Introdução aos cristais líquidos

O estudo de cristais líquidos começou em 1888, quando um botânico austríaco chamado Friedrich Reinitzer observou que um material conhecido como benzoato de colesterilo tinha dois pontos de fusão diferentes. Nas suas experiências, Reinitzer aumentou a temperatura de uma amostra sólida e observou a mudança de cristal em um líquido nebuloso. À medida que aumentou ainda mais a temperatura, o material novamente mudado para um líquido claro, transparente. Devido a este trabalho inicial, Reinitzer é muitas vezes creditado com a descoberta de uma nova fase da matéria - a fase de cristal líquido.

materiais de cristal líquido são únicos nas suas propriedades e usos. Como a pesquisa neste campo continua e como novas aplicações são desenvolvidas, cristais líquidos irá desempenhar um papel importante na tecnologia moderna. Este tutorial fornece uma introdução à ciência e aplicações desses materiais.

Quais são cristais líquidos?
Materiais de cristais líquidos que geralmente têm várias características comuns. Entre estes estão uma estrutura molecular semelhante a haste, rigidez do eixo longo, e dipolos fortes e / ou facilmente substituintes polarizáveis.

A característica distintiva do estado cristalino líquido, é a tendência das moléculas (mesogens) para ponto, ao longo de um eixo comum, chamado o director. Isto está em contraste com as moléculas em fase líquida, os quais não possuem uma ordem intrínseca. No estado sólido, as moléculas são altamente ordenada e têm pouca liberdade de translação. A ordem de orientação característica do estado de cristal líquido situa-se entre as fases sólida e líquida tradicionais e esta é a origem do estado mesogênico termo, usado como sinónimo de estado de cristal líquido. Nota o alinhamento médio das moléculas para cada fase no diagrama a seguir.

 

 

Por vezes, é difícil determinar se um material é um cristal ou estado de cristal líquido. Os materiais cristalinos demonstrar ordem periódica de longo alcance em três dimensões. Por definição, um líquido isotrópico não tem nenhuma ordem de orientação. As substâncias que não são ordenados como como um sólido, ainda têm um certo grau de alinhamento são chamados correctamente cristais líquidos.

Para quantificar o quanto está presente ordem num material, um parâmetro de ordem (S) é definida. Tradicionalmente, o parâmetro de ordem é dada como segue:

 

S = (1/2) <3cos 2q-1>
 

onde teta é o ângulo entre o director e o eixo longo de cada molécula. Os parêntesis denotam uma média sobre todas as moléculas presentes na amostra. Em um líquido isotrópico, a média dos termos de cosseno é zero, e, por conseguinte, o parâmetro de ordem é igual a zero. Para um cristal perfeito, o parâmetro de ordem avalia a um. Os valores típicos para o parâmetro de ordem de uma gama de cristal líquido entre 0,3 e 0,9, com o valor exacto em função da temperatura, como um resultado do movimento molecular cinética. Isto é ilustrado a seguir para um material cristal líquido nemático (a ser discutido na próxima secção).

A tendência das moléculas do cristal líquido para ponto ao longo do director leva a uma condição conhecida como anisotropia. Este termo significa que as propriedades de um material depende da direcção na qual eles são medidos. Por exemplo, é mais fácil cortar um pedaço de madeira ao longo do grão do que contra ela. A natureza anisotrópica de cristais líquidos é responsável pelas propriedades ópticas únicas exploradas pelos cientistas e engenheiros em uma variedade de aplicações.
Caracterizando Cristais Líquidos

Os seguintes parâmetros descrevem a estrutura cristalina líquida:
- Pedido posicional
- Pedido Orientativa
- bond Orientativa Pedido
Cada um destes parâmetros descreve a extensão para a qual a amostra de cristal líquido é ordenada. Posicional fim refere-se, na medida em que uma molécula de média ou grupo de moléculas mostra a simetria de translação (como mostra a material cristalino). Ordem de orientação, tal como discutido acima, representa uma medida da tendência das moléculas para alinhar ao longo do director numa base de longo alcance. Vínculo Orientativa Order descreve uma linha que une os centros das moléculas vizinhos mais próximos sem exigir um espaçamento regular ao longo dessa linha. Assim, uma ordem relativamente longa distância em relação à linha de centros, mas a fim de posição única curto alcance ao longo dessa linha. (Veja a discussão de fases hexatic em um texto como Chandrasekhar, Cristais Líquidos)

