Реферат: Жидкие кристаллы, история открытия жидких кристаллов, структура, типы и их применение

Содержание

Введение.……………………………………………………..1

1.

Истори<st1:PersonName w:st=«on»>я</st1:PersonName>открыти<st1:PersonName w:st=«on»>я</st1:PersonName> жидких кристаллов.………………...2

2.

Жидкий кристалл………………………………………..…4

3.

Структура жидкихкристаллов………………………..….6

4.

Типы жидкихкристаллов…………………………….…...7

Термотропные жидкие кристаллы…….…………………9

Лиотропные жидкие кристаллы…………………………12

Нематические жидкие кристаллы.…..…………………..14

5.

Анизотропи<st1:PersonName w:st=«on»>я</st1:PersonName> физических свойств..………………………18

6.

Применение...………………………………………………..20

Список литературы..……………………………………….21

Введение

Необычное сочетание слов «жидкиекристаллы», вероятно, многим уже знакомо, хотя далеко не все себепредставляют, что же стоит за этим странным и, казалось бы противоречивымпонятием. Жидкие кристаллы обладают двойственными свойствами, сочетая в себесвойство жидкостей (текучесть) и свойство кристаллических тел (анизотропию). Ихповедение не всегда удается описать с помощью привычных методов и понятий. Ноименно в этом и заключена их привлекательность дляисследователей, стремящихся познать еще неизведанное. В то же время, вероятно,каждый второй (ну, может быть третий!) человек носит при себежидкокристаллические (ЖК) индикаторы и по несколько десятков раз в деньпосматривает на свои электронные часы. ЖК-циферблат которых аккуратноотсчитывает часы, минуты, секунды, а иногда и доли секунд. Именно ЖК-индикаторыявляются 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 идисплеев исчисляется миллиардами, и по прогнозам будет увеличиваться и дальше.Уже сейчас без преувеличения можно сказать, что прогресс и развитие рядаотраслей науки и техники немыслимы без развития исследований в области жидкихкристаллов. Не меньший интерес представляют собой жидкие кристаллы с точкизрения биологии и процессовжизнедеятельности. Функционирование клеточных мембран и ДНК, передача нервныхимпульсов, работа мышц, формирование атеросклеротических бляшек — вот далеконеполный перечень процессов, протекающих в ЖК-фазе, с присущими этой фазеособенностями — склонностью к самоорганизации и сохранении высокой молекулярнойподвижности. Мир жидких кристаллов бесконечно велики охватывает широчайший круг природных исинтетических объектов, привлекая внимание не только ученых — физиков, химиков и биологов, но иисследователей-практиков, работающих в самых разнообразных отраслях современной техники.

1. История открытия жидких кристаллов

Со времени открытия жидких кристалловпрошло более 100 лет. Впервые их обнаружил австрийский ботаник ФридрихРейнитцер, наблюдая две точки плавления сложного эфира холестерина —холестерилбензоата (рис.1).

Рис.1

Первое ЖК-соединение —холестерилбензоат и диаграмма, иллюстрирующая температурную областьсуществования ЖК-фазы.

При температуре плавления (Tпл), <st1:metricconverter ProductID=«1450C» w:st=«on»>1450C</st1:metricconverter>, кристаллическоевещество превращалось в мутную, сильно рассеивающую свет жидкость, которая при <st1:metricconverter ProductID=«1790C» w:st=«on»>1790C</st1:metricconverter> становилась прозрачной.В отличии от точки плавления температуру, при которой происходило просветлениеобразца, Рейнитцер назвал точкой просветления (Tпр). Пораженный этимнеобычайным явление, свидетельствующим как будто о двойном плавлении, Рейнитцеротправил свои препараты немецкому кристаллографу Отто Леману с просьбой помочьразобраться в странном поведении холестерилбенозоата. Исследуя их при помощиполяризационного микроскопа, Леман установил, что мутная фаза, наблюдаемаяРейнитцером, является анизотропной. Поскольку свойства анизотропии присущетвердому кристаллу, а вещество в мутной фазе было жидким, Леман назвал егожидким кристаллом.

