Реферат: Жидкокристаллические соединения

/>/>/>/>/>/>Содержание

Введение

1. История открытия жидкихкристаллов

2. Классификация ЖК

3. Молекулярное строение иструктура ЖК

4. Термотропные жидкие кристаллы

4.1 Смектический тип ЖК

4.2 Нематический тип ЖК

4.3 Холестерический тип ЖК

5. Лиотропные жидкие кристаллы

6. Анизотропия физических свойствЖК

7. Как управлять жидкимикристаллами

Заключение

Список литературы

/>Введение

Необычное сочетание слов«жидкие кристаллы», вероятно, многим уже знакомо, хотя далеко не всесебе представляют, что же стоит за этим странным и, казалось бы противоречивымпонятием. Эти удивительные вещества удачно сочетают в себе анизотропныесвойства кристаллов и текучие свойства жидкостей.

В то же время, вероятно,каждый второй человек носит при себе жидкокристаллические (ЖК) индикаторы и понесколько десятков раз в день посматривает на свои электронные часы.ЖК-циферблат которых аккуратно отсчитывает часы, минуты, секунды, а иногда идоли секунд. Именно ЖК-индикаторы являются основой современных калькуляторов,портативных компьютеров, миниатюрных плоских экранов телевизоров,словарей-переводчиков, пейджеров и многих других современных электронных техническихи бытовых приборов и устройств.

Мировое производствоЖК-индикаторов и дисплеев исчисляется миллиардами и, по прогнозам будетувеличиваться и дальше. Уже сейчас без преувеличения можно сказать, чтопрогресс и развитие ряда отраслей науки и техники немыслимы без развитияисследований в области жидких кристаллов. Не меньший интерес представляют собойжидкие кристаллы с точки зрения биологии и процессов жизнедеятельности.Функционирование клеточных мембран и ДНК, передача нервных импульсов, работамышц, формирование аттеросклеротических бляшек — вот далеко неполный переченьпроцессов, протекающих в ЖК-фазе, с присущими этой фазе особенностями —склонностью к самоорганизации и сохранении высокой молекулярной подвижности.

/>1.История открытия жидких кристаллов

Существование жидкихкристаллов было установлено очень давно, почти столетие тому назад, а именно в1888 году. Впервые их обнаружил австрийский ученый-ботаник Фридрих Рейнитцер,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), 1450C, кристаллическое вещество превращалось вмутную, сильно рассеивающую свет жидкость, которая при 1790C становилась прозрачной. В отличии от точки плавления температуру, при которойпроисходило просветление образца, Рейнитцер назвал точкой просветления (Tпр).Пораженный этим необычайным явление, свидетельствующим как будто о двойномплавлении, Рейнитцер отправил свои препараты немецкому кристаллографу ОттоЛеману с просьбой помочь разобраться в странном поведении холестерилбенозоата.Исследуя их при помощи поляризационного микроскопа, Леман установил, что мутнаяфаза, наблюдаемая Рейнитцером, является анизотропной. Поскольку свойстваанизотропии присуще твердому кристаллу, а вещество в мутной фазе было жидким,Леман назвал его жидким кристаллом.[2]

С тех пор вещества,способные в определенном температурном интервале выше точки плавления сочетатьодновременно свойства жидкостей (текучесть, способность к образованию капель) исвойства кристаллических тел (анизотропии), стали называться жидкимикристаллами или жидкокристаллическими. ЖК-вещества часто называют мезоморфными,а образуемую ими ЖК-фазу — мезофазой (от греч. «мезос» —промежуточный). Такое состояние является термодинамически стабильным фазовымсостоянием и по праву на ряду с твердым, жидким и газообразным можетрассматриваться как четвертое состояние вещества.

