Introduction To Liquid Crystals

Die Studie von Flüssigkristallen begann im Jahr 1888, als ein österreichischer Botaniker Friedrich Reinitzer genannt beobachtet, dass ein Material als Cholesterylbenzoat bekannt hatte zwei unterschiedliche Schmelzpunkte. In seinen Experimenten erhöhte Reinitzer die Temperatur einer festen Probe und beobachtete, wie die Kristallveränderung in eine trübe Flüssigkeit. Da er die Temperatur weiter erhöht wird, verändert das Material wieder in eine klare, transparente Flüssigkeit. die Flüssigkristallphase - Aufgrund dieser frühen Arbeit wird Reinitzer oft mit der Entdeckung einer neuen Phase der Materie gutgeschrieben.

Flüssigkristallmaterialien sind einzigartig in ihren Eigenschaften und Verwendungen. Da die Forschung in diesem Bereich weiter und neue Anwendungen entwickelt werden, Flüssigkristalle wird eine wichtige Rolle in der modernen Technologie spielen. Dieses Tutorial bietet eine Einführung in die Wissenschaft und Anwendungen dieser Materialien.

Was sind Flüssigkristalle?
Flüssigkristallmaterialien haben in der Regel mehrere gemeinsame Merkmale. Unter diesen sind eine stabförmige Molekülstruktur, rigidness die langen Achse und eine starke Dipole und / oder leicht polarisierbaren Substituenten.

Das unterscheidende Merkmal des flüssigkristallinen Zustandes ist die Neigung der Moleküle (Mesogene) eine gemeinsame Achse Punkt entlang, genannt der Regisseur. Dies steht im Gegensatz zu Molekülen in der flüssigen Phase, die keine innere Ordnung. Im festen Zustand sind Moleküle hoch geordnete und haben wenig translatorische Freiheit. Die charakteristische Orientierungsordnung des Flüssigkristallzustandes zwischen den traditionellen festen und flüssigen Phasen und das ist der Ursprung des Begriffs mesogene Zustandes, synonym mit Flüssigkristallzustand. Man beachte die durchschnittliche Ausrichtung der Moleküle für jede Phase in dem folgende Diagramm.

 

 

Es ist manchmal schwierig, zu bestimmen, ob ein Material in einem Kristall- oder Flüssigkristallzustand befindet. Kristalline Materialien zeigen hohe Reichweite periodische Reihenfolge, in drei Dimensionen. Per Definition hat eine isotrope Flüssigkeit keine Ordnung schaffen. Substanzen, die nicht wie bestellt als ein Feststoff sind, noch eine gewisse Ausrichtung haben richtig Flüssigkristalle genannt.

Quantitativ zu bestimmen, wie viel, um in einem Material vorhanden ist, wird ein Ordnungsparameter (S) definiert ist. Traditionell wird der Ordnungsparameter wie folgt angegeben:

 

S = (1/2) <3cos 2q-1>
 

wobei Theta der Winkel zwischen dem Direktor und der langen Achse jeden Moleküls. Die Klammern bezeichnen einen Mittelwert über alle Moleküle in der Probe. In einer isotropen Flüssigkeit, ist der Mittelwert der Cosinustermen Null, und deshalb ist der Ordnungsparameter gleich Null. Für einen perfekten Kristall, wertet der Ordnungsparameter zu eins. Typische Werte für den Ordnungsparameter eines Flüssigkristallbereiches zwischen 0,3 und 0,9, wobei dem genauen Wert einer Funktion der Temperatur, als Ergebnis der kinetischen Molekularbewegung. Dies wird unten veranschaulicht für ein nematisches Flüssigkristallmaterial (im nächsten Abschnitt erörtert).