Mais compostos polimorfismo de cristal líquido para exposições, ou uma condição em que mais do que uma fase é observada no estado cristalino líquido. O termo mesofase é utilizado para descrever as subfases “” de materiais de cristal líquido. Mesofases são formadas alterando a quantidade de ordem na amostra, quer por fim impor em apenas uma ou duas dimensões, ou permitindo que as moléculas de ter um grau de movimento de translação. A secção a seguir descreve as mesofases de cristais líquidos em maior detalhe.

Fases de cristal líquido

O estado de cristal líquido é uma fase distinta da matéria observada entre o (sólido) e isotrópico (líquida) de estados cristalinos. Existem muitos tipos de estados de cristal líquido, dependendo da quantidade de ordem no material. Esta secção irá explicar o comportamento de fase dos materiais de cristal líquido.

Fases nemáticos
A fase de cristal líquido nemático é caracterizado por moléculas que não possuem uma ordem posicional mas tendem a apontar na mesma direcção (ao longo do director). No diagrama a seguir, notar que as moléculas de apontar verticalmente mas são colocadas sem nenhuma ordem em particular.

 

 

 

Os cristais líquidos são materiais anisotrópicos, e as propriedades físicas do sistema variar de acordo com o alinhamento da média com o director. Se o alinhamento é grande, o material é muito anisotrópica. Da mesma forma, se o alinhamento é pequeno, o material é quase isotrópica.
A transição de fase de um cristal líquido nemático é demonstrado no seguinte filme fornecida pelo Dr. Mary Neubert, LCI-KSU. A fase nematic é visto como a textura de mármore. O relógio como a temperatura do material é aumentada, fazendo com que uma transição para o líquido preto, isotrópico.

Uma classe especial de cristais líquidos nemáticos é chamado nemático quiral. Quiral refere-se à capacidade única de modo a reflectir selectivamente um componente de luz polarizada circularmente. O nemático quiral termo é utilizado intermutavelmente com colestérico. Consulte a seção sobre cristais líquidos colestéricos para mais informações sobre este mesofase.

Fases esméticos
A palavra “smectic” é derivado da palavra grega para o sabão. Esta origem aparentemente ambígua é explicado pelo facto da substância de espessura, escorregadio muitas vezes encontrado na parte inferior de um prato de sabão é, na verdade, um tipo de cristal líquido esmética.
O estado esmética é outro mesofase distinta das substâncias de cristais líquidos. Moléculas nesta fase mostram um grau de ordem de translação não presente no nemático. No estado esmética, as moléculas de manter a ordem de orientação geral de nemáticos, mas também tendem a alinhar-se em camadas ou planos. O movimento é restringido para dentro destes planos, e planos separados são observadas para escoar umas sobre as outras. O aumento da ordem significa que o estado esmética é mais “tipo sólido” do que o nemático.

 

 

 

Imagem da fase smectic Foto da fase smectic (usando microscópio de polarização)
Muitos compostos são observados para formar mais de um tipo de fase smectic. Até 12 destas variações foram identificados, no entanto, apenas as fases mais distintas são discutidos aqui.
No esmética-A mesofase, o director é perpendicular ao plano esmética, e não há nenhuma ordem posicional particular na camada. Da mesma forma, a mesofase esmética-B orienta com o director perpendicular ao plano esmética, mas as moléculas são arranjadas em uma rede de hexágonos dentro da camada. No mesofase esmética-C, as moléculas estão organizadas como na esmética-A mesofase, mas o director está a um ângulo de inclinação constante medido normalmente ao plano esmética.
Como no nemáticos, a mesofase esmética-C tem um estado designado quiral * C. Consistente com a esmética-C, o director faz um ângulo de inclinação com respeito à camada de esmética. A diferença é que este ângulo de rotação a partir de uma camada para outra formando uma hélice. Em outras palavras, o director da esmética-C * mesofase não é paralelo ou perpendicular às camadas, e gira a partir de uma camada para a seguinte. Observe a torção do director, representado pelas setas verdes, em cada camada no diagrama a seguir.
Em alguns mesofases esméticos, as moléculas são afectados pelas diferentes camadas acima e abaixo delas. Portanto, é observada uma pequena quantidade de três ordem dimensional. Esmética-G é um exemplo que demonstra este tipo de arranjo.

