Какими свойствами обладают жидкие кристаллы

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 =)

Источник

Жидкие кристаллы - графическая визуализация

Жидкие кристаллы — графическая визуализация

Жидкий кристалл – это такое фазовое состояние, во время которого вещество одновременно обладает как свойствами жидкостей, так и свойствами кристаллов. То есть они обладают текучестью, и вместе с тем им присуща анизотропия – различие свойств данной среды в зависимости от направления внутри нее (например, показатель преломления, скорость звука или теплопроводность).

Жидкие кристаллы имеют структуру вязких жидкостей, которая состоит из молекул дискообразной формы. Ориентация данных молекул может изменяться при взаимодействии с электрическими полями.

История открытия

В 1888-м году австрийский ботаник Фридерих Рейнитцер выяснил, что у некоторых типов кристаллов имеется две точки плавления, из чего следует, что существует два различных жидких состояния, в одном из которых вещество прозрачное, а в другом – мутное.

И хотя в 1904-м году немецкий физик Отто Леман предоставил ряд научных доказательств в пользу жидких кристаллов в своей одноименной книге, все же долгое время жидкие кристаллы не признавались как отдельные состояния вещества. В 1963-м году американский изобретатель Джеймс Фергюсон нашел применение одному из свойств ЖК – изменение цвета в зависимости от температуры. Американец получил патент на изобретение, которое способно обнаруживать невидимые для глаз тепловые поля. С этого популярность жидких кристаллов начала расти.

Группы жидких кристаллов и их свойства

Жидкие кристаллы обычно разделяют на две группы:

Термотропные – образовываются вследствие разогрева твердого вещества. Способны существовать в условиях определенной температуры и давления. Их разделяют на три типа, в зависимости от расположения молекул:
порядки разных термотропных ЖК
1. Смектические – такие ЖК имеют слоистую структуру, слои которой способны перемещаться друг относительно друга. Плотность слоя с приближением к поверхности может меняться. Кроме того, «смектики» обладают относительно высокой вязкостью. Наиболее обширный класс ЖК.
2. Нематические – не обладают слоистой структурой, а их вытянутые молекулы непрерывно скользят вдоль своих длинных осей, при этом вращаясь вокруг них. Такие ЖК подобны жидкостям. К этому агрегатному состоянию способны прийти только те вещества, молекулы которых имеют форму, при которой они не отличаются от своего зеркального отражения.
3. Холистерические – образовываются в соединениях различных стероидов, например, холестерина. Во многом схожи с нематическими ЖК, за исключением расположения молекул. Длинные оси молекул холистерических ЖК повернуты друг относительно друга таким образом, что молекулы образуют спирали. Основная особенность такого типа жидких кристаллов – его молекулы сверхчувствительны к любому изменению температуры и в зависимости от нее – меняют свою ориентацию, а значит и саму спираль. Примечательно, что в зависимости от шага спирали холистерических ЖК также меняют свой цвет. В связи с двумя указанными свойствами, такие жидкие кристаллы нашли широкое применение в различных сферах человеческой деятельности.

Три типа термотропных жидких кристаллов

Лиотропные – образовываются в смесях, состоящих из стержневидных молекул данного вещества и полярных растворителей (например, воды).

Применение жидких кристаллов

ЖК-дисплеи

Прежде всего следует отметить не наиболее полезное, но наиболее известное применения ЖК – жидкокристаллические дисплеи. Иногда они называются LCD-дисплеи, что есть сокращением английского «liquid crystal display». В век гаджетов такие дисплеи присутствуют практически в любом электронном устройстве: телевизоры, мониторы компьютеров, цифровые фотоаппараты, навигаторы, калькуляторы, электронные книги, планшеты, телефоны, электронные часы, плееры и др.

Устройство ЖК-дисплеев достаточно сложное, однако в общем виде представляет собой набор стеклянных пластин, между которыми расположены жидкие кристаллы (ЖК-матрица), и множество источников света. Пиксель ЖК-матрицы включает в себя пару прозрачных электродов, которые позволяют менять ориентацию молекул жидкого кристалла, а также пару поляризационных фильтров, которые регулируют степень прозрачности и др.

Структура жидкокристаллического дисплея

Термография

Менее популярное, но более важное применение ЖК – это термография. Термография позволяет получить тепловое изображение объекта, в результате регистрации инфракрасного излучения – тепла. Инфракрасные приборы ночного зрения используются пожарными, в случае задымления помещения, с целью обнаружения пострадавших в пожаре. Также они нашли применение у служб безопасности и военных служб.

Тепловые изображения позволяют обнаруживать места перегрева, нарушения теплоизоляции, или другие аварийные участки при обслуживании линий электропередачи или строительстве.

