Жидкие кристаллы; их свойства и применение

метки: Кристалл, Жидкий, Промышленность, Молекула, Свойство, Вещество, Температура, Направление

В конце XIX века были открыты вещества, свойства внутренней структуры которых в жидком состоянии имели черты, характерные как для жидкости, так и для твердого тела.

мезоморфным,

Достаточно сказать, что из двухсот вновь синтезированных веществ, по крайней мере, одно — жидкокристаллическое.

Зачем нужны жидкие кристаллы? В обыденной жизни мы сталкиваемся с часами, термометрами, плоскими экранами телевизоров, словарями-переводчиками и многими другими современными электронными техническими и бытовыми приборами и устройствами на жидких кристаллах.

Научный интерес к жидким кристаллам обусловлен возможностями их эффективного применения в ряде отраслей производственной деятельности. Внедрение жидких кристаллов означает экономическую эффективность, простоту, удобство.

В 1988 г. научная общественность отметила столетие открытия жидких кристаллов — нового состояния вещества. Почти 100 лет назад ученые обнаружили, что вещества в жидкокристаллическом состоянии обладают текучестью, как обычные жидкости, и в то же время их оптические свойства поразительно похожи на свойства твердых кристаллов.

Далее мы подробнее рассмотрим свойства жидких кристаллов и их применение.

1. Открытие жидких кристаллов

В 1888г. ботаник Рейнитцер опубликовал свои наблюдения о поведении при изменении температуры синтезированного им холестерилбензоната. Кристаллы этого вещества плавились при температуре 145,5°С, переходя в мутную жидкость. Эта жидкость при дальнейшем нагревании становилась прозрачной при 178,5°С и с дальнейшим повышением температуры оставалась неизменной. В процессе охлаждений в жидкости появлялась голубоватая окраска при 178,5°С, которая быстро исчезала, и жидкость мутнела. Когда температура достигала 145,5°С, снова появлялась такая окраска, после чего наступала кристаллизация.

Кроме красивой окраски, он обнаружил у этого вещества еще целый ряд необычных свойств. Холестерилбензонат плавился в две стадии: вначале образовывалась мутная жидкость, а при дальнейшем нагревании — прозрачный расплав. Мутная жидкость при наблюдении в поляризационный микроскоп выглядела как двухфазная система. Одна фаза представляла собой ярко окрашенный фон, на котором ясно видны были «маслянистые бороздки’’ — тоненькие ручейки другой фазы. Ярко окрашенный фон, изменяющий свой цвет при нагревании, вдобавок обладал двойным лучепреломлением и вращал плоскость поляризации света. При охлаждении прозрачного расплава мутная жидкость возникала не сразу. Вначале образовывались звездоподобные агрегаты, которые только при дальнейшем охлаждении переходили в фазу с «маслянистыми бороздками».

Жидкие кристаллы

... биологов, но и исследователей-практиков, работающих в самых разнообразных отраслях современной техники. Цель курсовой работы - исследование физические свойства жидких кристаллов, описание видов жидких кристаллов, получение жидких кристаллов, сравнение жидких кристаллов, применение жидких кристаллов. Мир жидких кристаллов бесконечно велик и охватывает широчайший круг ...

Рейнитцер считал, что в состоянии мутной жидкости одна из фаз, по- видимому, являлась кристаллической. Только этим он мог объяснить наличие у этой фазы двойного лучепреломления, свойства присущего только кристаллам. Однако разделить эту смесь Рейнитцер не смог и послал свой препарат известному немецкому физику О. Леману.

Образцы Рейнитцера исследовал физик Леманн в поляризационном микроскопе и установил, что исследуемая жидкость в мутном состоянии проявляет оптическую анизотропию. Исследованные им п-азоксифенетол, олеат аммония, этиловый эфир п-азоксибензойной кислоты в определенных температурных интервалах имели, с одной стороны, свойства жидкости, с другой, в связи с оптической анизотропией, свойства твердого тела. В исследуемых образцах Леманн установил наличие микрозон со спонтанной оптической анизотропией, что убедило его в том, что это новое, до сих пор не известное состояние вещества, которое он назвал жидкокристаллическим. Вначале Леманн ошибочно считал, что вещества в таком состоянии имеют очень подвижную объемную кристаллическую решетку. Одни экспериментаторы, изучавшие эти вещества, полагали, что имеют дело с эмульсиями, сильно рассеивающими свет, другие — что в веществах образуются микрокристаллы, окруженные пленкой.

Термин жидкие кристаллы был предложен Леманом. Этот термин основан на привлекательности сочетания двух противоположных слов — жидкий и кристаллический, этот термин хорошо прижился. Только через тридцать лет появился другой, теперь столь же распространенный термин — мезоморфное состояние (если речь идет о фазе, — мезофаза), который ввел французский физик Фридель, образовав его от греческого слова «мезос» — промежуточный.

Сейчас чаще всего термин жидкий кристалл употребляется для обозначения химического вещества, которое может в определенном интервале температур образовывать мезофазу.

Жидкие кристаллы были открыты почти сто лет назад, но только в последние двадцать лет они стали интенсивно изучаться. Причем их изучение развивалось такими темпами, которые даже в наше время следует считать стремительными.

Действительно, если в шестидесятые годы количество статей в научных журналах и патентов, посвященных жидким кристаллам, всего несколько десятков в год, то уже во второй половине семидесятых годов их ежегодное количество приблизилось к тысяче. За эти годы синтезировано несколько тысяч новых жидких кристаллов, в том числе много практически важных, создана промышленность, производящая жидкие кристаллы. Жидким кристаллам найдено множество применений — от хроматографии до телевидения; построены заводы, выпускающие изделия, в которых работают жидкие кристаллы. За эти годы создана физика жидких кристаллов, основанная на континуальной теории, краеугольными камнями которой явились теория упругости и гидродинамика.

