Какие свойства присущи жидким кристаллам

В школьном курсе физики и химии обычно рассказывают о трёх агрегатных состояниях вещества – жидком, твёрдом и газообразном. Но для ряда веществ существует четвертое агрегатное состояние – нечто среднее между жидким и твердым, которое называют жидкокристаллическим.

В чем принципиальные отличия между жидкостью и кристаллом?

Жидкости обладают подвижностью, текучестью и изотропией свойств.

Что значит “изотропия свойств“? Рассмотрим на примере явления преломления света. Известно, что скорость распространения света зависит от среды, в которой он распространяется. Самой высокой скорость распространения будет в вакууме. При прохождении света через жидкости скорость снижается. Это снижение скорости зависит от природы вещества и характеризуется коэффициентом преломления. Причем в каком бы направлении относительно жидкости мы ни направляли луч света, коэффициент преломления будет одинаковым. Вещества, у которых измеряемые физические свойства не зависят от направления, называют изотропными.

Кристаллы – твёрдые вещества, обладающие внутренней упорядоченностью и анизотропией свойств.

Внутренняя упорядоченность кристаллов обуславливается наличием кристаллической решетки, которая отражает строгую повторяемость структурных частиц кристалла. Строение кристаллов подчиняется законам симметрии, чего нет в жидкостях и газах. Благодаря наличию кристаллической решетки кристаллы являются анизотропными средами. Если располагать кристалл под разными углами относительно падающего на него луча света и измерять коэффициент преломления, то он будет меняться в зависимости от положения кристалла.

Эксперимент, иллюстрирующий зависимость скорости распространения света в кристалле в зависимости от его ориентации относительно луча.

Известно, что если нагревать твердое вещество, оно начнет плавиться и перейдет в жидкость. Более ста лет назад австрийский ботаник Ф. Рейнитцер заметил интересную вещь. Он нагревал кристаллический эфир холестерилбензоат, который при 145 °С плавился с образованием мутной жидкости, а она при достижении 179 °С превращалась в прозрачную жидкость. Момент перехода мутной жидкости в прозрачную назвали точкой просветления.

Самое удивительное, что в ходе дальнейших исследований было установлено: мутная жидкость является анизотропной! Получается, что эта жидкость обладала свойствами кристаллов. Именно поэтому такое состояние было названо жидкокристаллическим.

Вещества, способные в определенном температурном интервале выше точки плавления сочетать одновременно свойства жидкостей (текучесть, способность к образованию капель) и свойства кристаллических тел (анизотропию, упорядоченность), стали называть жидкими кристаллами или жидкокристаллическими.

Также жидкие кристаллы часто называют мезоморфными веществами, а фазу, которая существует между точкой плавления и точкой просветления, – мезо-фазой.

Если жидкость анизотропна, значит её внутреннее строение каким то образом упорядочено. Но как может совмещаться упорядоченность и текучесть? Ведь для того, чтобы свободно перемещаться молекулы жидкости должны разрывать связи с соседними молекулами, менять свое положение, то есть – нарушать порядок! Необходимо разобраться, как устроены жидкие кристаллы.

Агрегатные состояния вещества.

На самом деле, не все вещества могут образовывать жидкокристаллическую фазу. Эта особенность присуща только веществам, молекулы которых имеют асимметричную форму. Например, молекула того же самого холестерилбензоата имеет вытянутую вдоль одной оси асимметричную форму:

Холестерилбензоат.

В зависимости от формы молекул жидкие кристаллы делят на: каламитики (стержнеобразные молекулы, как холестерилбензоат), дискотики (дискообразные молекулы) и санидики (планкообразные молекулы).

Классификация жидких кристаллов по форме молекул (мезогенов).

В кристаллах присутствует трансляционная симметрия. На рисунке ниже красные вектора a и b как раз и являются трансляциями, которые показывают направление и расстояние, через которое будет периодически встречаться определенным образом ориентированная молекула. То есть в кристалле наряду с трансляционным порядком существует еще и ориентационный порядок.

Взаимное расположение молекул в кристалле и жидком кристалле. а и b – трансляции, d – директор.

При нагревании кристалла происходит его переход в жидкокристаллическую фазу, и сначала теряется ориентационный порядок; молекулы приобретают достаточную энергию, чтобы начать менять свою ориентацию. При этом молекулы самоорганизуются таким образом, что их наклон становится одинаковым – это энергетически выгодно.

Вектор, указывающий выделенное направление, по которому ориентированы молекулы-мезогены, называют директором.

На рисунке он изображен черными стрелками.

Если повышать температуру медленно, то после потери ориентационного порядка центры тяжести молекул сначала будут оставаться неизменными – трансляционная симметрия еще не потерялась. Такую мезо-фазу называют смектической-С фазой. При дальнейшем нагревании теряется и трансляционный порядок – молекулы покидают свои центры тяжести. Такую фазу называют нематической. Однако не смотря на потерю симметрии, во всех жидкокристаллических фазах остается единая ориентация мезогенов. Директор не пропадает.