Однако понимание природыЖК-состояния веществ установление и исследование их структурной организацииприходит значительно позднее. Серьезное недоверие к самому факту существованиятаких необычных соединений в 20 — 30-х годах сменилось их активнымисследованием. Работы Д. Форлендера в Германии во многом способствовали синтезуновых ЖК-соединений. Достаточно сказать, что под его руководством быловыполнено 85 диссертаций по жидким кристаллам. Французский ученый Ж. Фридельпредложил первую классификацию жидких кристаллов, голландец С. Озеен и чех Х.Цохер создали теорию упругости, русские ученые В.К. Фредерикс и В.Н. Цветков вСССР в 30-х годах впервые исследовали поведение жидких кристаллов вэлектрических и магнитных полях. Однако то 60-х годов изучение жидкихкристаллов не представляло существенного практического интереса, и все научныеисследования имели достаточно ограниченный, чисто академический интерес.[1]

Ситуация резко измениласьв середине 60-х годов, когда в связи с бурным развитием микроэлектроники имикроминиатюризации приборов потребовались вещества, способные отражать ипередавать информацию, потребляя при этом минимум энергии. И вот здесь на помощьпришли жидкие кристаллы, двойственный характер которых (анизотропия свойств ивысокая молекулярная подвижность) позволили создать управляемые внешнимэлектрическим полем быстродействующие и экономичные ЖК-индикаторы, являющиесяпо существу основным элементом многомиллионной «армии» часов,калькуляторов, плоских экранов телевизоров и т. д.

Жидкокристаллический бум,в свою очередь, стимулировал активную научную деятельность, созывалисьмеждународные симпозиумы и конференции по жидким кристаллам, организовывалисьшколы для молодых ученых, выпускались сборники и монографии.[4]

/>2. Классификация ЖК

Простого методаклассификации ЖК не существует. Но мы воспользуемся классификацией,применяющейся в настоящее время в науке о ЖК. Эта классификация общепринята ипо своей природе эмпирична, однако она на является ни систематической, ниглубокой. Возможно, в будущем появится более систематическая классификация, воснову которой будет положена структура вещества.

Следует отметить, чтотакое специальное название, как «смектик А», относится к молекулярной упаковкеопределенного типа и поэтому полезно. Название «смектик С» также означает, чтосуществует конкретная структура с определенной молекулярной упаковкой и что онаотличается от смектика А. Однако, термины «смектик А» и «смектик С» — лишьэмпирические наименования, а не составные части какой-то систематическойклассификации.

ЖК можно подразделить надва типа – термотропные и лиотропные. Представители обоих типов обладаютполиморфизмом, т.е. ЖК, образованный из одного вещества (термотропный) или изсмеси веществ (лиотропный), может существовать в нескольких ЖК фазах.Классификация известных ЖК структур приведена на рис. 2.

Здесь указаны тритермотропных нематических ЖК вещества и семь смектических. Символ SB, например, означает, что мы имеемдело со смектическим ЖК, причем индекс В указывает на определенный типсмектика. Этот индекс говорит только о том, что данный смектический ЖКотличается от шести других смектиков.

Лиотропные ЖКподразделяют – исходя в основном из их структуры – на несколько категорий. Онимогут быть образованы как двухкомпонентные или многокомпонентные системы. Умолекул амфифильных веществ имеется гидрофильная полярная часть и нерастворимыйв воде органический радикал. Геометрия молекул таких веществ обычно бывает двухтипов. К первому типу относятся молекулы, подобные молекулам стеарата натрия(полярная головка связана с длинным гидрофобным хвостом). У молекул второготипа к полярной головке присоединены два таких хвоста. Гидрофобные группыобычно расположены либо бок о бок, образуя структуру типа «скрученной нити»,либо под острым углом друг к другу, и тогда структура имеет форму «колышка».[2]

Между кристаллическойформой амфифильного вещества и его истинным раствором в воде существует рядструктур. Образующиеся полиморфные мезофазы в зависмости от содержания водымогут иметь ламеллярную (слоистую), кубическую или гексагональную упаковкумолекул. При уменьшении содержания воды мезофазы сменяют друг друга в обратномпорядке.[3] Схематически эта последовательность превращений выглядит так:

 

/>

 

/>

/>3. Молекулярное строение и структура ЖК

 

ЖК подразделяют на дватипа. Термотропные, как ясно из их названия, образуются при нагреваниинекоторых твердых веществ. Лиотропные ЖК получают при смешивании двух или болеекомпонентов. ЖК обоего типа свойствен полиморфизм, т.е. данное термотропноесоединение или лиотропная смесь может существовать в виде нескольких ЖКструктур. Примеры фазовых переходов в термотропных ЖК приведены на рис. 3.Необходимо отметить, что известны и более сложные взаимосвязи между фазами.[2]

/>

Рис. 3. Некоторыефазовые переходы в термотропных ЖК.