2. Понятие и классификация жидких кристаллов

Жидкий кристалл

жидкокристаллическое

Чем же жидкий кристалл отличается от жидкости и обычного кристалла и чем похож на них? Подобно обычной жидкости, жидкий кристалл обладает текучестью и принимает форму сосуда, в который он помещен. Этим он отличается от известных всем кристаллов. Однако, несмотря на это свойство, объединяющее его с жидкостью, он обладает свойством, характерным для кристаллов. Это — упорядочение в пространстве молекул, образующих кристалл. Правда, это упорядочение не такое полное, как в обычных кристаллах, но, тем не менее, оно существенно влияет на свойства жидких кристаллов, чем и отличает их от обычных жидкостей. Неполное пространственное упорядочение молекул, образующих жидкий кристалл, проявляется в том, что в жидких кристаллах нет полного порядка в пространственном расположении центров тяжести молекул, хотя частичный порядок может быть. Это означает, что у них нет жесткой кристаллической решетки. Поэтому жидкие кристаллы, подобно обычным жидкостям, обладают свойством текучести.

К проекту Жидкие кристаллы

... посвящённая жидким кристаллам. В 1968 г. американские учёные создали принципиально новые индикаторы для систем отображения информации. Принцип их действия основан на том, что молекулы жидких кристаллов, поворачиваясь в электрическом поле, ...

Обязательным свойством жидких кристаллов, сближающим их с обычными кристаллами, является наличие порядка пространственной ориентации молекул. Такой порядок в ориентации может проявляться, например, в том, что все длинные оси молекул в жидкокристаллическом образце ориентированы одинаково. Эти молекулы должны обладать вытянутой формой. Кроме простейшего названного упорядочения осей молекул, в жидком кристалле может осуществляться более сложный ориентационный порядок молекул.

текучие кристаллы, мезоморфное состояние

Жидкие кристаллы можно разделить на две группы: термотропные жидкие кристаллы и лиотропные.

Термотропные жидкие кристаллы образуются в результате нагревания твердого вещества. Они существуют в определенном интервале температур и давлений. Лиотропные жидкие кристаллы представляют собой двух- или более компонентные системы, образующиеся в смесях амфифильных молекул и воды или других полярных растворителей, заменяющих воду.

Классификация жидких кристаллов предложена Леманном, затем расширена Фриделем . По этой классификации выделяются три типа смектические, нематические и холестерические. Жидкие кристаллы, входящие в каждую из этих групп, различаются физическими, и, прежде всего, оптическими свойствами. Это отличие следует из их структурного различия. Рассмотрим каждый тип подробнее.

Смектическое мезоморфное

смектиками.

Нематические жидкие кристаллы

Холестерические жидкие кристаллы

К ним относятся, главным образом, производные холестерина. Сам холестерин не дает мезофазы. В холестерических жидких кристаллах молекулы расположены в слоях, как и в смектиках, однако длинные оси молекул параллельны плоскости слоев, а их расположение в пределах слоя напоминает скорее нематик. Слои в холестерических кристаллах тонкие, мономолекулярные. Каждая молекула имеет плоскую конфигурацию и боковую метильную СНз-группу, расположенную над или под плоскостью. При такой конфигурации атомов в молекулах следует, что направление ориентации длинных осей молекул в каждом последующем слое отклонено на 15 угловых минут по сравнению с предыдущим слоем. Эти отклонения суммируются по всей толщине вещества, что приводит к образованию спиральной молекулярной структуры холестерического жидкого кристалла.

Измерение вязкости

... температуры - термометром, напряжения - вольтметром и т. п. Косвенные измерения - вид измерения, результат которых определяют из прямых измерений, связанных с измеряемой величиной известной зависимостью. Например, площадь можно ... и месяца) и 365,25 (соотношение года и суток). Эта кратность обусловлена скоростью вращения Земли и фазами Луны и является наиболее естественной. Дальнейшая замена кратности ...

Холестерические жидкие кристаллы похожи по структуре на нематики, но имеют принципиальное отличие. Оно состоит в том, что в холестерике, свободном от внешних воздействий, однородная ориентация оптической оси является энергетически невыгодной. Молекулы холестерина можно расположить параллельно друг другу (как в нематике) в тонком монослое, но в соседнем слое хиральные молекулы должны быть повернуты на некоторый малый угол: энергия этого состояния оказывается меньшей, чем при однородной ориентации оси. В стопке таких нематических монослоев ось поворачивается постепенно от слоя к слою, образуя в пространстве правый или левый винт, называемый также твист-ориентацией оптической оси.

Угол между векторами соседних монослоев и шаг винта к в холестерике можно грубо оценить, исходя из простых предположений. Очевидно, чем меньше угол (где угол между векторами соседних монослоев) тем меньше энергия взаимодействия спирального участка молекулы с соседней молекулой и тем больше взаимодействие основных плоских участков молекул. Поскольку, грубо говоря, спиральный участок содержит один атом, а плоский — 100, то отношение этих энергий взаимодействия составляет около 0,01. Поэтому угол составляет сотые доли полного оборота.

Холестерики ярко окрашены и малейшее изменение температуры (до тысячных долей градуса) приводит к изменению шага спирали и, соответственно, изменению окраски жидкого кристалла.

Голубые фазы

В настоящее время поняты причины этих особенностей голубых фаз. В сущности, такие состояния хирального вещества демонстрируют возможность образования трёхмерных структур, когда на холестерическуго ориентационную спираль накладываются дополнительные модуляции в трех измерениях с периодом, не равным шагу исходного винта. Эти новые кубические сверхструктуры, как и одномерную холестерическую, можно было бы назвать несоразмерными, т. е. обладающими пространственными периодами, не кратными размерам молекул l. Информацию о кубическом строении голубых фаз дают экспериментальные данные по брэгговскому рассеянию в видимом диапазоне спектра. При объяснении необычных свойств голубых фаз решающее значение имели соображения Бразовского и Дмитриева о том, что в таких системах большую роль играет так называемый ближний порядок молекул, т. е. организация молекулярных групп на сравнительно малом расстоянии I, называемом корреляционным радиусом.

3. Свойства жидких кристаллов, .1 Вязкость и плотность жидких кристаллов

Впервые вязкость веществ, способных находиться в жидкокристаллическом состоянии, была измерена Шенком. Капиллярный метод позволил измерить вязкость холестерилбензоата и n-азоксианизола. Опыт показал, что вязкость мезофазы уменьшается с повышением температуры, однако при температурах, близких к переходу нематической фазы в изотропное состояние, она быстро возрастает, достигая максимума. При дальнейшем повышении температуры в изотропном состоянии вязкость монотонно уменьшается.

