Introduction à cristaux liquides

L'étude des cristaux liquides a commencé en 1888 quand un botaniste autrichien nommé Friedrich Reinitzer observé qu'un matériau connu sous le nom benzoate de cholestéryle a deux points de fusion distincts. Dans ses expériences, Reinitzer a augmenté la température d'un échantillon solide et a observé le changement de cristal dans un liquide trouble. Comme il a augmenté la température en outre, le matériau modifié à nouveau en un liquide clair, transparent. En raison de ces premiers travaux, Reinitzer est souvent crédité de la découverte d'une nouvelle phase de la matière - la phase de cristaux liquides.

matériaux à cristaux liquides sont uniques dans leurs propriétés et utilisations. Comme la recherche dans ce domaine se poursuit et que de nouvelles applications sont développées, les cristaux liquides joueront un rôle important dans la technologie moderne. Ce tutoriel est une introduction à la science et les applications de ces matériaux.

Quels sont les cristaux liquides?
Matériaux à cristaux liquides ont généralement plusieurs caractéristiques communes. Parmi celles - ci une structure moléculaire semblable à une tige, la rigidité de l'axe long, et dipôles forts et / ou facilement substituants polarisables.

La caractéristique distinctive de l'état cristallin liquide est la tendance des molécules (mésogènes) jusqu'au point le long d'un axe commun, appelé le directeur. Ceci est en contraste avec les molécules dans la phase liquide, qui sont sans ordre intrinsèque. Dans l'état solide, les molécules sont très ordonnée et ont peu de liberté de la traduction. L'ordre d'orientation caractéristique de l'état de cristal liquide se trouve entre les phases solides et liquides classiques, ce qui est à l'origine du terme état mésogène, utilisé comme synonyme de l'état de cristal liquide. Notez l'alignement moyenne des molécules pour chaque phase dans le diagramme suivant.

 

 

Il est parfois difficile de déterminer si un matériau est dans un état de cristal cristal ou liquide. matériaux cristallins montrent longue portée pour périodique en trois dimensions. Par définition, un liquide isotrope n'a pas d'ordre orientationnel. Les substances qui ne sont pas aussi ordonnés en tant que solide, mais ont un certain degré d'alignement sont correctement appelés cristaux liquides.

Pour quantifier à quel point l'ordre est présent en une matière, un paramètre d'ordre (S) est défini. Traditionnellement, le paramètre d'ordre est donné comme suit:

 

S = (1/2) <3cos 2q-1>
 

où thêta est l'angle entre le directeur et l'axe long de chaque molécule. Les parenthèses indiquent une moyenne sur toutes les molécules dans l'échantillon. Dans un liquide isotrope, la moyenne des termes en cosinus est égal à zéro, et par conséquent le paramètre d'ordre est égal à zéro. Pour un cristal parfait, le paramètre d'ordre évalue à un. Des valeurs typiques pour le paramètre de commande d'une plage de cristal liquide comprise entre 0,3 et 0,9, avec la valeur exacte d'une fonction de la température, à la suite d'un mouvement cinétique moléculaire. Ceci est illustré ci-dessous pour un matériau de cristal liquide nématique (à examiner dans la section suivante).

La tendance des molécules de cristal liquide au point le long de l'administrateur conduit à une condition connue sous le nom anisotropie. Ce terme signifie que les propriétés d'un matériau dépendent de la direction dans laquelle ils sont mesurés. Par exemple, il est plus facile de couper un morceau de bois le long du grain que contre elle. La nature anisotrope des cristaux liquides est responsable des propriétés optiques uniques exploitées par des scientifiques et des ingénieurs dans une variété d'applications.
Cristaux liquides caractérisant

Les paramètres suivants décrivent la structure cristalline liquide:
- Positional Classement
- ordre orientationnel
- Bond orientationnel Classement
Chacun de ces paramètres décrit la mesure dans laquelle l'échantillon de cristal liquide est commandé. Afin de localisation représente la mesure dans laquelle une molécule moyenne ou un groupe de molécules montre symétrie de translation (comme le montre la matière cristalline). Ordre orientationnel, comme indiqué ci - dessus, représente une mesure de la tendance des molécules à aligner le long du directeur sur une base à long terme. Bond orientationnel arrêté décrit une ligne reliant les centres des molécules plus proches voisins sans nécessiter un espacement régulier le long de cette ligne. Ainsi, un ordre relativement longue portée par rapport à la ligne des centres , mais seulement à courte portée pour position le long de cette ligne. (Voir la discussion des phases hexatique dans un texte tel que Chandrasekhar, cristaux liquides)