Сейчас известно уже околосотни тысяч органических веществ, которые могут находиться в ЖК-состоянии, ичисло таких соединений непрерывно растет. Если первые десятилетия после открытияжидких кристаллов основными представителями этих соединений являлись тольковещества, состоящие из асимметрических молекул стержнеобразной формы, — такназываемые каламитики (от греч. «каламис» — тростник), то впоследствии было обнаружено, что в ЖК-состояние могут переходить самыеразнообразные вещества, имеющие молекулы более сложной формы (диски, пластины идр.). Молекулы ЖК-соединений очень часто называют мезогенами, а группировки илифрагменты молекул, способствующие формированию ЖК-фазы, — мезогенными группами.В таблице 1 приведены примеры стержнеобразных мезогенов — каломитиков, а такжехимические формулы дискообразных (дискотики) и планкообразных мезогенов(санидики) (от греч. «санидис» — планка).

/>

Таблица 1. Типичныепримеры химических соединений, образующих ЖК-фазу.

Как видно из таблицы 1,среди мезогенных групп чаще всего встречаются бензольные кольца, связанныенепосредственно друг с другом с помощью различных химических группировок (–CH=CH–,–CH=N–, –NH–CO и др.). Характерной особенностью всех ЖК-соединений являетсяасимметричная форма молекул, обеспечивающая анизотропию поляризуемости итенденцию к расположению молекул преимущественно параллельно друг другу вдольих длинных (каламитики и санидики) и коротких (дискотики) осей.[1]

/>4. Термотропные жидкие кристаллы

В зависимости отхарактера расположения 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 термическомвоздействии на вещество (нагревание илиохлаждение). На рис. 4 показаны схемы расположениястержне- и дискообразных молекулв трех перечисленных структурных модификацияхжидких кристаллов.[1]

/>

Рис. 4. Основные типы расположения стержне-образных (а-в) и дискообразных (г) молекулв жидких кристаллах: а — смектическая фаза, б — нематическая, в — холестерическая,г — дискотическая (n-директор).

/>4.1 Смектический тип ЖК

Смектический тип ЖК(смектики – от греч. слова«смегма» – мыло) ближе всего к истинно кристаллическим телам. Молекулы располагаются в слоях, и их центры тяжести подвижны в двух измерениях (на смектическойплоскости). При этом длинные оси молекул в каждомслое могут располагаться как перпендикулярноплоскости слоя (ортогональные смектики), так и поднекоторым углом (наклонные смектики). Направление преимущественной ориентации осей молекул принято называть директором, который обычно обозначается вектором n(рис. 4, а).[5]

В литературе описаны семьсмектических структур; их обычно называют смектики A, B, …, G. В большинстве смектических структурмолекулы расположены слоями; в зависимости от молекулярного порядка внутрислоев различают смектики со структурированными и неструктурированными слоями.

Смектический слой имееттолщину порядка одной или двух длин отдельной молекулы. Притяжение между слоямислабее межмолекулярных сил в самих слоях, поэтому последние довольно легкоскользят друг по другу. Смектические ЖК текучи и одновременно анизотропны, т.к.молекулы в них легко перемещаются друг относительно друга, но остаютсяпараллельными. Несмотря на свою текучесть, смектики гораздо более вязкие, чемнематики.[3]

Структурированные смектическиежидкие кристаллы обладают дальним порядком в расположении молекул в слоях иимеют регулярную двумерную решетку. Самый распространенный из структурированныхсмектиков – смектик В. Он бывает двух типов – с симметрией D∞h и C2v. Для кристаллов первого типа характерна гексагональнаяупаковка, оси молекул перпендикулярны слоям, структура которых оптическиодноосна. Во второй структуре оси молекул наклонены относительно плоскостислоев; структура обладает более низкой симметрией и является двуосной. Текстураструктурированных смектиков – это модификации веерной и шлирен-текстур, имозаичной текстуры (рис. 5). В мозаичной текстуре имеются оптически однородныедвулучепреломляющие области.

/>

Рис. 5. Мозаичнаятекстура смектика В. Скрещенные николи, Х320.