Более поздние работы с другими веществами также показали внезапное возрастание вязкости вблизи изотропно-нематического и изотропно-холестерического переходов. Вид кривых оказывается различным. В одних случаях максимум на кривой симметричен, в других вязкость после достижения максимального значения изменяется очень плавно. Вязкость нематической фазы, например n-азоксианизола, оказалась очень низкой, лишь немногим выше, чем у воды при комнатной температуре. Величина вязкости смектической фазы значительно выше, чем у нематической и холестерической. К сожалению, работ, относящихся к этому типу мезофаз, опубликовано очень мало. Известно, что в смектической фазе, имеющей слоистое строение, вязкость в двух направлениях (вдоль слоев и перпендикулярно слоям) оказывается различной. Прерывистость в изменении вязкости наблюдается и при переходах внутри жидкокристаллической фазы. Так, этил-n-(4-метоксибензилиден-ди-амино)циннамат имеет три мезофазы.

Особенности электропроводности твердых, жидких и газообразных диэлектриков

... При длительном воздействии высокой температуры сказывается эффект сушки (испарения воды) жидкого диэлектрика. Гигроскопичность жидкости зависит от её состава и от наличия полярных молекул. Полярные молекулы, как правило, отличаются ... = 10- 2 -10-4 см2 /В•с. Возможен и другой механизм электропроводности кристаллов - по Шоттки, при котором дефекты образуются в результате удаления равного числа анионов ...

В ряде измерений была обнаружена анизотропия вязкости в жидких кристаллах. Исследования, проведенные в магнитном поле для n-азоксианизола при 122°, дали три значения коэффициента вязкости:

молекулы мезофазы параллельны направлению течения жидкого кристалла в капилляре, = 0,024;

молекулы параллельны градиенту скорости течения, = 0,092;

молекулы перпендикулярны вектору скорости и вектору градиента скорости истечения, = 0,034. Интересно отметить, что, оказалось меньше вязкости изотропной жидкости.

Скачкообразное изменение вязкости в области фазовых переходов внутри жидкокристаллической фазы, по-видимому, вызывается нарушением молекулярной организации, которое в точках фазового перехода особенно велико и наступает внезапно. Аналогичные изменения имеют место в дисперсных системах.

В этой связи было интересно провести измерения скорости распространения и поглощения звука. Известно, что скорость звука (или адиабатическая сжимаемость) является одной из физических характеристик вещества. Обладая свойствами жидкости, мезофаза обнаруживает сдвиговую и объемную вязкость, количественной мерой которой служит поглощение ультразвука.

Мартьянова и Капустин исследовали зависимость скорости и поглощения ультразвука от температуры в этиловом эфире 4-анизальаминокоричной кислоты, которая имеет одну нематическую и две смектические модификации. Импульсный ультразвуковой метод измерения, примененный на частоте 7 Мгц, не содержал каких-либо особенностей. Точность измерения скорости звука с составляла 0,5%, а коэффициента поглощения 7%.

Коэффициент поглощения звука в интервале между точками перехода медленно увеличивается с температурой, претерпевая скачки в области каждого фазового перехода.

Опыт показывает, что в области фазовых переходов наблюдается изменение температурного коэффициента скорости звука. Плотность вещества во всем температурном интервале изменяется очень мало. Поэтому аномальные изменения свойств мезофазы, по-видимому, обусловлены образованием молекулярных групп — роев, которые создают упругую гетерогенность вещества. Размеры роев не сохраняются постоянными. При понижении температуры они увеличиваются, сохраняя дальний порядок в расположении осей молекул. Таким образом, процесс разрушения структуры мезофазы происходит в несколько этапов. Структурные изменения мезофазы обусловливают резкое изменение сжимаемости и соответственно скорости ультразвука.

Кристаллы и их применение

... На всем этом основаны многочисленные применения жидких кристаллов. 3. Применение ЖК Расположение молекул в жидких кристаллах изменяется под действием таких факторов, как температура, давление, электрические и магнитные поля; ... растений, в промышленности при производстве искусственных волокон, органических красителей, минеральных красок, мышьяковистых химикатов. Способ выращивания в домашних ...

Влияние магнитного поля на поведение среды необходимо учитывать при построении гидродинамической теории нематических жидких кристаллов. Исследование действия магнитного поля на коэффициенты вязкости и теплопроводности показало, что в силу слабой намагниченности жидких кристаллов влияние поля следует учитывать лишь при весьма больших внешних полях, порядка 10 ⁴ -10⁵ э и выше. В столь высоких полях ось анизотропии нематических жидких кристаллов практически параллельна магнитному полю (при не слишком больших градиентах гидродинамического потока)

Плотность жидких кристаллов

Измерению плотности жидких кристаллов посвящено небольшое количество работ.

Форлендер изучал зависимость плотности n-азоксианизола от температуры. Увеличение плотности в области изотропно-нематического перехода составило 0,26%. По данным работы изменение плотности при изотропно-нематйческом переходе в чистом n-азоксианизоле составляет 0,36%. При плавлении твердых кристаллов плотность меняется в 30 раз больше, чем при изотропно-нематйческом переходе. Изучение зависимости плотности этил-анизаль-n-аминоциннамата от температуры выявило интересные особенности. Отсутствие аномального хода плотности в области изотропно-нематического перехода весьма сомнительно. В области нематико-смектического перехода плотность возрастает с уменьшением температуры. Ее относительное изменение составляет около 1%. При дальнейшем понижении температуры плотность увеличивается по линейному закону.

В общем можно сказать, что изучение зависимости плотности от температуры — сложный процесс, при котором играет роль индивидуальность вещества, его чистота и тщательное термостатирование.

3.2 Оптические и электрооптические свойства

оптически положительным,

Нематические и смектические жидкие кристаллы оптически положительны и направление длинных осей молекул совпадает с направлением оптической оси. Холестерические жидкие кристаллы, в которых длинные оси молекул перпендикулярны оси холестерической спирали, которая, в свою очередь, параллельна оптической оси образца, — оптически отрицательны. Эта особенность часто служит критерием отличия холестерических жидких кристаллов от смектических.

Знак двулучепреломления и направление оптической оси в жидкокристаллическом образце, как и в твердом кристалле, можно определить при наблюдении в микроскопе в сходящемся свете.