Применение термографии в обслуживании линий электропередач

Также термография используется при медицинской визуализации, в основном для наблюдения молочных желез. Это позволяет обнаруживать различные онкологические заболевания, вроде рака молочной железы.

Компьютерная термография в медицине

Электронные индикаторы

Электронные индикаторы, создаваемые при помощи жидких кристаллов, реагируют на различные температуры, в результате чего могут проинформировать о сбоях и нарушениях в электронике. К примеру, ЖК в виде пленки наносят на печатные платы и интегральные схемы, а также – транзисторы. Неисправные сегменты электроники легко отличить при наличии такого индикатора.

Помимо этого, ЖК-индикаторы, расположенные на коже пациента, позволяют обнаруживать воспаления и опухоли у человека.

Индикаторы из жидких кристаллов используют и для обнаружения паров различных вредных химических соединений, а также обнаружения ультрафиолетового и гамма-излучения. С применением ЖК разрабатываются детекторы ультразвука и измерители давления.

Алкотестер на основе жидкокристаллического индикатора паров

Помимо прямого применения ЖК в перечисленных выше сферах, следует отметить, что жидкие кристаллы во многом похожи на некоторые клеточные структуры, и иногда присутствуют в них. В силу своих диэлектрических свойств жидкие кристаллы регулируют взаимоотношения внутри клетки, между клетками и тканями, а также между клеткой и окружающей средой. Таким образом, изучение природы и поведения жидких кристаллов может привнести вклад в молекулярную биологию.

Источник

Второго декабря старший научный сотрудник кафедры высокомолекулярных соединений химического факультета МГУ, доцент, доктор химических наук, лауреат премии президента Российской Федерации для молодых ученых за 2009 Алексей Бобровский в рамках проекта “Публичные лекции Полит.ру” прочитал в Политехническом музее лекцию о жидких кристаллах. Корреспондент “Ленты.Ру” взял у ученого интервью, в котором Бобровский еще раз коротко рассказал, что такое жидкие кристаллы, как их получают и исследуют и зачем они нужны.

Что такое жидкие кристаллы?

Это вещества, способные образовывать особую фазу, промежуточную между обычной – изотропной (разупорядоченной) – жидкой фазой и твердой кристаллической фазой. Можно сказать, что жидкие кристаллы представляют собой упорядоченные жидкости. Часто для жидкокристаллических фаз используют термин “мезофазы” (“мезос” – промежуточный). В силу своей молекулярной упорядоченности они обладают огромным количеством интересных свойств, благодаря которым жидкие кристаллы используются в разнообразных технических устройствах. Более того, сейчас практически каждый человек пользуется ЖК-монитором, смотрит ЖК-телевизор, мониторы мобильного телефона работают на жидких кристаллах.

Какими свойствами обладают жидкие кристаллы? Чем они отличаются от “обычных” кристаллов или от жидкостей?

Самая интересная особенность жидких кристаллов – они обладают анизотропией свойств. Это означает, что поляризованный свет распространяется в жидкокристаллической фазе с разной скоростью в различных направлениях. Благодаря этой особенности жидкие кристаллы можно использовать в переключаемых системах – с одной стороны, они быстро реагируют на внешние поля, а с другой – их свойства отличаются в зависимости от того, в каком направлении приложено внешнее поле.

Переориентация молекул жидкого кристалла обычно происходит за миллисекунды, и при этом возникают колоссальные изменения оптических свойств жидкокристаллического слоя.

Какие вещества могут переходить в жидкокристаллическое состояние?

Вещество может переходить в состояние жидкого кристалла, если его молекулы имеют определенную структуру – чтобы проявлялась анизотропия свойств, они должны быть анизометричными. Грубо говоря, в ЖК-веществе молекулы должны быть палочко- или дискообразными. Это в простейшем случае. Существует, к примеру, класс так называемых “бананообразных” (banana-shaped) молекул, образующих интересные мезофазы.

Существуют ли вещества, которые при одних условиях являются, например, жидкостью, а при других переходят в жидкокристаллическое состояние?

Среди жидких кристаллов выделяют два типа – термотропные и лиотропные. Термотропные переходят в жидкокристаллическое состояние при определенной температуре, а при других температурах они могут быть либо кристаллическими, либо (при высоких температурах) – изотропными жидкостями. В случае лиотропных жидких кристаллов мезофаза возникает при добавлении к веществу растворителя.

Переход в состояние жидкого кристалла происходит при понижении температуры или при повышении?

При нагревании любое вещество чаще всего переходит в менее упорядоченное состояние, соответственно, жидкокристаллическое состояние менее упорядочено, чем кристаллическое, но более упорядочено, чем изотропная жидкость.

А при дальнейшем нагреве такое вещество может перейти в состояние жидкости?

Да, некоторые вещества могут перейти в состояние обычной разупорядоченной жидкости, а потом начинают испаряться. Если рассмотреть обобщенную диаграмму изменения состояния вещества при повышении температуры, то она будет такой: кристалл, жидкий кристалл, жидкость и пар.