С тех пор вещества, способные вопределенном температурном интервале выше точки плавления сочетать одновременносвойства жидкостей (текучесть, способность к образованию капель) и свойствакристаллических тел (анизотропии), стали называться жидкими кристаллами илижидкокристаллическими. ЖК-вещества часто называют мезоморфными, а образуемуюими ЖК-фазу — мезофазой (от греч. «мезос» — промежуточный).

Такое состояние является термодинамическимстабильным фазовым состоянием и по праву на ряду с твердым, жидким игазообразным может рассматриваться как четвертое состояние вещества.

Однако понимание природы ЖК-состояниявеществ установление и исследование их структурной организации приходитзначительно позднее. Серьезное недоверие к самому факту

существования таких необычныхсоединений в 20 — 30-х годах сменилось их активным исследованием. Работы Д.Форлендера в Германии во многом способствовали синтезу новых

ЖК-соединений. Достаточно сказать, чтопод 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 поведениежидких кристаллов в электрических и магнитных полях. Однако то 60-х годовизучение жидких кристаллов не представляло существенного практическогоинтереса, и все научные исследования имели достаточно ограниченный, чистоакадемический интерес.

Ситуация резко изменилась в середине60-х годов, когда в связи с бурным развитием микроэлектроники и микроминиатюризацииприборов потребовались вещества, способные отражать и передавать информацию,потребляя при этом минимум энергии. И вот здесь на помощь пришли жидкиекристаллы, двойственный характер которых (анизотропия свойств и высокаямолекулярная подвижность) позволили создать управляемые внешним электрическимполем быстродействующие и экономичные ЖК-индикаторы, являющиеся по существуосновным элементом многомиллионной «армии» часов, калькуляторов,плоских экранов телевизоров и т. д.

Жидкокристаллический бум, в своюочередь, стимулировал активную научную деятельность, созывались международныесимпозиумы и конференции по жидким кристаллам, организовывались школы длямолодых ученых, выпускались сборники и монографии.

2. Жидкий кристалл

Жидкий кристалл — состояние вещества,промежуточное между жидким и твердым состояниями. В жидкости молекулы могутсвободно вращаться и перемещаться в любых направлениях. В кристаллическомтвердом теле они расположены по узлам правильной геометрической сетки,называемой кристаллической решеткой, и могут лишь вращаться в своихфиксированных позициях. В жидком кристалле имеется некоторая степеньгеометрической упорядоченности в расположении молекул, но допускается инекоторая свобода перемещения.

<img src="/cache/referats/24289/image003.jpg" align=«left» hspace=«12» v:shapes="_x0000_s1029">.

Рисунок 2. Увеличенное изображениежидкого кристалла

Считается, что состояние жидкогокристалла открыл в 1888 австрийский ботаник Ф.Рейнитцер. Он изучал поведениеорганического твердого вещества, называемого холестерилбензоатом. При нагреванииэто соединение переходило из твердого в мутное на вид состояние, ныненазываемое жидкокристаллическим, а затем в прозрачную жидкость; при охлаждениипоследовательность превращений повторялась в обратном порядке. Рейнитцеротметил также, что при нагревании изменяется цвет жидкого кристалла – открасного к синему, с повторением в обратном порядке при охлаждении. Почти всежидкие кристаллы, обнаруженные на сегодняшний день, представляют собойорганические соединения; примерно 50% всех известных органических соединенийпри нагревании образуют жидкие кристаллы. В литературе описаны также жидкиекристаллы некоторых гидроксидов (например, Fe2O3·xH2O).