Ориентированные слои жидкокристаллических холестериков, нематиков и смектиков А оптически одноосны, т. е. для жидких кристаллов характерно только одно направление, в котором свет проходит с одинаковой скоростью независимо от состояния поляризации. В смектиках С имеются два таких направления, они двуосны. Двуосное состояние можно получить деформацией холестерических и нематических жидких кристаллов.

Двулучепреломление нематиков монотонно убывает с ростом температуры и резко падает до нуля в точке фазового перехода в изотропную жидкость. Коэффициент преломления для необыкновенного луча п_е резко уменьшается с ростом температуры, а коэффициент преломления обыкновенного луча n₀ медленно растет.

Электрический ток и магнитное поле

... электрический ток. Магнитное поле. Объяснение этого явления возможно с позиции возникновения вокруг проводников особого вида материи - магнитного поля. Силы, с которыми взаимодействуют проводники с током, называются магнитными. Магнитное поле - это особый вид материи, специфической особенностью которой является действие на движущийся электрический заряд, проводники с током, ...

Показано, что термическая зависимость двулучепреломления нематиков определяется дисперсионными силами и силами отталкивания. Замечательными оптическими свойствами обладают системы типа «закрученный нематик». Такую систему получают следующим образом: жидкий кристалл помещают между двумя стеклянными пластинами, поверхности которых обработаны таким образом, чтобы слой нематика ориентировался планарно, и пластины закручивают относительно друг друга на 90°. В результате поворота пластин оптическая ось нематика деформируется (как показано на рисунке).

Слой закрученного нематика в параллельных поляроидах дает темное поле зрения, поскольку направление поляризации света, проходящего через слой кристалла, поворачивается на п/2. Более тщательный эксперимент Гука и Тарри показал, что свет, проходящий через слой закрученного нематика, поляризован по эллипсу — поле зрения затемнено не полностью.

Поскольку слой закрученного нематика подобен слою холестерина с относительно большим шагом, Гук и Тарри использовали метод Аззама и Башара и получили следующее выражение для интенсивности I света, прошедшего через закрученный нематик:

где I ₀ — интенсивность падающего света; d — толщина образца; — длина волны. Анализ полученных данных показывает, что полное гашение характерно только для некоторых длин волн. Для больших значений х эллиптичностью света можно пренебречь и считать, что направление поляризации света повернуто на 90° независимо от длины волны. Смектические жидкие кристаллы типа А, молекулы в которых выстроены перпендикулярно смектическим плоскостям, оптически одноосны. Кристаллы смектические типа С, для которых характерна ориентация молекул наклонно к плоскости слоев, оптически двуосны, По мнению некоторых авторов, оптическая двуосность смектиков типа С вызвана анизотропией параметра порядка и их «елочной» структурой. Наиболее интересные оптические свойства имеют холестеричеекие жидкие кристаллы. Холестерики, в отличие от нематиков и смектиков, оптически отрицательны (п_е — n₀ <0).

Они одноосны. Их замечательными оптическими свойствами, которые характерны для твердых кристаллов в диапазоне рентгеновского излучения, являются очень сильная (большая, чем для всех известных веществ) способность вращать плоскость поляризации, и селективное отражение света. Эти исключительные_ свойства жидких кристаллов холестерического типа — следствие их спиральной структуры и того, что длина шага холестерической спирали сравнима с длиной волны видимого света. Распространение света в холестерических жидких кристаллов изучалось многими авторами как теоретически, так и экспериментально. Теория Озеена и де Ври хорошо обьясняет оптические свойства холестериков для случая, когда направление света перпендикулярно ориентированным слоям.

Электромагнитные поля и излучения, их влияние на организм человека

... данном реферате необходимо: отразить виды ЭМП и излучений; влияние ЭМП и излучений на здоровье человека; указать средства защиты от электромагнитных излучений; привести примеры приборов домашнего использования уровни и нормы их электромагнитного излучения. 1. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПОЛЯ И ИЗЛУЧЕНИЯ ...

3.3 Эффект памяти

Состояние помутнения, вызванное наличием ионного тока в жидком кристалле (явление динамического рассеяния света) исчезает примерночерез 100 мс после снятия поля. Хейльмейер и Голдмахер заметили, что смеси нематиков с отрицательной диэлектрической анизотропией с несколькими массовыми долями эфиров холестерина сохраняют состояние помутнения достаточно долго после снятия поля. Время, в течение которого образец рассеивает свет, колеблется от нескольких часов до нескольких недель. Очень важным является то обстоятельство, что состояние молочного помутнения тонкого слоя можно легко и быстро погасить, приложив к образцу переменное напряжение с частотой от 500 до 2000 Гц.

эффектом памяти.

3.4 Диамагнитные свойства

Магнитное поле является превосходным средством ориентации молекул нематической структуры. Его действие сказывается непосредственно почти на всем пространстве, занятом полем. Молекулы органических веществ чаще всего диамагнитны. Возникающий в них в магнитном поле H магнитный момент направлен противоположно H . Этот эффект особенно заметен у ароматических соединений, содержащих бензольные кольца. Если плоскость кольца перпендикулярна направлению магнитного поля, то атомы углерода, расположенные в вершинах шестиугольника, ведут себя подобно проводящему витку, в котором под действием поля Н индуцируется противодействующий ток.

Остановимся на некоторых явлениях в жидких кристаллах в постоянном магнитном поле.

Бозе рассматривал нематическую фазу, состоящую из большого числа групп молекул, вследствие чего в объеме она выглядела мутной. Он показал, что анизальдазин в магнитном поле становится прозрачным. Моген, наблюдая двойное лучепреломление в n-азоксианизоле и n-азоксифенетоле, установил, что действие магнитного поля достаточной напряженности вызывает ориентацию молекул, в результате чего их оси приобретают направление, параллельное силовым линиям поля. Учитывая эти результаты при изучении изменения e и проводимости в магнитном поле. Каст обнаружил диэлектрическую анизотропию в жидких кристаллах и зависимость диэлектрической проницаемости n-асксианизола от напряженности магнитного поля.

Дальнейшее развитие работ привело к выводу, что ориентирующее воздействие магнитного поля на мезофазу следует искать не в магнитных моментах молекул (или их роев), а в анизотропии их диамагнитных свойств.

