторов,знакомых всем по электронным часам, до цветных телевизоров сжидкокристаллическим экраном размером с почтовую открытку прошло лишь нескольколет. Такие телевизоры дают изображение весьма высокого качества, потребляяменьшее количество энергии.