Жидкие кристаллы, которые получают нагреванием кристаллов или охлаждением жидкостей, называют термотропными (образуются за счет изменения температуры). Остановимся немного на том, какие термотропные мезо-фазы встречаются.

Основные типы расположения стержнеобразных молекул в смектиках, нематиках и холестериках (Шибаев В.П. Необычные кристаллы или загадочные жидкости. Соросовский образовательный журнал, №11, 1996).

Смектики – самые упорядоченные жидкие кристаллы. Молекулы располагаются слоями и имеют подвижность в пределах каждого слоя. В нематических кристаллах центры тяжести молекул расположены хаотично (трансляционная симметрия отсутствует). Третий тип мезо-фаз – холестерический – самый сложно организованный. Он представляет собой нематические слои, закрученные в пространстве. При переходе от одного слоя к другому директор поворачивается на малый угол. Расстояние, между слоями, в которых направление директора совпадает, называют шагом спирали.

Помимо термотропных жидких кристаллов существуют лиотропные ЖК. Их получают растворением бифильных веществ в определенных растворителях. Что за бифильные вещества? Это вещества, молекулы которых которые совмещают в себе гидрофильные (растворимость в воде) и гидрофобные (нерастворимость в воде) свойства. Примером таких веществ являются высшие карбоновые кислоты.

C17H35COOH – стеариновая кислота (Автор: Jynto and Ben Mills – Derived from File:Caproic-acid-3D-balls.png., Общественное достояние, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=11080927)

Карбоксильная группа -COOH является гидрофильной и может образовывать водородные связи с молекулами воды, благодаря наличию электроотрицательных атомов кислорода. Жирный углеводородный радикал -C17H35 является гидрофобной частью молекулы. Благодаря такому строению бифильные молекулы склонны образовывать мицеллы, растворы которых в определенных концентрациях могут проявлять свойства жидких кристаллов.

Жидкие кристаллы обладают рядом интереснейших свойств, о которых будет рассказано в дальнейших статьях. Подписывайся на эту ленту =)

В 1888 году австрийский химик Фридрих Рейниццер, работающий в Институте физиологии растений при Пражском университете, обнаружил странное явление. Рейницер проводил эксперименты над веществом на основе холестерина, пытаясь выяснить правильную формулу и молекулярную массу холестерина. Когда он попытался точно определить точку плавления, что является важным показателем чистоты вещества, он был поражен тем фактом, что это вещество, по-видимому, имеет две точки плавления. При 145,5 гр Цельсия твердый кристалл расплавлялся в облачную жидкость, которая существовала до 178,5 гр Цельсия, когда облачность внезапно исчезла, уступив место прозрачной жидкости. Сначала Рейниццер подумал, что это может быть признаком загрязнения в материале, но дальнейшая очистка не привела к каким-либо изменениям в этом поведении.

Озадаченный своим открытием, Рейнитцер обратился за помощью к немецкому физику Отто Леманну, который был экспертом в области кристальной оптики. Леманн убедился, что облачная жидкость имеет уникальный порядок. Напротив, прозрачная жидкость при более высокой температуре имела характерное неупорядоченное состояние всех распространенных жидкостей. В конце концов он понял, что облачная жидкость представляет собой новое состояние материи и придумала название «жидкий кристалл», иллюстрируя, что это что-то среднее между жидкостью и твердым телом, разделяющее важные свойства обоих. В нормальной жидкости свойства изотропны, т. е. одинаковы во всех направлениях. В жидком кристалле они сильно зависят от направления, даже если само вещество является текучим.

Эта новая идея была поставлена ​​под сомнение научным сообществом, и некоторые ученые утверждали, что недавно открытое состояние, вероятно, было просто смесью твердых и жидких компонентов. Но между 1910 и 1930 годами окончательные эксперименты и ранние теории поддерживали идею жидкого кристалла, в то время как были открыты новые типы жидкокристаллических состояний.

В ранние годы Рейницера и Леманна ученые знали только три состояния материи. Общая идея заключалась в том, что вся материя, как правило, имела одну точку плавления, где она превращается из твердого вещества в жидкость, и точка кипения, где она превращается из жидкости в газ. Вода – хороший пример этой точки зрения. Она плавится при 0 гр Цельсия, и кипит и превращается в пар, который представляет собой воду в газообразной форме при 100 гр Цельсия.

Сегодня, благодаря Рейницеру, Леманну и их последователям, мы знаем, что буквально тысячи веществ имеют многообразие других свойств. Некоторые из них были признаны очень полезными в нескольких технических новинках, среди которых наиболее известны жидкокристаллические экраны и жидкокристаллические термометры.

В 1960-х годах французский физик-теоретик Пьер-Жиль де Генн, работавший с магнетизмом и сверхпроводимостью, обратил внимание на жидкие кристаллы и вскоре нашел увлекательные аналоги между жидкими кристаллами и сверхпроводниками, а также магнитными материалами. Его работа была вознаграждена Нобелевской премией по физике 1991 года. Современное развитие жидкокристаллической науки с тех пор сильно повлияло на работу Пьера-Жиля де Генна.