Фуа обратил внимание на сходство поведения жидких кристаллов в магнитном поле с поведением ферромагнетиков при намагничивании и предположил, что аналогично доменам в ферромагнетиках в жидких кристаллах существуют очень маленькие элементы объема, в пределах которых молекулы параллельны между собой. В отсутствие внешнего поля направление этих элементов объема произвольно и для каждого элемента является функцией времени. При наложении магнитного поля происходит их ориентация. Следует, однако, отметить, что, несмотря на пользу приведенной аналогии, имеющихся экспериментальных данных недостаточно для суждения о том, происходит ли ориентация молекул внутри самих групп — доменов. Что касается групп, то с увеличением температуры их взаимная ориентация уменьшается, поэтому коэффициент намагничивания возрастает по абсолютной величине. Экспериментальные данные показали, что смектические и холестерические жидкие кристаллы для полной ориентации требуют больших полей (10 ⁴ — 3*10⁴ гс). Некоторые из таких веществ сохраняют вызванную ориентацию и после удаления поля, что связано с большой вязкостью, способствующей сохранению молекулярного порядка.

Вскрытие и подготовка шахтного поля

... следует считать задачу выбора рациональных схем, способов вскрытия и подготовки шахтного поля. Вместе с тем принимаемые технические решения должны ... под наносы. 1.3 Неблагоприятные факторы Гидрогеологические условия шахтного поля различны. Hа поле шахты можно выделить два водоносных комплекса: 1. ... (Vг) изменяется от 12 до 24%, толщина пластического слоя (У) изменяется от 0 до 15мм. Зольность (Аd) ...

Подводя некоторые итоги, можно указать существенные различия между диэлектрическими свойствами нематических жидких кристаллов, с одной стороны, и диамагнитными и оптическими — с другой. Они сводятся к

Как диамагнитная, так и оптическая анизотропия у всех нематических жидких кристаллов положительна в соответствии с тем, что и в электрическом и в магнитном полях поляризуемость молекулы вдоль ее длинной оси больше, чем вдоль короткой. Диэлектрическая анизотропия и молярные восприимчивости вдоль оси жидкого кристалла и перпендикулярно ей у различных кристаллов в диапазоне радиочастот могут быть как положительными, так и отрицательными.

Это различие объясняется тем, что в последних существенную роль играет дипольная поляризация мезофазы. Поэтому если оптическая и магнитная анизотропия зависит лишь от упорядоченности молекулярных осей, то диэлектрическая анизотропия в значительной мере определяется силами ориентационного взаимодействия молекул, препятствующими поворотам их жестких диполей в электрическом поле. При этом вращение диполя, по-видимому, должно быть более свободным, когда оно совершается вокруг длинной оси молекул, и более заторможенным при вращении вокруг короткой оси. Поэтому у тех жидких кристаллов, у которых диполь наклонен под большим углом к продольной оси, можно ожидать отрицательной диэлектрической анизотропии.

Несмотря на большое количество работ, до последнего времени остается открытым вопрос, воздействует ли поле непосредственно на отдельную молекулу или под влиянием вращающих сил в поле поворачиваются целые молекулярные группы.

В нематической мезофазе под действием магнитного поля может наблюдаться явление, аналогичное магнитному эффекту. Следует отметить, электрическое поле оказывает влияние и на рост жидких кристаллов, однако эти явления изучены мало.

5 Диэлектрические свойства

При наложении электрического или магнитного поля жидкий кристалл подвергается своеобразной упругой деформации. Деформация мезофазы в целом неоднородна, так как края жидкости прилегающие к стеклу и крепко сцепленные со стенками, деформации не подвергаются. Наиболее же удаленная от стенок сосуда часть мезофазы подвергается наибольшей деформации. Своеобразие ее состоит в том, что каждый отдельный элемент, например молекула, подвергается в первую очередь вращению, а уже затем, может быть, и перемещению, ускользающему от наблюдения, так как обычно оно проводится с помощью поляризованного света.

Исследование диэлектрических свойств жидких кристаллов позволяет обнаружить общие закономерности, обусловленные действием электрических полей. Однородно ориентированный препарат жидкого кристалла ведет себя как одноосный кристалл, в котором обнаруживается, за небольшим исключением, оптическая и диэлектрическая анизотропия. Для нематических и смектических фаз (кроме группы D смектической модификации) оптическая ось совпадает с преимущественным направлением молекулярных осей и одновременно является направлением максимальной поляризуемости.

В нематическом состоянии ориентированные жидкие кристаллы обладают диэлектрической анизотропией, которая является результатом наложения положительной поляризации смещения (вдоль длины молекулы) с отрицательной поляризацией ориентации (перпендикулярно оптической оси).

Величина диэлектрической анизотропии определяется формулой:

e=e||-e

где e||, e — диэлектрические постоянные в направлении оси: нематического порядка и в перпендикулярном к ней направлении. Знак диэлектрической анизотропии зависит от того, какая поляризация преобладает, что в свою очередь определяется величиной и направлением дипольного момента.

В нематической фазе межмолекулярные силы и форма молекул способствуют параллельному расположению молекул, при котором движение молекул в направлении их длины не затруднено, а всякие отклонения от параллельного перемещения вызывают сильное противодействие этих сил.

Однородно ориентированный жидкокристаллический слой, подобно одноосному кристаллу, обладает диэлектрической и оптической анизотропией. В нематическом и смектическом состояниях направление оптической оси совпадает с преимущественным направлением осей молекул и одновременно с направлением наибольшей поляризуемости. Поэтому луч света, электрический вектор Е которого колеблется параллельно оптической оси, преломляется сильнее, чем луч с колебаниями Е, перпендикулярными оптической оси. Если = п_е — п₀ > 0, где п_е и п₀ — показатели преломления необыкновенного и обыкновенного лучей соответственно, то наблюдается положительное двулучепреломление. У холестерических жидких кристаллов оптическая ось расположена перпендикулярно преимущественному направлению осей молекул, поэтому < 0, т. е. в этом случае имеется отрицательное двулучепреломление.

Преломление или двулучепреломление света связано с плотностью вещества и степенью параллельного расположения молекул S, которая определяется выражением:

где φ — угол отклонения продольной оси молекулы от направления преимущественной ориентации при тепловых вращательных колебаниях ее вблизи этого направления, — величина, полученная усреднением по всем ориентациям молекул. Степень порядка S сильно изменяется с температурой в нематической фазе, по-видимому, слабее в холестерической и еще менее в смектической. Поэтому температурная зависимость коэффициента преломления или двулучепреломления в нематическом состоянии сильнее, чем в смектическом, в котором более существенное влияние оказывает изменение плотности.