La plupart polymorphisme composés à cristaux liquides d'exposition, ou une condition où plus d'une phase est observée dans l'état cristallin liquide. Le terme mésophase est utilisé pour décrire les « sous-phases » de matériaux à cristaux liquides. Mésophases sont formées en modifiant la quantité de commande dans l'échantillon, soit en imposant ordre dans seulement une ou deux dimensions, ou en permettant aux molécules d'avoir un degré de mouvement de translation. La section qui suit décrit les mésophases de cristaux liquides de manière plus détaillée.

Phases cristaux liquides

L'état cristallin liquide est une phase distincte de la matière observée entre les états cristallins (solide) et isotrope (liquide). Il existe de nombreux types d'états à cristaux liquides, en fonction de la quantité de l'ordre dans le matériau. Cette section explique le comportement de phase des matériaux à cristaux liquides.

Les phases nématiques
La phase de cristal liquide nématique est caractérisée par des molécules qui ont pas d' ordre de position , mais ont tendance à pointer dans la même direction ( le long de la directrice). Dans le schéma suivant, notez que les molécules font verticalement , mais sont disposées sans ordre particulier.

 

 

 

Les cristaux liquides sont des matériaux anisotropes, et les propriétés physiques du système varient en fonction de l'alignement avec le moyen directeur. Si l'alignement est grande, le matériau est très anisotrope. De même, si l'alignement est faible, le matériau est presque isotrope.
La transition de phase d'un cristal liquide nématique est démontré dans le film suivant fourni par le Dr. Mary Neubert, LCI-KSU. La phase nématique est considérée comme la texture marbrée. Lire la température du matériau est élevée, ce qui provoque une transition vers le noir, liquide isotrope.

Une classe spéciale de cristaux liquides nématiques est appelée nématique chiral. Chirale se réfère à la capacité unique de réfléchir sélectivement une composante de lumière polarisée circulairement. Le terme nématique chiral est utilisé de manière interchangeable avec cholestérique. Reportez-vous à la section sur les cristaux liquides cholestériques pour plus d'informations sur ce mésophase.

Phases smectiques
Le mot « smectique » est dérivé du mot grec pour le savon. Cette origine apparemment ambiguë est expliqué par le fait que la substance épaisse et glissante souvent trouvé au fond d'un porte-savon est en fait un type de cristal liquide smectique.
L'état smectique est un autre mésophase distinct de substances à cristaux liquides. Molécules dans cette phase montrent un degré d'ordre de traduction non présent dans le nématique. Dans l'état smectique, les molécules maintiennent l'ordre orientationnel général des nématiques, mais aussi ont tendance à s'aligner dans des couches ou des plans. Le mouvement est limité à l' intérieur de ces plans et des plans séparés sont observés à écouler au- delà de l'autre. L'ordre accru signifie que l'état smectique est plus « comme solide » que le nématique.

 

 

 

Image de la phase smectique Photo de la phase smectique ( en utilisant microscope polarisant) De
nombreux composés sont observés pour former plus d'un type de phase smectique. Autant que 12 de ces variations ont été identifiées, mais seules les phases les plus distinctes sont discutées ici.
Dans le smectique A-mésophase, le directeur est perpendiculaire au plan smectique, et il n'y a pas d' ordre de position particulière dans la couche. De même, la mésophase smectique-B oriente avec le directeur perpendiculaire au plan smectique, mais les molécules sont disposées en un réseau d'hexagones au sein de la couche. Dans la mésophase smectique-C, les molécules sont disposées comme dans l'smectique A-mésophase, mais le directeur est à un angle d'inclinaison constant mesurée normalement au plan smectique.
Comme dans le nématique, la mésophase smectique-C a un état chiral désigné C *. Conformément à la smectique-C, le directeur fait un angle d'inclinaison par rapport à la couche smectique. La différence est que cet angle tourne de couche en couche formant une hélice. En d' autres termes, le directeur de l'smectique C * mésophase est non parallèle ou perpendiculaire aux couches, et la fait pivoter d'une couche à l'autre. Notez la torsion du directeur, représenté par les flèches vertes, dans chaque couche dans le schéma suivant.
Dans certains mésophases smectiques, les molécules sont affectées par les différentes couches au- dessus et en dessous. Par conséquent, une petite quantité de trois dimensions ordre est observée. Smectique-G est un exemple illustrant ce type d'arrangement.