В неструктурированныхсмектических жидких кристаллах молекулы упакованы в слои и их центрырасположены беспорядочно (как в жидкости). Один из наиболее распространенныхнеструктурированных смектических ЖК – это оптически одноосный смектик А,Обладающий симметрией D∞h. Типичная структура для симметрии D∞h – конфокальная; её модификация –веерная текстура (рис. 6).

/>

Рис. 6. Простаявеерная текстура смектика А. Скрещенные николи, Х120.

В структуре смектика Амолекулы расположены в мономолекулярных слоях так, что их длинные оси перпендикулярныплоскости слоев (рис. 7, а). Неструктурированные смектические ЖК второго типаобладают симметрией C2v и являются оптически двуосными.Наиболее распространенный смектический жидкий кристалл этого типа – смектик С,имеющий мономолекулярные слои, молекулы в слоях расположены наклонно (рис. 7, б).[2]

/>

Рис. 7. Схематическоеизображение расположения молекул в смектике А (а), в смектике С (б).

/>4.2 Нематический тип ЖК

Нематический тип ЖК (нематики от греч.«нема» — нить) характеризуется наличием только одномерного ориентационного порядка длинных (каламитики) или коротких (дискотики)осей молекул (рис. 4, б и г соответственно). При этом центры тяжести молекулрасположены в пространстве хаотично, что свидетельствует об отсутствиитрансляционного порядка.[5]

Для такого кристаллахарактерны две особенности:

o    Наличие дальнегоориентационного порядка (строгая параллельность длинных осей молекул);

o    Отсутствиедальней корреляции между положением центров масс молекул – нематик являетсяжидкостью.

Направление главной оси n (директора) кристалла в пространствепроизвольно. Единственное структурное ограничение в обычном нематическом ЖК –это параллельное или почти параллельное расположение длинных осей молекул.Молекулы могут двигаться во всех трех направлениях и вращаться вокруг своейоси.

Толстые пленкинематических ЖК мутны. В пленках толще 0,1 мм, помещенных между скрещенными николями, видны нитевидные дисклинации. В более тонких пленках можно получитьшлирен-текстуру с точечными особенностями (сингулярностями) (рис. 8). Этиособенности соответствуют нитям, расположенным перпендикулярно пленке ихарактеризующимся определенным числом темных полос, выявляемых при наблюдениимежду скрещенными николями. Обычно обнаруживают точки с двумя или четырьмяполосами. При одновременном вращений николей, полосы вращаются либо в том же,либо в противоположном направлениях; в соответствии с этим различаютположительные и отрицательные точки.

/>

Рис. 8. Нематическаяшлирен-текстура. Скрещенные николи, Х120. Видны 2 и 4 темные полосы, исходящиеиз одной точки.

Ориентировать молекулы впленках жидкого нематика можно, воздействуя на них специально обработаннымиповерхностями. Если поверхность натирать в одном направлении, молекулырасположатся своими длинными осями вдоль этого направления. При другом способеобработки – с помощью некоторых поверхностно-активных веществ – длинные осимолекул могут ориентироваться либо перпендикулярно, либо параллельноповерхности. Если длинные оси ориентированы в основном перпендикулярно, тообразуется псевдоизотропная текстура. При наблюдении между скрещенными николямиона кажется темной. Если коснуться покровного стекла, возникают вспышки света;это указывает на нарушение перпендикулярной ориентации.

В термотропных жидкихкристаллах нематическая мезофаза – самая высокотемпературная. При нагреванииона переходит в изотропную жидкость. Этот переход – первого рода; энтальпияперехода составляет 0,1 – 1,0 ккал∙моль-1. Энергия,необходимая для деформации ЖК, настолько мала, что даже слабые возмущения,вызываемые частицами пыли или неоднородностями поверхности стекла, на которомпокоится жидкий кристалл, могут существенно исказить структуру.[2]

Нематические ЖК обладаютосью симметрии бесконечного порядка и поэтому являются одноосными. Молекулы внематическом ЖК ориентированы (вдоль выделенного направления) не полностью;степень ориентации можно количественно описать с помощью одного параметрапорядка, S,

/> (1)

где θ – угол междудлинной осью молекулы и осью симметрии нематика. Экспериментальные значенияпараметра S лежат в интервале от 0,4 (вблизиточки перехода нематика в изотропную жидкость) до 0,8 (вблизи точкикристаллизации нематика, если не образуется смектическая фаза).[6]