Жидкие кристаллы,жидкокристаллическое состояние, мезоморфное состояние — состояние вещества, вкотором оно обладает свойствами жидкости (текучестью) и некоторыми свойствамитвёрдых кристаллов (анизотропией свойств). Ж. к. образуют вещества, молекулыкоторых имеют форму палочек или вытянутых пластинок. Различают термотропные илиотропные Ж. к. Первые — индивидуальные вещества, которые существуют вмезоморфном состоянии в определённом температурном интервале, ниже котороговещество является твёрдым кристаллом, выше — обычной жидкостью. Примеры:

параазоксианизол (в интервалетемператур 114—135°С), этиловый эфир азоксибензойной кислоты

(100—120°С), пропиловый эфир холестерина(102—116°С). Лиотропные Ж. к. — растворы некоторых веществ в определённыхрастворителях. Примеры: водные растворы мыльные растворы синтетическихполипептидов (поли--бензил-L-глутамат) в ряде органическихрастворителей (диоксан, дихлорэтан).

3. Структура жидких кристаллов

Сейчас известно уже около сотни тысячорганических веществ, которые могут находиться в ЖК-состоянии, и число такихсоединений непрерывно растет. Если первые десятилетия после открытия жидких кристаллов основнымипредставителями этих соединений являлись только вещества, состоящие изасимметрических молекул стержнеобразной формы, — так называемые каламитики (отгреч. «каламис» — тростник), то в последствии было обнаружено, что вЖК-состояние могут переходить самые разнообразные вещества, имеющие молекулыболее сложной формы (диски, пластины и др.). Молекулы ЖК-соединений очень частоназывают мезогенами, а группировки или фрагменты малеку, способствующиеформированию ЖК-фазы, — мезогенными группами. В таблице 1 приведены примерыстержнеобразных мезогенов — каломитиков, а также химические формулыдискообразных (дискотики) и планкообразных мезогенов (санидики) (от греч.«санидис» — планка).

<img src="/cache/referats/24289/image009.jpg" align=«left» hspace=«12» v:shapes="_x0000_s1030"> Среди мезогенных групп чаще всеговстречаются бензольные кольца, связанные непосредственно друг с другом спомощью различных химических группировок( –CH=CH–, –CH=N–, –NH–CO и др.).Характерной особенностью всех ЖК-соединений является асимметричная формамалеку, обеспечивающая анизотропию поляризуемости и тенденцию к расположениюмолекул преимущественно параллельно друг другу вдоль их длинных (каламитики исанидики) и коротких (дискотики) осей.

Типичные примерыхимических соединений, образующих ЖК-фазу.

4. Типы жидких кристаллов

<img src="/cache/referats/24289/image010.gif" align=«left» hspace=«12» v:shapes="_x0000_s1026"> В то время существование жидкихкристаллов представлялось каким-то курьезом, и никто не мог предположить, чтоих ожидает почти через сто лет большое будущее в технических приложениях.Поэтому после некоторого интереса к жидким кристаллам сразу после их открытияо них через некоторое время практически забыли.

В конце девятнадцатого — началедвадцатого века многие очень авторитетные ученые весьма скептически относилиськ открытию Рейнитцера и Лемана. Дело в том, что не только описанныепротиворечивые свойства жидких кристаллов представлялись многим авторитетамвесьма сомнительными, но и в том, что свойства различных жидкокристаллическихвеществ (соединений, обладавших жидкокристаллической фазой) оказывалисьсущественно различными. Так, одни жидкие кристаллы обладали очень большойвязкостью, у других вязкость была невелика. Одни жидкие кристаллы проявляли сизменением температуры резкое изменение окраски, так что их цвет пробегал всетона радуги, другие жидкие кристаллы такого резкого изменения окраски непроявляли. Наконец, внешний вид образцов, или, как принято говорить, текстура, различных жидких кристаллов при рассматриванииих под микроскопом оказывался совсем различным. В одном случае в полеполяризационного микроскопа могли быть видны образования, похожие на нити, вдругом — наблюдались изображения, похожие на горный рельеф, а в третьем —картина напоминала отпечатки. Стоял также вопрос, почему жидкокристаллическаяфаза наблюдается при плавлении только некоторыхвеществ?