Что такого особенного в жидких кристаллах?

Жидкие кристаллы представляют собой частично упорядоченные материалы, где-то между твердой и жидкой фазами. Их молекулы часто имеют форму стержней или пластин, или некоторые другие формы, которые побуждают их к совместному выравниванию в определенном направлении. Порядок жидких кристаллов можно манипулировать механическими, магнитными или электрическими силами. Наконец, жидкие кристаллы чувствительны к температуре, поскольку они превращаются в твердые, если они слишком холодные, и в жидкость, если они слишком горячие. Это явление можно, например, наблюдать на экранах ноутбуков, когда очень жарко или очень холодно. Жидкие кристаллы имеют две основные фазы, которые называются нематическая и смектическая фазы.

Нематическая фаза является самой простой из жидкокристаллических фаз и близка к жидкой фазе. Молекулы плавают вокруг, как в жидкой фазе, но все еще упорядочены в своей ориентации. Когда молекулы являются хиральными и в нематической фазе, они устраиваются в сильно скрученную структуру, которая часто отражает видимый свет в разных ярких цветах, которые зависят от температуры. Поэтому их можно использовать в температурных датчиках (термометрах). Этот частный случай нематика часто называют холестериком. Название историческое, поскольку оно восходит к веществам, на которых Рейницер сделал свое открытие.

Смектическая фаза близка к твердой фазе. Жидкие кристаллы здесь упорядочены по слоям. Внутри этих слоев жидкие кристаллы обычно свободно плавают, но они не могут свободно перемещаться между слоями. Тем не менее, молекулы стремятся расположить себя в одном направлении. Смектическая фаза, в свою очередь, разделена на несколько подфаз со слегка отличающимися свойствами.

Как работают жидкокристаллические дисплеи?

Чтобы понять, как работает жидкокристаллический экран, вы должны сначала понять концепцию поляризации света. Свет сделан из частиц, называемых фотонами. Эти фотоны движутся со скоростью света. Во время движения фотон вибрирует в плоскости, перпендикулярной его направлению, но внутри этой плоскости направление колебаний является случайным для нормального (неполяризованного) света.

Некоторые процессы влияют на направление вибрации. Например, если солнечный свет отражается от поверхности дороги или поверхности открытого моря, отраженный свет содержит больше вибраций, параллельных этой поверхности, чем перпендикулярно к нему. Свет поляризовался, в этом случае лишь частично. Однако некоторые материалы, такие как пластик, используемый в поляризационных солнцезащитных очках, могут поглощать почти все компоненты вибрации в определенном направлении и пропускать только вибрации вдоль перпендикулярного направления. В обычных солнцезащитных очках допустимое направление вибрации является вертикальным. Именно поэтому поляризационные солнцезащитные очки можно использовать для удаления бликов отраженного света с поверхности дороги или поверхности открытого моря.

Чтобы поляризовать свет, вы можете использовать такой поляризационный фильтр, который можно найти в солнцезащитных очках. Два таких поляризационных фильтра, расположенных друг напротив друга по свету с их перпендикулярным друг к другу направлением, не пропускают свет.

Так что же это касается жидкокристаллических дисплеев? Ну, обычный жидкокристаллический дисплей в основном состоит из такой упаковки двух скрещенных поляризаторов с жидким кристаллом между ними. Если молекулы лежат перпендикулярно плоскости поляризаторов, т. е. вдоль направления светового луча, они не влияют на состояние поляризации. Таким образом, пакет скрещенных поляризаторов пропускает свет. Ячейка выглядит черной. С другой стороны, если молекулы расположены так, что они лежат параллельно плоскости поляризаторов, т. е. в плоскости, в которой свет вибрирует, присутствие жидкого кристалла будет сильно влиять на состояние поляризации.

На так называемом скрученном нематическом (или TN) дисплее молекулы расположены таким образом. Более конкретно, поверхности стекла обрабатывают таким образом, что молекулярное направление параллельно направлению приема каждого соседнего поляризатора. Поскольку эти направления пересекаются, молекулярное направление ограничивается 90-градусным твистом с одной стороны ячейки на другую.

В этом случае происходит то, что световая вибрация следует за этим поворотом от одного поляризатора к другому, так что весь свет фактически пропускает клетку, не поглощаясь несмотря на то, что поляризаторы пересекаются. Следовательно, ячейка кажется яркой.

Как упоминалось ранее, жидкие кристаллы чувствительны к электрическим силам. Если вы примените электрическое поле, достаточно сильное на жидком кристалле правильного типа, его молекулы располагаются параллельно электрическому полю. Итак, теперь, применяя напряжение на жидкокристаллической ячейке, то есть вдоль светового направления, вы разрушаете твист и вместо этого вставляете молекулы в направлении, в котором они не влияют на состояние поляризации света. Все свет теперь поглощается скрещенными поляризаторами, и клетка становится черной при включении электрического поля.

Создавая матрицу квадратов, которые локально контролируют состояние завихрения в их соответствующей области, вы получаете жидкокристаллический дисплей, содержащий большое количество отдельных элементов изображения (пикселей).