Die Neigung der Flüssigkristallmoleküle entlang des Direktors zu Punkt führt zu einem Zustand , wie Anisotropie bekannt. Dieser Begriff bedeutet , dass die Eigenschaften eines Materials von der Richtung abhängen , in der sie gemessen werden. Beispielsweise ist es einfacher , ein Stück Holz als gegen sie entlang der Maserung zu schneiden. Die anisotrope Natur der Flüssigkristalle ist verantwortlich für die einzigartigen optischen von Wissenschaftlern und Ingenieuren in einer Vielzahl von Anwendungen genutzt Eigenschaften.
Charakterisieren Liquid Crystals

Folgende Parameter beschreiben das flüssigkristalline Struktur:
- Positionsordnung
- Orientierungsordnung
- Bond Orientierungsordnung
beschreibt Jeder dieser Parameter das Ausmaß , in dem die Flüssigkristallprobe angeordnet wird. Positional Reihenfolge bezieht sich auf das Ausmaß , in dem eine durchschnittliche Molekül oder eine Gruppe von Molekülen zeigt Translationssymmetrie (als kristallines Material zeigt). Orientierungsordnung, wie oben diskutiert, stellt ein Maß für die Tendenz der Moleküle entlang des Direktors auf einer Langstrecken - Basis auszurichten. Bond Orientierungsordnung beschreibt eine Linie ohne die Zentren der nächsten Nachbarmolekülen verbinden entlang dieser Linie einen regelmäßigen Abstand zu erfordern. Somit ist eine relativ weitreichende Ordnung in Bezug auf die Linie der Mittel aber nur kurze Reichweite Positionsordnung entlang dieser Linie. (Siehe die Diskussion über hexatic Phasen in einem Text wie Chandrasekhar, Liquid Crystals)

Die meisten Flüssigkristallverbindungen zeigen Polymorphismus oder einen Zustand, in dem mehr als eine Phase in dem flüssigkristallinen Zustand beobachtet wird. Der Begriff Mesophase wird verwendet, um die „Subphasen“ von Flüssigkristallmaterialien zu beschreiben. Mesophasen werden durch Ändern der Menge der Reihenfolge, in der Probe gebildet wird, entweder durch, um nur in einer oder zwei Dimensionen zur Einführung oder durch die Moleküle ermöglicht einen Grad der Translationsbewegung zu haben. Der folgende Abschnitt beschreibt die Mesophasen der Flüssigkristalle im Detail.

Flüssigkristallphasen

Der Flüssigkristallzustand ist eine getrennte Phase von Materie zwischen dem kristallinen (fest) und isotropen (flüssigen) Zustand beobachtet. Es gibt viele Arten von Flüssigkristallzuständen in Abhängigkeit von der Menge des Auftrages im Material. In diesem Abschnitt wird das Phasenverhalten von Flüssigkristallmaterialien erklären.

Nematische Phasen
Die nematische Flüssigkristallphase wird durch Moleküle gekennzeichnet , die keine Positionsordnung haben , aber dazu neigen , in die gleiche Richtung weisen (entlang der Leitung). In dem folgenden Diagramm, feststellen , dass die Moleküle weisen vertikal , sondern sind mit keiner bestimmten Reihenfolge angeordnet sind .

 

 

 

Flüssigkristalle sind anisotrope Materialien, und die physikalischen Eigenschaften des Systems variieren mit der durchschnittlichen Ausrichtung mit dem Regisseur. Wenn die Ausrichtung groß ist, ist das Material sehr anisotrop. Und falls die Ausrichtung klein ist, ist das Material fast isotrop.
Der Phasenübergang eines nematischen Flüssigkristalls wird in dem folgenden Film von Dr. Mary Neubert, LCI-KSU vorgesehen demonstriert. Die nematische Phase als marmorierte Textur gesehen. Beobachten , wenn die Temperatur des Materials erhöht wird, um einen Übergang zu der schwarzen, isotropen Flüssigkeit verursacht.

Eine spezielle Klasse von nematischen Flüssigkristalle chirale nematische genannt. Chiral bezieht sich auf die einzigartige Fähigkeit, selektiv eine Komponente von zirkular polarisiertem Licht zu reflektieren. Der Begriff chirale nematische wird austauschbar mit cholesterischen verwendet. Lesen Sie den Abschnitt auf cholesterischen Flüssigkristallen für weitere Informationen zu dieser Mesophase.