Время шло, факты о жидких кристаллахпостепенно накапливались, но не было общего принципа, который позволил быустановить какую-то систему в представлениях о жидких кристаллах. Как говорят,настало время для классификации предмета исследований. Заслуга в создании основсовременной классификации жидких кристаллов принадлежит французскому ученомуЖ. Фриделю. В двадцатые годы Фридель предложил разделить все жидкие кристаллына две большие группы. Одну группу жидких кристаллов Фридель назвал нематическими,другую смектическими. Он же предложил общий термин для жидких кристаллов —«мезоморфная фаза». Этот термин происходит от греческого слова «мезос»(промежуточный), а вводя его, Фридель хотел подчеркнуть, что жидкие кристаллызанимают промежуточное положение между истинными кристаллами и жидкостями, какпо температуре, так и по своим физическим свойствам. Нематические жидкиекристаллы в классификации Фриделя включали уже упоминавшиеся вышехолестерические жидкие кристаллы как подкласс.

Самые “кристаллические” средижидких кристаллов — смекатические. Для смекатических кристаллов характернадвумерная упорядоченность. Молекулы размещаются так, чтобы их оси былипараллельны. Более того, они “понимают” команду “равняйся” и размещаются в стройныхрядах, упакованных на смекатических плоскостях, и в шеренгах — на нематических.Смекатическим жидким кристаллам свойственно многое из того, о чем пойдет речьниже, и нечто особенное — долговременная память. Записав, например, изображениена такой кристалл, можно затем долго любоваться “произведением”. Однако этаособенность смекатических кристаллов для воспроизводящих элементовиндикационных устройств, телевизоров и дисплеев не слишком удобна. Тем неменее, они находят применение в промышленности, к примеру, в индикаторахдавления.

Упорядоченность нематических средниже, чем у смекатических. Молекулам дозволено смещаться относительно длинныхосей, поэтому упорядоченность становится “односторонней”, а реакция на внешнеевоздействие относительно быстрой, память — короткой. Смекатические плоскостиотсутствуют, а вот нематические сохраняются.

Термин “холестерические жидкиекристаллы” не случаен, поскольку наиболее характерным и на практике самымиспользуемым кристаллом этого класса является холестерин. Молекулы холестеринаи аналогов размещаются в нематических плоскостях. Особенность молекулхолестерического типа в том, что при достаточно сильном боковом притяжении ихвершины отталкиваются. Холестерин — доступный и достаточно дешевый материал,сырьем для которого богата любая скотобойня. Очень сложные жидкокристаллическиеструктуры образуют растворы мыла в воде. Здесь можно получить слоистые,дисковые и даже шарообразные структуры. Словом, выбор материала широк.

В достаточно больших объемахкристаллической жидкости образуются домены, физические свойства которых подобныкристаллам. Однако в целом она проявляет свойства, подобные обычным жидкостям.Доменная структура жидких кристаллов образуется по тем же причинам и законам,что в сегнетоэлектриках и ферромагнетиках. Ситуация резко меняется в пленках,толщина которых сопоставима с радиусом взаимодействия молекул жидкости ипластин, формирующих слой. Это важно подчеркнуть, поскольку именновзаимодействие жидкого кристалла и формообразующих элементов создает тот легкоуправляемый прибор, который столь активно встраивается в современнуюэлектронную технику.

4.1. Термотропные жидкие кристаллы

В зависимости от характерарасположения молекул согласно классификации, предложенной еще Фриделем, различают три основных типа структур ЖК-соединений: смектический,нематический и холестерический.Указанные типы структур относятся к так называемым термотропнымжидким кристаллам, образование которых осуществляется только при термическом воздействиина вещество (нагревание или охлаждение). На рис. 3показаны схемы расположения стержне – и дискообразных молекул втрех перечисленных структурных модификациях жидких кристаллов.

Рис. 3. Основныетипы расположения стержне-образных(а-в) и дискообразных (г) молекул в жидких кристаллах: а - смектическая фаза, б — нематическая, в — холестерическая, г — дискотическая (n- директор).