Когда и как были впервые получены жидкие кристаллы?

Первый выделенный учеными жидкий кристалл был синтетическим веществом на основе природного холестерина. Это вещество называется холестерилбензоат – эфир бензойной кислоты и холестерина, и у него в 1888 году было обнаружено жидкокристаллическое состояние, хотя тогда еще исследователи не знали, что это именно оно.

В истории жидких кристаллов получилось так, что вещества, обладающие такими свойствами, были синтезированы раньше, чем ученые в этих свойствах разобрались. Уже потом химики и физики начали изучать свойства новых веществ, и выяснилось, что многие из них могут образовывать жидкие кристаллы. Но всерьез жидкими кристаллами ученые заинтересовались только в конце 1960-х, когда поняли, что их можно использовать в технике.

Как ученые получают жидкие кристаллы сейчас? Каким образом они угадывают – или предсказывают, что то или иное вещество будет обладать жидкокристаллическими свойствами?

Сейчас жидкие кристаллы получают путем стандартного органического синтеза. Ученые накопили очень много информации, на основании которой возможно предположить, будет ли вещество образовывать жидкокристаллическую фазу, или не будет.

Встречаются ли жидкие кристаллы в природе?

Жидкокристаллическое состояние играет важную роль в “работе” живых систем. Например, оно может наблюдаться в липидных мембранах. При некоторых условиях переходить в жидкокристаллическую фазу может ДНК. Иногда встречаются аналоги, или подобия ЖК-структур – например, переливающаяся окраска некоторых жуков и бабочек определяется твердыми структурами, которые напоминают “замороженные” жидкие кристаллы.

Как специалисты изучают жидкие кристаллы? Какие экспериментальные методы они используют?

Самый первый, так сказать традиционный, способ изучения жидких кристаллов – это поляризационно-оптическая микроскопия. Эта же технология применяется для исследования обычных кристаллов. Коротко суть метода такова: когда поляризованный свет попадает в жидкокристаллическую среду, наблюдается поворот плоскости поляризации, и степень поворота зависит от длины волны. Мезофазы дают характерные картинки, текстуры, при наблюдении в поляризационный микроскоп. Анализ изображения позволяет сделать первичный вывод о том, что за жидкокристаллическая фаза образуется.

Другой метод изучения жидких кристаллов – это рентгеноструктурный анализ.

Кроме того, для изучения свойств жидких кристаллов используют спектральные методы, включая, например, ядерно-магнитный резонанс. И хотя методов много, и изучают жидкие кристаллы уже давно, очень многие их свойства остаются пока непонятными.

А есть ли какие-то свойства, которых у жидких кристаллов пока не обнаружено, но наличие которых предполагается?

На ум ничего такого не приходит. В 70-е годы была предсказана возможность появления сегнетоэлектричества в некоторых типах ЖК-фаз, а позже его действительно обнаружили. Сейчас в исследовании жидких кристаллов есть несколько, так скажем, “модных” направлений. Например, к ним относятся исследования вышеупомянутых бананообразных молекул. Впервые ученые ими заинтересовались еще в середине 90-х годов, но сейчас интерес усилился, потому что такие жидкие кристаллы демонстрируют очень необычные физические свойства, включая, например, сегнетоэлектричество.

Давайте поговорим о практическом применении жидких кристаллов. Как именно они работают, скажем, в мониторах или часах?

Жидкие кристаллы могут легко переориентироваться во внешнем магнитном или электрическом поле. Их наносят в виде тонкой пленки на специальную зону с проводящим покрытием. При подаче электрического сигнала происходит переориентация молекул жидких кристаллов, и цвет или светопропускание покрытия изменяются.

Кстати, в жидкокристаллических дисплеях используют не один тип кристаллов, а многокомпонентную смесь (причем не обязательно, чтобы все ее составляющие обладали жидкокристаллическими свойствами). Это делается для того, чтобы понизить температуру плавления смеси до значения ниже комнатной температуры. Иначе такие дисплеи не смогут работать, так как жидкие кристаллы в них будут находиться в твердом состоянии.

Какие еще применения есть у жидких кристаллов?

Используя жидкие кристаллы, можно проводить визуализацию температурных полей – дело в том, что некоторые жидкие кристаллы меняют свою окраску под действием изменения температуры.

Но, вообще говоря, кульминация активности исследований жидких кристаллов для дисплейных технологий была в 80-х-90-х годах прошлого века, а сейчас интерес к ним с этой точки зрения во многом угас. Однако это не значит, что с ними уже все ясно. Есть огромный простор и для фундаментальных исследований, и для возможных “недисплейных” применений: в оптоэлектронике, создании сенсоров, в биологии и медицине.

Источник