Smektische Phasen
Das Wort „smektische“ stammt von dem griechischen Wort für Seife abgeleitet. Dieser scheinbar mehrdeutige Ursprung wird durch die Tatsache erklärt , dass die dicke, schlüpfrige Substanz häufig am Boden einer Seifenschale gefunden ist tatsächlich eine Art von smektischen Flüssigkristalls.
Der smektischen Zustand ist eine weitere deutliche Mesophase von Flüssigkristallsubstanzen. Moleküle in dieser Phase zeigen einen Grad der Translationsordnung nicht in den nematischen. In dem smektischen Zustand halten die Moleküle , die die allgemeine Orientierungsordnung von nematischen Phasen, sondern neigen auch dazu , sich in Schichten oder Ebenen auszurichten. Die Bewegung wird innerhalb dieser Ebenen beschränkt, und getrennten Ebenen beobachtet aneinander vorbei zu fließen. Die erhöhte Ordnung bedeutet , daß der smektischen Zustand mehr „solid-like“ als der nematisch ist.

 

 

 

Bild von der smektischen Phase Photo der smektischen Phase (unter Verwendung von Polarisationsmikroskop)
Viele Verbindungen beobachtet werden , mehr als einen Typ einer smektischen Phase zu bilden. So viele wie 12 dieser Varianten identifiziert wurden, jedoch nur die verschiedenen Phasen werden hier diskutiert.
In der smektischen A-Mesophase, ist der Direktor senkrecht zur smektischen Ebene, und es gibt keine besondere Positionsreihenfolge in der Schicht. In ähnlicher Weise ausrichtet , die smektische Mesophase-B mit dem Direktor senkrecht zur smektischen Ebene, aber die Moleküle in ein Netzwerk von Hexagonen innerhalb der Schicht angeordnet ist . In der smektischen C-Mesophase sind Moleküle , wie in der smektischen A - Mesophase angeordnet, aber der Leiter ist mit einem konstanten Neigungswinkel gemessen normal zu der smektischen Ebene.
Wie in der nematischen weist die smektischen C-Mesophase mit einem chiralen Zustand bezeichnet C *. In Übereinstimmung mit dem smektisch-C, macht der Regisseur einen Neigungswinkel in Bezug auf die smektische Schicht. Der Unterschied besteht darin , dass dieser Winkel von der Schicht dreht , um eine Helix zu Schicht bildet. Mit anderen Worten, ist der Direktor der smektischen C-Mesophase * nicht parallel oder senkrecht zu den Schichten, und es dreht sich von einer Schicht zur nächsten. Beachten Sie die Verdrillung des Direktors, vertreten durch die grünen Pfeile, die in jeder Schicht in der folgenden Abbildung.
In einigen smektischen Mesophasen werden die Moleküle durch die verschiedenen Schichten über und unter ihnen betroffen. Daher wird eine kleine Menge von dreidimensionaler Ordnung beobachtet. Smektisch-G ist ein Beispiel dieser Art von Anordnung zeigt.

Cholesterischen Phasen
Die cholesterische (oder chiral nematischen) Flüssigkristallphase besteht typischerweise aus nematischen mesogenen Molekülen , die ein chirales Zentrum enthalten , die intermolekulare Kraft erzeugt , die die Ausrichtung zwischen den Molekülen in einem leichten Winkel zueinander begünstigen. Dies führt zur Bildung einer Struktur , die als ein Stapel von sehr dünnen 2-D nematischen artigen Schichten mit dem Leiter in jeder Schicht verdrillt mit Bezug auf jene , die oben und unten sichtbar gemacht werden kann. In dieser Struktur bilden die Direktoren tatsächlich in einem kontinuierlichen spiralförmigen Mustern um die Schichtnormale , wie durch den schwarzen Pfeil in der folgenden Abbildung dargestellt und Animation. Der schwarze Pfeil in der Animation darstellt Direktororientierung in der Aufeinanderfolge von Schichten entlang des Stapels.