Смектический тип жидких кристаллов (смектики – от греч. слова «смегма» –мыло) ближе всего к истинно кристаллическимтелам. Молекулы располагаются в слоях, и их центрытяжести подвижны в двух измерениях (на смектической плоскости). При этом длинные оси молекул в каждом слое могут располагатьсякак перпендикулярно плоскости слоя (ортогональные смектики), так и под некоторым углом (наклонныесмектики). Направление преимущественной ориентацииосей молекул принято называть директором, которыйобычно обозначается вектором n (рис. 3, а).

Нематический типжидких кристаллов (нематики от греч. «нема» —нить) характеризуется наличием только одномерного ориентационногопорядка длинных (каламитики) или коротких (дискотики) осей молекул (рис. 3 б и 3 гсоответственно). При этом центры тяжести молекул расположены в пространствехаотично, что свидетельствует об отсутствии трансляционного порядка.

Наиболее сложный тип упорядочениямолекул жидких кристаллов холестерический (холестерики), образуемый хиральными(оптически активными) молекулами, содержащимиасимметрический атом углерода. Это означает, что такие молекулы являются зеркально-несимметричными в отличие от зеркально-симметричныхмолекул нематиков. Впервые холестерическая мезофаза наблюдалась для производных холестерина, откуда и произошло ее название. Холестерики во многих отношенияхподобны нематикам, вкоторых реализуется одномерный ориентационный порядок; они образуются также придобавлении небольших количеств хиральных соединений(1-2 мол. %) к нематикам. Как видно из рис. 3, в, вэтом случае дополнительно реализуется спиральная закрученностьмолекул, и очень часто холестерик называютзакрученным нематиком.

Периодическая спиральная структура холестериков определяет их уникальную особенность —способность селективно отражать падающий свет, «работая» в этом случае как дифракционная решетка. При фиксированном угле отражения условияинтерференции выполняются только для лучей одного цвета, и слой (или пленка) холестерика кажется окрашенным в один цвет. Этот цветопределяется шагом спирали Р, который принормальном угле падения света простым образомсвязан с максимумом длины волны отраженного света l

max:

P = l

max / n (1)

где n — показатель преломленияхолестерика. Этот эффект избирательного отражения пленкой холестерика света сопределенной длиной волны получил название селективного отражения. Взависимости от величины шага спирали, который определяется химической природойхолестерика, максимум длины волны отраженного света может располагаться ввидимой, а также в ИК- и УФ-областяхспектра, определяя широкие области использования оптических свойств холестериков.

Любой из трех типов мезофаз рассматривается обычно как непрерывнаяанизотропная 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 совокупностьструктурных деталей образца жидкого кристалла, помешенного между двумя стекламии исследуемого с помощью оптического поляризационного микроскопа. Каждый типжидкого кристалла самопроизвольно образует свои характерные текстуры, покоторым их часто удается идентифицировать. Как правило, текстуры жидкихкристаллов настолько «фотогеничны», что их красивые микрофотографиичасто помешают на обложках научных журналов инаучно-популярных изданий.

Рис. 4 Типичные текстуры нематических(а), смектических(б) ихолестерических (в) жидких кристаллов: а — шлирен, б — веерная, в — конфокальнаятекстуры.

4.2. Лиотропные жидкие кристаллы

В отличие от термотропныхжидких кристаллов лиотропные жидкие кристаллыобразуются при растворении ряда амфифильныхсоединений в определенных растворителях и имеют, как правило, более сложнуюструктуру, чем термотропные жидкие кристаллы. Амфифильные соединения состоят из молекул, содержащих гидрофильные и гидрофобныегруппы. Такие соединения широко распространены в природе. Так, например, любаяжирная кислота является амфифильной. Ее молекулысостоят из двух частей: полярной «головки» (СООН-группа)и углеводородного «хвоста» [СН3(СН2)n—]. Подобныесоединения при растворении в воде, как правило, образуют мицеллярные растворы, в которых полярные головкиторчат наружу, находясь в контакте с водой, ауглеводородные хвосты, контактируя друг с другом,смотрят вовнутрь. Такие мицеллы(рис. 4, а) и являются теми структурными элементами, из которых строятсялиотропные жидкие кристаллы, формируя,например, цилиндрическую или ламеллярную формы(рис. 4, б, в).