Обе величины — e|| и e — обнаруживают характерную дисперсию. Она обусловлена установлением равновесного положения относительно продольной оси вращающегося вектора поперечного момента азоксигруппы, которая сильно связана с молекулой, а также относительно двойной связи средней части внутримолекулярного вращающегося момента алкоксигруппы. Время релаксации как в нематической, так и в изотропной фазе оказывается порядка 10^-11 сек. Напротив, установление продольного момента азоксигруппы, благодаря вращению вокруг поперечной оси в нематическом состоянии, сильно затруднено. Время релаксации приблизительно равно 10^-8 сек.

ом ^-1 *см^-1 .

6 Акустооптические свойства

Развитие акустической кристаллографии жидкокристаллического состояния только начато. Дальнейший предмет этой науки — связь таких явлений , как распространение и поглощение упругих волн в широком спектре механических колебаний — от инфразвуковых до гиперзвуковых, с микроскопическими взаимодействиями составляющих жидкий кристалл частиц и происходящими в нем кинетическими процессами.

Своеобразные явления в поле упругой волны обусловлены подвижностью молекул и анизотропией жидких кристаллов. Основой многих экспериментальных исследований является ячейка, содержащая тонкий слой жидкого кристалла между двумя параллельными прозрачными пластинками, помещенными между скрещенными поляроидами. Поверхности пластин часто обрабатываются так, что в отсутствие внешних воздействий молекулы образуют гомеотропный слой. Такой слой между скрещенными николями не пропускает света. При возбуждении колебаний различного типа в одной из пластин в слое создается вязкая волна. Градиент скорости в вязкой волне приводит к повороту молекул слоя, в результате чего часть светового потока проходит через систему. Эффективность такого акусто- оптического устройства связана с тем, что ввиду малости длины вязкой волны градиенты, возникающие в слое, велики.

Камертон, приведенный в колебания, помещался на столик или на печь, где находился препарат. Под действием упругой волны в гомеотропном слое появляется интерференционная картина из двух пересекающихся прямых, а также двух гипербол, вид которой зависит от точки приложения камертона и степени его нажима на столик. Интервал частот, в котором наблюдается интерференция,- от 200 до 600 Гц. Наиболее резкая фигура видна при 300Гц.

Вращение николя изменяет интерференционную фигуру, и она может быть сфотографирована. Поворот николей на 90 ⁰ приводит к первоначальному виду.

Образование интерференционной фигуры является результатом изменения направления оптических осей молекул. Сама фигура позволяет судить о направлении, вдоль которого совершаются колебания. В том месте, где видны темные линии, направление колебаний оптических осей молекул перпендикулярно или параллельно направлению плоскости поляризации.

Акустооптические явления наблюдаются при деформации сжатия, кручении и сдвиге. Эффект просветления слоя особенно хорошо заметен у границ пузырьков воздуха, случайно сохранившихся в тонком слое. Деформация слоя является упругой. Время возвращения слоя к исходному состоянию зависит от величины внешней приложенной силы. При слабом сжатии время релаксации очень мало и для глаза процесс восстановления слоя протекает практически мгновенно. При сильном — процесс требует несколько секунд. Время восстановления слоя зависит от вязкости нематической фазы и от толщины релаксирующего слоя. В отсутствие герметизации слоя оптический эффект наблюдается только при изменении внешнего давления от P до P+ P. Постоянное давление даже в случае, когда оно весьма значительно, вызывает просветление слоя лишь при начальном толчке, после чего слой возвращается к исходному состоянию. В герметизированной ячейке действию постоянного давления соответствует определенная деформация слоя, которой отвечает эффект двулучепреломления.

Имеет место цветовой эффект: определенной величине механического импульса отвечает появление определенного цвета. Изменение упорядоченности частиц, вызываемое внешними силами, запаздывает относительно изменения внешнего давления, так как связано с перегруппировкой частиц или перераспределением их взаимной ориентации, т. е. процессами, требующими определенного времени.

Акустооптический эффект наблюдается во всем температурном интервале существования нематической фазы. В смектической фазе и в изотропном состоянии эффект отсутствует. Это связано с тем, что механические напряжения в тонком слое мезофазы вызывают потоки вещества, о существовании которых можно судить по поведению мелких посторонних частиц, которые в зависимости от величины внешней силы и собственных размеров смещаются на различные расстояния от начального положения. Этих течений достаточно, чтобы изменить направление осей молекул. В смектической мезофазе молекулы не только параллельны друг другу, но и располагаются своими концами в одной плоскости, образуя слои, которые легко скользят один по другому, поэтому потоки лишь смещают слои смектической фазы, направление же осей молекул сохраняется.

Акустооптический эффект нелинейно зависит от механического импульса и с повышением его величины растет, приближаясь к насыщению. В реальных условиях свет проходит через сложную жидкокристаллическую систему, степень упорядоченности которой зависит от температуры. Тепловое движение нарушает порядок в расположении молекул. Кроме того, с повышением температуры уменьшается вязкость жидкого кристалла. Поэтому с ростом температуры фотоупругий эффект ослабляется.

Изменение прозрачности слоя жидкого кристалла наблюдается при более высоких частотах и различных амплитудах акустического сигнала. Регистрируя световой поток по переменой составляющей поля, можно получить модуляцию светового потока.

4. Применение жидких кристаллов

Органические материалы все шире внедряются в современную микро- и оптоэлектронику. Достаточно упомянуть фото- и электронорезисты, применяемые в литографическом процессе, лазеры на органических красителях, полимерные сегнетоэлектрические пленки. Одним из классических примеров, подтверждающих указанную тенденцию, являются жидкие кристаллы.

Нематические жидкие кристаллы сегодня не имеют конкурентов среди других электрооптических мате риалов с точки зрения энергетических затрат на их ком мутацию. Оптическими свойствами жидкого кристалла можно управлять непосредственно с микросхем, используя мощность в диапазоне микроватт. Это — прямое следствие структурных особенностей жидких кристаллов.