/>4.3 Холестерический тип ЖК

Наиболее сложный типупорядочения молекул ЖК 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 холестерическаямезофаза 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. 4, в),в этом случае дополнительно реализуется спиральная закрученностьмолекул, и очень часто холестерик называютзакрученным нематиком.[4]

Отсутствие дальнеготрансляционного порядка обусловливает текучесть холестерика. Локально структурынематика и холестерика очень похожи, однако на больших расстояниях ориентациядиректора n в холестерике оказывается винтовой.Когда шаг винта совпадает с длинной волны падающего света, возникает сильноебрэгговское отражение; если при этом длина волны лежит в видимой области,холестерический ЖК кажется ярко окрашенным. Если этот шаг бесконечен, кристаллявляется обычным нематиком, если он равен нулю, система обладает цилиндрическойсимметрией.[3]

Шаг винтовой молекулярнойупаковки в таком закрученном ЖК чувствителен к температуре. При освещениимонохроматическим светом наиболее чувствительных холестериков заметное глазомизменение интенсивности отраженного света происходит при изменении температурывсего на 0,001°С. Для приложений, в которых не требуется столь высокаячувствительность, можно использовать естественный свет – видимые измененияпроисходят при изменении температуры на 0,01°С.

Холестерический ЖК ведетсебя при освещении его видимым светом как дифракционная решетка. В этомотношении его можно уподобить обычному кристаллу (например, кристаллу NaCl), на котором происходит дифракциярентгеновых лучей.[2]

При фиксированном углеотражения условия интерференции выполняются только для лучей одного цвета, ислой (или пленка) холестерика кажется окрашенным водин цвет. Этот цветопределяется шагом спирали Р, который принормальном угле падения света простым образомсвязан с максимумом длины волны отраженного света lmax:

P = lmax / n,        (2)

где n — показательпреломления холестерика. Этот эффект избирательного отражения пленкойхолестерика света с определенной длиной волны получил название селективногоотражения. В зависимости от величины шага спирали, который определяетсяхимической природой холестерика, максимум длины волны отраженного света можетрасполагаться в видимой, а также в ИК- и УФ-областях спектра, определяя широкие областииспользования оптических свойств холестериков. Убольшинства холестериков с ростом температуры шаг спирали уменьшается, аследовательно, уменьшается и длина волны селективно отраженного света lmax (рис. 9).

/>

Рис. 9. Температурнаязависимость длины волны селективного отражения света lmaxслоя холестерического жидкогокристалла — холестерилпеларгоната.

 

Любой из трех типов мезофаз рассматривается обычно как непрерывнаяанизотропная среда, где в небольших по размерам микрообъемах (их часто называютроями или доменами), состоящих, как правило, из 104-105молекул, молекулы ориентированы параллельно друг другу.[1]

Неориентированныехолестерики образуют конфокальную текстуру, которая состоит из отдельных исвязанных между собой сложных образований, называемых конфокальными доменами(рис. 10).

/>

Рис. 10. Конфокальнаятекстура жидких кристаллов.

/>/>5. Лиотропные жидкие кристаллы

В отличие от термотропных жидкихкристаллов лиотропные жидкие кристаллы образуются при растворении ряда амфифильных соединений в определенных растворителях иимеют, как правило, более сложную структуру, чем термотропныежидкие кристаллы. Амфифильные соединения состоят измолекул, содержащих гидрофильные и гидрофобные группы. Амфифильные молекулы располагаютсятак, чтобы обеспечить минимум свободной энергии, и агрегаты молекул при высокойи низкой влажности существенно не различаются.[1]

/>

Водорастворимаячасть

молекулы

Водонерастворимаячасть

молекулы

Схема 1. Общая формулафосфолипидов и растворимость

в воде разных частейфосфолипидной молекулы.