В отличие от термотропных жидких кристаллов, где формированиеопределенного типа мезофазы определяется лишьтемпературой, в лиотропных системах тип структурной организации определяется уже двумя параметрами:концентрацией вещества и температурой. Лиотропныежидкие кристаллы наиболее часто образуютсябиологическими системами, функционирующими в водных средах. Именно в этих системах в наиболее яркой форме проявляютсяуникальные особенности жидких кристаллов, сочетающих лабильность с высокой склонностью к самоорганизации.Ограничимся лишь одним примером,относящимся к клеткам и внутриклеточным органеллам,покрытым тонкими высокоупорядоченными оболочками — мембранами. Современные структурные исследования показывают, что мембраныпредставляют собой типичные лиотропные ламеллярныелабильные ЖК-структуры, составленные из двойного слоя фосфолипидов,в котором «растворены» белки, полисахарилы,холестерин и другие жизненно важные компоненты (рис. <st1:metricconverter ProductID=«4, г» w:st=«on»>4, г</st1:metricconverter>). Такое анизотропное строение мембраны,с одной стороны, позволяет защищать ее внутреннюю частьот нежелательных внешних воздействий, а с другой стороны, ее«жидкостной» характер обеспечивает высокие транспортные свойства(проницаемость, перенос ионов и др.), что придаетклетке определяющую роль в процессахжизнедеятельности.

Рис.4.Некоторые типы лиотропных жидкокристаллических структур, образованные амфифильными молекулами вводных растворах: а — цилиндрическая мицелла, б - гексагональная упаковка цилиндрических мицелл, в — ламеллярный смектический жидкий кристалл; г — строение мембраны, состоящей из фосфолипидного двойногослоя (1) и молекулбелков (2).

4.3 Нематические жидкие кристаллы

Начнем описание устройства жидких кристалловна примере наиболее простой и хорошо изученной их разновидности, нематическихжидких кристаллов, или, как еще принято говорить, нематиков, Итак, кристаллынекоторых органических веществ при нагревании, прежде чем расплавиться иперейти в обычную жидкость, проходят при повышении температуры через стадиюжидкокристаллической фазы. Как мы увидим ниже, жидкокристаллических фаз можетбыть у одного и того же соединения несколько. Но сначала для того, чтобы неосложнять знакомство с жидкокристаллической фазой несущественными здесьподробностями, рассмотрим наиболее простую ситуацию, когда соединение обладаетодной жидкокристаллической фазой. В этом случае процесс плавления кристаллаидет в две стадии. Сначала при повышении температуры кристалл испытывает «первоеплавление», переходя в мутный расплав. Затем при дальнейшем нагреве до вполне определенной температурыпроисходит «просветление» расплава. «Просветленный расплав» обладает всемисвойствами жидкостей. Мутный расплав, который и представляет собой жидко'кристаллическую фазу, по своим свойствам существенно отличается от жидкостей,хотя обладает наиболее характерным свойством жидкости — текучестью. Наиболеерезкое отличие жидкокристаллической фазы от жидкости проявляется в оптическихсвойствах. Жидкий кристалл, обладая текучестью жидкости, проявляет оптическиесвойства всем нам знакомых обычных кристаллов.