В индикаторе часов, калькуляторов, электронных переводчиков или в жидкокристаллическом плоском телевизионном экране осуществляется один и тот же основной процесс. Благодаря большой анизотропии диэлектрической проницаемости довольно слабое электрическое поле создает заметный вращательный момент, действующий на директор (такой момент в изотропной жидкости не возникает).

Из-за малой вязкости этот момент приводит к переориентации директора (оптической оси), чего не случилось бы в твердом веществе. И наконец, этот поворот приводит к изменению оптических свойств жидкого кристалла (двулучепреломлению, дихроизму) благодаря анизотропии его оптических свойств. В тех случаях, когда информацию нужно запомнить, например, при записи ее лазерным лучом, используют специфические вязкоупругие свойства смектической фазы А. Для оптоэлектронных устройств с памятью, весьма перспективны также и жидкокристаллические полимеры.

Высокая чувствительность шага спиральной структуры холестерических жидких кристаллов к температуре используется в медицинской диагностике. Белый свет, дифрагируя на этой структуре, разлагается в спектр, и по радужным цветам можно определить локальные изменения температуры поверхности тела, Этот же метод используется в технике неразрушающего контроля поверхности различных нагревающихся предметов. Таким образом, здесь используются особенности модулированной (спиральной) структуры зеркально-асимметричной фазы жидких кристаллов.

Лиотропные фазы, представляющие собой растворы линейных жидкокристаллических полимеров, используются в технологии высокопрочных полномерных волокон. Вытяжка нити из упорядоченной фазы способствует увеличению ее прочности. Другим примером применения жидкокристаллических фаз в химической технологии является получение высококачественного кокса из тяжелых нефтяных фракций. В обоих случаях решающую роль играют особенности структурного упорядочения молекул, линейных в первом и дискообразных — во втором примере.

Особо следует подчеркнуть возможности создания анизотропных оптических элементов, а также пиро-, пьезодатчиков и нелинейно-оптических материалов на основе гребнеобразных жидкокристаллических полимеров, сочетающих в себе структурную организацию жидких кристаллов (в том числе и спонтанную поляризацию) и механические свойства полимерных материалов.

Жидкокристаллические телевизоры

Создание телевизоров с жидкокристаллическими экранами стало новой исторической вехой применения жидких кристаллов (LCD).

Телевизоры этого типа становятся доступнее для покупателей, потому что происходит регулярно снижение цен, из-за совершенствования технологий производства.

Экран LCD — это экран просветного типа, то есть экран, который подсвечивается с обратной стороны лампой белого цвета, а ячейки основных цветов (RGB — красный, зеленый, синий), расположенные на трех панелях соответствующих цветов, пропускают или не пропускают через себя свет в зависимости от приложенного напряжения. Именно поэтому происходит определенное запаздывание картинки (время отклика), особенно заметное при просмотре быстродвижущихся объектов. Время отклика в современных моделях разнится от 15 мс до 40 мс и зависит от типа и размера матрицы. Чем меньше это время, тем быстрее меняется изображение, нет явлений шлейфа и наложения картинок.

Время работы лампы для большинства LCD-панелей почти на начальной яркости — 60 000 часов (этого хватит примерно на 16 лет при просмотре телевизора по 10 часов в день).

Для сравнения: у плазменных телевизоров яркость за то же время уменьшается гораздо сильнее, а для кинескопных телевизоров (выгорает люминофор) порог — 15000-20 000 часов (приблизительно 5 лет), потом качество заметно ухудшается.

Каждый пиксель ЖК-дисплея состоит из слоя молекул между двумя прозрачными электродами, и двух поляризационных фильтров, плоскости поляризации которых (как правило) перпендикулярны. В отсутствие жидких кристаллов свет, пропускаемый первым фильтром, практически полностью блокируется вторым. Поверхность электродов, контактирующая с жидкими кристаллами, специально обработана для изначальной ориентации молекул в одном направлении.

В TN-матрице эти направления взаимно перпендикулярны, поэтому молекулы в отсутствие напряжения выстраиваются в винтовую структуру. Эта структура преломляет свет таким образом, что до второго фильтра плоскость его поляризации поворачивается и через него свет проходит уже без потерь. Если не считать поглощения первым фильтром половины неполяризованного света, ячейку можно считать прозрачной. Если же к электродам приложено напряжение, то молекулы стремятся выстроиться в направлении электрического поля, что искажает винтовую структуру. При этом силы упругости противодействуют этому, и при отключении напряжения молекулы возвращаются в исходное положение. При достаточной величине поля практически все молекулы становятся параллельны, что приводит к непрозрачности структуры. Варьируя напряжение, можно управлять степенью прозрачности.

Во всей матрице можно управлять каждой из ячеек индивидуально, но при увеличении их количества это становится трудновыполнимо, так как растёт число требуемых электродов. Поэтому практически везде применяется адресация по

Проходящий через ячейки свет может быть естественным — отражённым от подложки (в ЖК-дисплеях без подсветки).

Но чаще применяют искусственный источник света, кроме независимости от внешнего освещения это также стабилизирует свойства полученного изображения.

Таким образом, полноценный ЖК-монитор состоит из электроники, обрабатывающей входной видеосигнал, ЖК-матрицы, модуля подсветки, блока питания и корпуса. Именно совокупность этих составляющих определяет свойства монитора в целом, хотя некоторые характеристики важнее других.

Важнейшие характеристики ЖК-мониторов :

Разрешение, Размер точки, Соотношение сторон экрана, Видимая диагональ, Контрастность, Время отклика, Угол обзора

Недостатки жидкокристаллических экранов : наличие неработающих пикселей. Неработающие пиксели — пиксели, которые постоянно включены в каком-то одном состоянии и не меняют свой цвет в зависимости от сигнала. В отличие от ЭЛТ, могут отображать чёткое изображение лишь в одном («штатном») разрешении. Остальные достигаются интерполяцией с потерей чёткости. Причем слишком низкие разрешения (например 320×200) вообще не могут быть отображены на многих мониторах. Цветовой охват и точность цветопередачи ниже, чем у плазменных панелей и ЭЛТ соответственно. На многих мониторах есть неустранимая неравномерность передачи яркости (полосы в градиентах).

Многие из ЖК-мониторов имеют сравнительно малый контраст и глубину чёрного цвета. Повышение фактического контраста часто связано с простым усилением яркости подсветки, вплоть до некомфортных значений. Широко применяемое глянцевое покрытие матрицы влияет лишь на субъективную контрастность в условиях внешнего освещения. Из-за жёстких требований к постоянной толщине матриц существует проблема неравномерности однородного цвета (неравномерность подсветки).