В природе обнаруженонесколько геометрических форм расположения амфифильных молекул (табл. 2),кристаллическая упаковка разрушается с образованием ламелярной (слоистой)структуры. При дальнейшем добавлении воды может возникнуть кубическаяструктура, а затем гексагональная упаковка, далее мицеллярная структура и,наконец, истинный раствор.[2]

/>/>

Такие соединения широкораспространены в природе. Так, например, любая жирная кислота является амфифильной. Ее молекулы состоят из двух частей:полярной «головки» (СООН-группа) иуглеводородного «хвоста» [СН3(СН2)n—].Подобные соединения 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 (схема 1). Такие мицеллы (рис. 11, а) и являются теми структурнымиэлементами, из которых строятся лиотропные жидкие кристаллы, формируя,например, цилиндрическую или ламеллярную формы(рис. 11, б, в).[4]

/>

Рис.11. Некоторые типы лиотропныхжидкокристаллических структур, образованные амфифильными молекулами в водных растворах: а — цилиндрическая мицелла, б — гексагональная упаковкацилиндрических мицелл, в — ламеллярныйсмектический жидкий кристалл; г — строение мембраны,состоящей из фосфолипидногодвойного слоя ( 1 ) имолекул белков (2).

/>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. />Лиотропные жидкие кристаллы наиболее часто образуются биологическими системами,функционирующими в водных средах. Именно в этих системах внаиболее яркой форме проявляются уникальные особенности жидких кристаллов,сочетающих лабильность с высокой склонностью ксамоорганизации. Ограничимся лишь одним примером, относящимся к клеткам и внутриклеточным органеллам, покрытым тонкими высокоупорядоченнымиоболочками — мембранами. Современные структурные исследования показывают, чтомембраны представляют собой типичные лиотропные ламеллярныелабильные ЖК-структуры, составленные из двойного слоя фосфолипидов,в котором «растворены» белки, полисахариды,холестерин и другие жизненно важные компоненты (рис. 11, г). Такое анизотропное строение мембраны,с одной стороны, позволяет защищать ее внутреннюю часть от нежелательных внешнихвоздействий, а с другой стороны, ее «жидкостной» характеробеспечивает высокие транспортные свойства (проницаемость,перенос ионов и др.), что придает клетке определяющуюроль в процессах жизнедеятельности.[7]

/>6. Анизотропия физических свойств ЖК

Поскольку основным структурным признаком жидких кристаллов является наличие ориентационного порядка, обусловленного анизотропнойформой молекул, то естественно, что все их свойства, так или иначе,определяются степенью ориентационного упорядочения. Количественно степеньупорядоченности жидкого кристалла определяется параметром порядка S, введеннымВ.И. Цветковым в 40-х годах формула 1.

Легко понять, что вполностью разупорядоченной изотропно-жидкой фазе S = 0, а в полностью твердомкристалле S = 1. Параметрпорядка жидкого кристалла лежит в пределах от 0 до 1. Именно существование ориентационного порядка обусловливает анизотропию всехфизических свойств жидких кристаллов. Так, анизотропная форма молекул каламитиков определяет появление двойноголучепреломления (Dn) и диэлектрической анизотропии (De), величины которых могут быть выражены следующим образом:

Dn|| = n|| – n^ и De|| = e|| – e^            (3)

где n||, n^/> и e||, e^ — показатели преломления и диэлектрические постоянныесоответственно, измеренные при параллельной и перпендикулярной ориентациидлинных осей молекул относительно директора. Значения Dn для ЖК-соединенийобычно весьма велики и меняются в широких пределах в зависимости от их химическогостроения, достигая иногда величины порядка 0,3-0,4. Величина и знак De зависят от соотношения междуанизотропией поляризуемости молекулы, величиной постоянного дипольного моментаm, а также от угла междунаправлением дипольного момента и длинной молекулярной осью. Примеры двухЖК-соединений, характеризующихся положительной и отрицательной величиной De, приведены ниже:

/>

Нагревание жидкогокристалла, понижая его ориентационный порядок,сопровождается монотонным снижением значений Dn и De, так что в точке исчезновения ЖК-фазыпри Тпр анизотропия свойств полностьюисчезает.[1]

В то же время именноанизотропия всех физических характеристик жидкого кристалла в сочетании снизкой вязкостью этих соединений и позволяет с высокой легкостью и эффективностью осу/>ществлять ориентацию (ипереориентацию) их молекул под действием небольших«возмущающих» факторов (электрические имагнитные поля, механическое напряжение), существенно изменяя их структуру исвойства. Именно поэтому жидкие кристаллы оказалисьнезаменимыми электрооптически-активными средами, наоснове которых и было создано новое поколение так называемых ЖК-индикаторов.