Les phases cholestériques
Le cholestérique (nématique ou chiral) Phase de cristaux liquides est typiquement composée de molécules nématiques mésogènes contenant un centre chiral qui produit des forces intermoléculaires qui favorisent l' alignement entre les molécules à un léger angle à l'autre. Cela conduit à la formation d'une structure qui peut être visualisée sous la forme d' un empilement de couches très minces nématiques de type 2-D avec le directeur dans chaque couche tordue par rapport à ceux ci - dessus et ci - dessous. Dans cette structure, les administrateurs forment en fait dans un motif hélicoïdal continu autour de la couche normale comme représenté par la flèche noire sur la figure et l' animation suivante. La flèche noire dans l'animation représente leur orientation dans la succession de couches le long de la pile.

 

Les molécules indiquées ne sont que des représentations des nombreux mésogènes chiraux nématiques se trouvant dans les dalles d'épaisseur infinitésimale avec une distribution d'orientation autour du directeur. Ce ne doit pas être confondu avec l'arrangement plan trouvé dans mésophases smectiques.
Une caractéristique importante de la mésophase cholestérique est le pas. Le pas, p, est défini comme étant la distance nécessaire pour que le directeur de tourner d' un tour complet dans l'hélice comme illustré dans l'animation ci - dessus. Un sous - produit de la structure hélicoïdale de la phase nématique chiral, est sa capacité à réfléchir sélectivement une lumière de longueurs d'onde égale à la longueur de pas, de telle sorte qu'une couleur sera reflétée lorsque le pas est égal à la longueur d' onde correspondante de la lumière dans le spectre visible. L'effet est basé sur la dépendance de la température de la modification progressive de leur orientation entre les couches successives (illustré ci - dessus), ce qui modifie la longueur de pas pour résultat une modification de la longueur d' onde de la lumière réfléchie en fonction de la température. L'angle auquel les changements de directeur peut être plus grande, et serrer ainsi le terrain, en augmentant la température des molécules, donc leur donner plus d' énergie thermique. De même, la diminution de la température des molécules augmente la longueur de pas du cristal liquide nématique chiral. Ceci permet de construire un thermomètre à cristaux liquides qui affiche la température de son environnement par la couleur réfléchie. Les mélanges de différents types de ces cristaux liquides sont souvent utilisés pour créer des capteurs avec une grande variété de réponses aux changements de température. De tels capteurs sont utilisés pour les thermomètres souvent sous la forme de films sensibles à la chaleur pour détecter des défauts dans les connexions de cartes de circuits, les schémas d'écoulement de fluide, l' état des batteries, la présence d' un rayonnement ou dans les nouveautés tels que les anneaux « d'humeur ».
Dans la fabrication de films, étant donné que la mise des cristaux liquides nématiques chiraux directement sur un fond noir conduirait à la dégradation et peut - être la contamination, les cristaux sont micro-encapsulés dans des particules de très petites dimensions. Les particules sont ensuite traitées avec un matériau de liaison qui se contracte lors du durcissement de manière à aplatir les microcapsules et de produire le meilleur alignement pour des couleurs plus vives. Une application d'une classe de cristaux liquides nématiques chiraux qui sont moins sensibles à la température est de créer des matériaux tels que des vêtements, des poupées, des encres et des peintures.
Peut également être contrôlée la longueur d' onde de la lumière réfléchie par le réglage de la composition chimique, étant donné que cholestériques peuvent soit consister en des molécules chirales exclusivement ou de molécules nématiques avec un dopant chiral dispersé à travers. Dans ce cas, la concentration de dopant est utilisée pour ajuster la chiralité et donc de la hauteur.

Phases colonnaires

 

 

 

des cristaux liquides colonnaires sont différents des types précédents, car ils sont en forme de disques à la place de tiges longues. Cette mésophase est caractérisée par des colonnes empilées de molécules. Les colonnes sont emballés ensemble pour former un réseau cristallin bidimensionnel. L'arrangement des molécules dans les colonnes et la disposition des colonnes elles-mêmes conduit à de nouvelles mésophases.


Heure du Message: Sep-21-2018
WhatsApp Chat en ligne!