 

Die Moleküle , dargestellt sind lediglich Darstellungen von vielen chiralen nematischen Mesogene in den Brammen infinitesimalen Dicke mit einer Verteilung der Orientierung um den Direktor liegt. Dies ist nicht werden , um mit der planaren Anordnung in smektischen Mesophasen gefunden verwirrt.
Eine wichtige Eigenschaft der cholesterischen Mesophase ist die Tonhöhe. Die Tonhöhe, p, ist als der Abstand definiert , dauert es für den Direktor in eine volle Umdrehung der Helix zu drehen , wie in der obigen Animation dargestellt. Ein Nebenprodukt der helikalen Struktur der chiralen nematischen Phase, ist seine Fähigkeit , Licht mit Wellenlängen gleich die Teilungslänge , um selektiv zu reflektieren, so dass eine Farbe reflektiert wird , wenn der Abstand zu der entsprechenden Wellenlänge des Lichts im sichtbaren Spektrum entspricht. Die Wirkung beruht auf der Temperaturabhängigkeit der allmählichen Änderung der Direktororientierung zwischen aufeinanderfolgenden Schichten (oben dargestellt), die die Teilungslänge modifiziert , in einer Änderung der Wellenlänge des reflektierten Lichts resultierende entsprechend die Temperatur. Der Winkel , in dem die Direktor Änderungen größer gemacht werden, und so die Tonhöhe festziehen, indem die Temperatur der Moleküle zu erhöhen, damit sie mehr thermische Energie. In ähnlicher Weise erhöht sich die Temperatur der Moleküle Vermindern der Teilungslänge des chiral - nematischen Flüssigkristalls. Dies macht es möglich , ein Flüssigkristallthermometer zu bauen , die die Temperatur seiner Umgebung durch die reflektierte Farbe anzeigt. Mischungen verschiedenen Typen dieser Flüssigkristalle sind oft mit einer Vielzahl von Antworten auf einer Temperaturänderung zu schaffen Sensoren verwendet. Solche Sensoren sind für Thermometer oft in Form von wärmeempfindlichen Folien verwendet zu detektieren Fehlern in den Leiterplattenanschlüssen, Flüssigkeitsströmungsmuster, Zustand der Batterien, um das Vorhandensein von Strahlung, oder in Neuheiten wie „Stimmung“ Ringe.
Bei der Herstellung von Filmen, da auf einem schwarzen Hintergrund chiral nematische Flüssigkristalle direkt setzen zu einem Abbau führen würde und möglicherweise Kontamination sind die Kristalle mikroverkapselter in Teilchen mit sehr kleinen Abmessungen. Die Partikel werden dann mit einem Bindemittel behandelt , das nach dem Aushärten , um flach zu machen , die Mikrokapseln und produzieren die beste Ausrichtung für hellere Farben zusammenziehen wird. Eine Anwendung einer Klasse von chiralen nematischen Flüssigkristallen , die weniger temperaturempfindlich sind , ist es, Materialien zu schaffen , wie zum Beispiel Kleidung, Puppen, Tinten und Farben.
Die Wellenlänge des reflektierten Lichts kann auch durch Einstellen der chemischen Zusammensetzung gesteuert werden, da entweder der cholesterischen ausschließlich chirale Moleküle oder nematischer Moleküle mit einem chiralen Dotierungsmittel darin dispergiert bestehen kann. In diesem Fall wird die Dotierstoffkonzentration verwendet , um die Chiralität und die Tonhöhe zu ändern.

kolumnare Phasen

 

 

 

Säulenförmige Flüssigkristalle unterscheiden sich von den bisherigen Typen, weil sie wie Scheiben anstelle von langen Stangen geformt sind. Diese Mesophase ist durch gestapelte Spalten von Molekülen charakterisiert. Die Säulen werden zusammengepackt eine zweidimensionale kristalline Anordnung zu bilden. Die Anordnung der Moleküle innerhalb der Säulen und die Anordnung der Säulen selbst zu neuen Mesophasen führt.


Erstellungsdatum: Sep-21-2018
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