/>7. Как управлять жидкими кристаллами

Основой любогоЖК-индикатора является так называемая электрооптическая ячейка, устройствокоторой изображено на рис. 12. Две плоские стеклянные пластинки с нанесенным наних прозрачным проводящим слоем из окиси олова илиокиси индия, выполняющие роль электродов, разделяются тонкими прокладками из непроводяшего материала (полиэтилен, тефлон). Образовавшийся зазор между пластинками,который колеблется от 5 до 50 мкм (в зависимости отназначения ячейки), заполняется жидким кристаллом, и вся «сандвичевая» конструкция по периметру«запаивается» герметикой или другимизолирующим материалом (рис. 12). Полученная таким образом ячейка может бытьпомешена между двумя очень тонкими пленочными поляризаторами, плоскостиполяризации которых образуют определенный угол с целью наблюдения эффектов ориентации молекул под действием электрическогополя. Приложение к тонкому ЖК-слою даже небольшогоэлектрического напряжения (1,5—3 В) вследствие относительно низкой вязкости ивнутреннего трения анизотропной жидкости приводит к изменению ориентации жидкого кристалла. При этом важно подчеркнуть, чтоэлектрическое поле воздействует не на отдельные молекулы, а на ориентированныегруппы молекул (рои или домены), состоящие из десятковтысяч молекул, вследствие чего энергия электростатического взаимодействиязначительно превышает энергию теплового движения молекул. В итоге жидкийкристалл стремится повернуться таким образом, чтобы направление максимальнойдиэлектрической постоянной совпало с направлением электрическогополя. А вследствие большой величины двулучепреломления Dn процессориентации ведет к резкому изменению структуры иоптических свойств жидкого кристалла.[6]

Впервые воздействиеэлектрических и магнитных полей на жидкие кристаллы было исследовано русскимфизиком В.К. Фредериксом,и процессы их ориентации получили название электрооптических переходов (илиэффектов) фредерикса. Один из трех, наиболее частовстречающихся вариантов ориентации молекул показан на рис. 12. а – этопланарнаяориентация, которая характерна для нематиков с отрицательной диэлектрической анизотропией (De < 0), когда длинные оси молекулпараллельны стеклянным поверхностям ячейки.

/>

Рис. 12.Электрооптическая ячейка типа «сандвич» с планарнойориентацией молекул (а) и схемы расположения молекул жидких кристаллов вячейке: б — гомеотропная и в — твист-ориентация. 1 — слой жидкого кристалла. 2 — стеклянные пластинки, 3 — токопроводящий слой, 4 — диэлектрическая прокладка, 5 — поляризатор, 6 — источник электрического напряжения.

Гомеотропная ориентация реализуется для жидкихкристаллов с положительной диэлектрической анизотропией (De > 0) (рис. 12, б). В этом случае длинныеоси молекул с продольным дипольным моментомрасполагаются вдоль направления поля перпендикулярно поверхности ячейки. Инаконец, возможна твист- или закрученная ориентациямолекул (рис. 12, в). Такая ориентация достигается спе/>циальнойобработкой стеклянных пластинок, при которой длинные осимолекул поворачиваются в направлении от нижнего кверхнему стеклу электрооптической ячейки. Обычно это достигается натираниемстекол в разных направлениях или использованием специальных веществ-ориентантов, задающих направление ориентациимолекул.[4]

 

/>

Рис. 13 Схема работыЖК-индикатора на твист-эффекте: а — до включения электрического поля, б — послевключения поля, в — семисегментной буквенно-цифровой электрод, управляемый электрическимполем.

 

В основе действия любого ЖК-индикатора лежат структурные перестройки между указанными типами ориентации молекул, которыеиндуцируются при приложении слабого электрического поля. Рассмотрим, например,как работает ЖК-циферблат электронных часов. Основуциферблата составляет уже знакомая нам электрооптическаяячейка, правда несколько дополненная (рис. 13, а, б). Помимо стекол с напыленными электродами, двух поляризаторов, плоскости поляризации которых противоположны,но совпадают с направлением длинных осей молекул уэлектродов, добавляется еще располагаюшееся поднижним поляризатором зеркало (на рисунке не показано). Нижний электрод обычноделают сплошным, а верхний — фигурным, состоящим изсеми небольших сегментов-электродов, с помощьюкоторых можно изобразить любую цифру или букву (рис. 13, в). Каждый такой сегмент «питается» электричествоми включается согласно заданной программе от миниатюрного генератора. Исходная ориентация нематиказакрученная, то есть мы имеем так называемую твист-ориентацию молекул (см. рис.12, в и 13, а). Свет падает на верхний поляризатори становится плоскополяризованным в соответствии сего поляризацией.