При понижении температуры всепревращения происходят в обратном порядке и точно при тех же температурах, т.е. последовательность фаз такова: прозрачный расплав-смутный расплав-^кристаллили в принятых сокращениях ИЖ-^НЖК-^ТК. " Если все описанные превращениянаблюдаются, например, для соединения п—метонсйбензилиден—п'—бу-тиланилин или,как принято сокращенно называть это соединение, МББА, то наблюдаемая жидкокристаллическаяфаза называется нематической или просто немати-KOMj Смена же фазовых состоянийхарактеризуется следующими температурами. Температура первого плавленияГя,=21°С. Ниже ТдМББА находится в обычном кристаллическом состоянии. От Т^ дотемпературы просветления 7^==41°С МББА обладает нематической жидкокристаллическойфазой, и выше Тм — обычная (изотропная) жидкость. Интервал температур от Гд,до tn для различных веществ может быть от единиц до сотни гра дусов. Типичноеже значение этого интервала — порядка нескольких десятков градусов.

Чтобы схематично представить себе устройствонематика, удобно образующие его молекулыпредставить в виде палочек. Для такой идеализации есть физические основания.Молекулы, образующие жидкие кристаллы, как уже говорилось, представляют собойтипичные для многих органических веществ образования со сравнительно большиммолекулярным весом, протяженности которых в одном направлении в 2—3 разабольше, чем в поперечном. Можно считать, что направление введенных нами палочексовпадает с длинными осями молекул. При введенной нами идеализации структурунематика следует представлять как «жидкость одинаково ориентированныхпалочек». Это означает, что центры тяжести палочек расположены и движутсяхаотически, как в жидкости, а ориентация при этом остается у всех палочек одинаковой и неизменной.

Напомним, что в обычной жидкости нетолько центры тяжести молекул движутся хаотически, но и ориентации выделенныхнаправлений молекул совершенно случайны

и не скоррелированны между собой. А вкачестве выделенных направлений в молекуле могут выступать различныевеличины, например, электрический дипольный момент, магнитный момент или, какв рассматриваемом нами случае, анизотропия формы, характеризуемая выделенныминаправлениями или, как говорят, осями. В связи с описанным полным хаосом вжидкости жидкость (даже состоящая из анизотропных молекул) изотропна, т. е. еесвойства не зависят от направления.

На самом деле, конечно, молекулынематика подвержены не только случайному поступательному движению, но иориентация их осей испытывает отклонения от направления, определяющегоориентацию палочек в рассматриваемой нами жидкости. Поэтому направления палочекзадают преимущественную, усредненную ориентацию, и реально молекулы совершаютхаотические ориентационные колебаниявокруг этого направления усредненной ориентации. Амплитуда соответствующихориен-тационных колебаний молекул зависит от близости жидкого кристалла кточке фазового перехода в обычную жидкость tn, возрастая по мере приближениятемпературы нематика к температуре фазового перехода. В точке фазовогоперехода ориентационное упорядочение молекул полностью исчезает иориентационные движения молекул так же, как и трансляционные, оказываются полностьюхаотическими.

В связи с описанной картинойповедения нематика его принято описывать следующим образом. Для характеристикиориентационного порядка вводится вектор единичной длины с, называемыйдиректором, направление которого совпадает с направлением введенных выше палочек. Таким образом, директор задает выделенное,преимущественное, направление ориентации молекул в холестерине. Кроме того,вводится еще ОДНА величина, параметр порядка, который характеризует, наскольковелика степень ориентационного упорядочения молекул или, что то же самое,насколько мала разупорядоченность ориентаций молекул. Параметр порядкаопределяется следующим образом:

S=^«cos»e>-73 (1)

где в—угол между направлениямидиректора и мгновенным направлением длинной оси молекул, a <cos*e> — обозначает среднее по временизначении cos'@.

Из формулы (1) ясно, что параметр 5может принимать значения от 0 до 1. Значение -S==1 соответствует полномуориентационному порядку. Причем .S==1достигается, как нетрудно понять, если значение В не изменяется во времени иравно 0, т. е. если направле

еще рефераты

Еще работы по физике

Оптические явления в природе

29 Августа 2013

Реферат по физике

Электрический ток в жидкостях, газах и плазме