Фактическая скорость смены изображения также остаётся ниже, чем у ЭЛТ и плазменных дисплеев.

Зависимость контраста от угла обзора до сих пор остаётся существенным минусом технологии.

Массово производимые ЖК-мониторы плохо защищены от повреждений. Особенно чувствительна матрица, незащищённая стеклом. При сильном нажатии возможна необратимая деградация.

Дисплеи на жидких кристаллах

Известно, какой популярностью пользовались различные электронные игры, обычно устанавливаемые в комнате аттракционов в местах общественного отдыха или фойе кинотеатров. Успехи в разработке матричных жидкокристаллических дисплеев сделали возможным создание и массовое производство подобных игр в миниатюрном, так сказать, карманном исполнении.

Первой такой игрой в России стала игра «Ну, погоди!», освоена отечественной промышленностью. Габариты этой игры, как у записной книжки, а основным ее элементом является жидкокристаллический матричный дисплей, на котором высвечиваются изображения волка, зайца, кур и катящихся по желобам яичек. Задача играющего, нажимая кнопки управления, заставить волка, перемещаясь от желоба к желобу, ловить скатывающиеся с желобов яички в корзину, чтобы не дать им упасть на землю и разбиться. Здесь же отметим, что, помимо развлекательного назначения, эта игрушка выполняет роль часов и будильника, т. е. в другом режиме работы на дисплее «высвечивается» время и может подаваться звуковой сигнал в требуемый момент времени.

В основе любого ЖК-дисплея лежит конструктивный принцип. Основой для последующих слоев ЖКИ являются две параллельные стеклянные пластины с нанесенными на них поляризационными пленками. Различают верхний и нижний поляризаторы, сориентированные перпендикулярно друг другу. На стеклянные пластины в тех местах, где в дальнейшем будет формироваться изображение, наносится прозрачная металлическая окисная пленка, которая в дальнейшем служит электродами. На внутреннюю поверхность стекол и электроды наносятся полимерные выравнивающие слои, которые затем полируются, что способствует появлению на их поверхности, соприкасающейся с ЖК, микроскопических продольных канавок. Пространство между выравнивающими слоями заполняют ЖК веществом. В результате молекулы ЖК выстраиваются в направлении полировки выравнивающего слоя.

Направления полировки верхнего и нижнего выравнивающих слоев перпендикулярны (подобно ориентации поляризаторов).

Это нужно для предварительного «скручивания» слоев молекул ЖК на 90° между стеклами. Когда напряжение на управляющие электроды не подано, поток света, пройдя через нижний поляризатор, двигается через слои жидких кристаллов, которые плавно меняют его поляризацию, поворачивая её на угол 90°. В результате поток света после выхода из ЖК материала беспрепятственно проходит через верхний поляризатор (сориентированный перпендикулярно нижнему) и попадает к наблюдателю. Никакого формирования изображения не происходит. При подаче напряжения на электроды между ними создается электрическое поле, что вызывает переориентацию молекул ЖК. Молекулы стремятся выстроиться вдоль силовых линий поля в направлении от одного электрода к другому. Вследствие этого пропадает эффект «скручивания» поляризованного света, под электродом возникает область тени, повторяющая его контуры. Создается изображение, формируемое светлой фоновой областью и темной областью под включенным электродом. Путем варьирования контуров площади, занимаемой электродом, можно формировать самые различные изображения: буквы, цифры, иконки и пр. Так создаются символьные ЖКИ. А при создании массива электродов (ортогональной матрицы) можно получить графический ЖКИ с разрешением, определяемым количеством задействованных электродов.

Требования к матричному дисплею, используемому в качестве экрана телевизора, оказываются значительно выше как по быстродействию, так и по числу элементов, чем в электронной игрушке и словаре-переводчике. Это станет понятным, если вспомнить, что в соответствии с телевизионным стандартом изображение на экране формируется из 625 строк (и приблизительно из такого же числа элементов состоит каждая строка), а время записи одного кадра 40 мс. Поэтому практическая реализация телевизора с жидкокристаллическим экраном оказывается более трудной задачей. Тем не менее, ученые и конструкторы добились налицо грандиозных успехов в техническом решении и этой задачи. Так, японская фирма «Сони» наладила производство миниатюрного, умещающегося практически на ладони телевизора с цветным изображением и размером экрана 3,6 см.

Заключение

О существовании жидких кристаллов стало известно сравнительно давно, однако многие эксперименты, которые можно было провести тридцать лет назад, проведены только сейчас. Важность их потенциальных приложений к термографии и электрооптическим дисплеям была понята лишь десять лет назад. Исследования последних лет показали, что структура жидкого кристалла чрезвычайно подвижна, лабильна: достаточно небольших внешних воздействий, чтобы она изменилась, а это сразу же приводит к изменению макроскопических свойств вещества. Следовательно, жидкие кристаллы являются уникальным материалом, свойства которого можно изменять, используя управляющие воздействия.

Жидкие кристаллы прибрели огромную роль в науке и технике. Большой интерес жидкие кристаллы представляют для радиоэлектроники и оптоэлектроники. Сейчас налажен промышленный выпуск жидкокристаллических индикаторов для часов, миникалькуляторов и т. д. Отличительной их особенностью является чрезвычайно малая потребляемая мощность, низкие управляющие напряжения, что позволяет сочетать индикаторы с миниатюрными электронными устройствами, облегчая возможность применения миниатюрных источников питания с длительным сроком их работы.

Список литературы

[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/kursovaya/fizika-v-promyishlennosti/

жидкий кристалл оптический диэлектрический

1. А.П. Капустин Электрооптические и акустические свойства жидких кристаллов. -М.: Наука, 1973.

— А. Адамчик, З. Стругальский Жидкие кристаллы -М.: Советское радио, 1979.

— Л.М. Блинов, С.А.Пикин Жидкокристаллическое состояние вещества. -М.: Знание, 1986.

4. Де Жен П. Физика жидких кристаллов. — Пер. с англ. под ред. А.Ф.Сонина. — М.: Мир, 1977.

— Пикин С.А., Блинов Л.М. Жидкие кристаллы. — М.: Наука, 1982.