При отсутствииэлектрического поля (то есть в выключенном состоянии) свет, «следуя»твист-ориентации нематика, меняет свое направление в соответствии с оптическойосью нематика и на выходе будет иметь то женаправление поляризации, что и нижний поляризатор (см. рис. 13, а). Другими словами, свет отразится от зеркала, и мыувидим светлый фон. При включении электрического поля для нематического жидкого кристалла с положительнойдиэлектрической анизотропией (De > 0) произойдет переход отзакрученной твист-ориентации к гомеотропной ориентации молекул, то есть длинные оси молекулповернутся в направлении, перпендикулярном кэлектродам, и спиральная структура разрушится (рис. 13, б). Теперь свет, неизменив направления исходной поляризации, совпадающей с поляризацией верхнегополяризатора, будет иметь направление поляризации, противоположное нижнемуполяроиду, а они, как видно на рис. 13, б, находятся в скрещенном положении. Вэтом случае свет не дойдет до зеркала, и мы увидим темный фон. Другими словами,включая поле, можно рисовать любые темные символы (буквы, цифры) на светлом фоне, используя, например, простую семисегментную систему электродов(рис. 13, в).[7]

Таков принцип действия любого ЖК-индикатора. Основнымипреимуществами этих индикаторов являются низкие управляющие напряжения (1,5-5 В), малые потребляемые мощности(1—10 мкВт), высокая контрастность изображения,легкость встраивания в любые электронные схемы, надежность в работе иотносительная дешевизна.[4]

/>Заключение

Итак, жидкие кристаллыобладают двойственными свойствами, сочетая в себе свойство жидкостей (текучесть)и свойство кристаллических тел (анизотропию). Их поведение не всегда удаетсяописать с помощью привычных методов и понятий. Но именно в этом и заключена ихпривлекательность для исследователей, стремящихсяпознать еще неизведанное.

Недавно открыты иинтенсивно исследуются жидкокристаллические полимеры,появились полимерные ЖК-сегнетоэлектрики, идетактивное исследование гибкоцепныхэлементоорганических и металлсодержащих ЖК-соединений, образующих новые типы мезофаз. Мир жидких кристалловбесконечно велик и охватывает широчайший круг природныхи синтетических объектов, привлекая внимание не только ученых — физиков, химиков и биологов, но иисследователей-практиков, работающих в самых разнообразных отраслях современной техники (электронике, оптоэлектронике,информатике, голографиии т. п.).

/>Список литературы:

1.        Шибаев В.П.Необычные кристаллы или загадочные жидкости // Соросовский ОбразовательныйЖурнал. 1996. N11. с. 37-46.

2.        Г. Браун, Дж.Уолкен. Жидкие кристаллы и биологические структуры. — Пер. с англ. под ред. Я.М. Варшавского. – М.: Мир, 1982. с. 198.

3.        Чандрасекар С.Жидкие кристаллы. — Пер. с англ. Л. Г. Шалтыко / под ред. А. А. Веденова, И. Г.Чистякова — М.: Мир, 1980 с. 344

4.        Титов В.В.,Севостьянов В.П., Кузьмин Н.Г., Семенов А.М. Жидкокристаллические дисплеи:строение, синтез, свойства жидких кристаллов. — Минск: Изд-во НПООО«Микровидеосистемы», 1998 с. 238

5.        Блинов Л.М.,Пикин С.А. Жидкокристаллическое состояние вещества. — М.: Знание, 1986. — 64 с.- (Новое в жизни, науке, технике. Сер. “Физика”; №6).

6.        Блинов Л.М.,Береснев Л.А. Сегнетоэлектрические жидкие кристаллы. — Успехи физических наук,1984, т. 143, вып. 3, с. 391.

7.        Пикин С.А.,Блинов Л.М. Жидкие кристаллы / под ред. Л.Г. Асламазова. — М.: Наука, 1982. – 208с.- (Библиотечка «Квант». Вып. 20.