Fases colestéricos
O colestérico (ou nemático quiral) de fase de cristal líquido é tipicamente constituído por moléculas mesogênicos nemáticas que contêm um centro quiral que produz forças intermoleculares que favorecem o alinhamento entre as moléculas com uma ligeira inclinação para um outro. Isto leva à formação de uma estrutura que pode ser visualizado como uma pilha de camadas muito finas nemáticos-like 2-D com o director em cada camada torcida com respeito aos descritos acima e abaixo. Nesta estrutura, as administração realmente formar num padrão helicoidal contínuo em torno da camada normal, tal como ilustrado pela seta preta na figura e animação seguinte. A seta negra na animação representa orientação director na sucessão de camadas ao longo da pilha.

 

As moléculas apresentados são meramente representações dos diversos mesogens nemáticos quirais encontram-se nas placas de espessura infinitesimal com uma distribuição de orientação em torno do director. Isto não deve ser confundido com o dispositivo plano encontrado em mesofases esméticas.
Uma característica importante da mesofase cholesteric é o campo. O relvado, p, é definido como a distância que leva para o director para rodar uma volta completa na hélice, tal como ilustrado na animação acima. Um subproduto da estrutura helicoidal da fase nemático quiral, é a sua capacidade para reflectir selectivamente luz de comprimentos de onda igual ao comprimento de passo, de modo que uma cor vai ser reflectida, quando o passo é igual ao comprimento de onda correspondente da luz no espectro visível. O efeito baseia-se na dependência da temperatura da mudança gradual na orientação director entre camadas sucessivas (ilustrado acima), o que modifica o campo de comprimento que resulta em uma alterao de comprimento de onda da luz reflectida em função da temperatura. O ângulo em que as alterações director pode ser feito maior e, assim, apertar o passo, aumentando a temperatura das moléculas, por conseguinte, dando-lhes energia térmica mais. Do mesmo modo, diminuindo a temperatura das moléculas aumenta o comprimento do campo do cristal líquido nemático quiral. Isto faz com que seja possível construir um termómetro de cristais líquidos mostra que a temperatura do meio ambiente pela cor reflectida. Misturas de vários tipos destes cristais líquidos são muitas vezes utilizados para criar sensores com uma ampla variedade de respostas às alterações da temperatura. Tais sensores são usados para termómetros muitas vezes sob a forma de películas sensíveis ao calor para detectar falhas em conexões da placa de circuitos, os padrões de fluxo do fluido, estado de baterias, a presença de radiação, ou em novidades, tais como anéis de “humor”.
Na fabricação de películas, uma vez colocando cristais líquidos nemáticos quirais directamente sobre um fundo negro iria levar à degradação e contaminação talvez, os cristais são micro-encapsulado em partículas de dimensões muito pequenas. As partículas são então tratadas com um material de ligação que irá contrair após a cura, de modo a achatar as microcápsulas e produzir o melhor alinhamento para cores mais brilhantes. Uma aplicação de uma classe de cristais líquidos nemáticos quirais que são menos sensíveis à temperatura consiste em criar materiais, tais como roupas, bonecas, tintas e tintas.
O comprimento de onda da luz reflectida também pode ser controlado ajustando a composição química, uma vez que cholesterics pode consistir exclusivamente de moléculas quirais ou de moléculas com um agente dopante nemáticos quirais disperso por toda parte. Neste caso, a concentração dopante é utilizado para ajustar a quiralidade e, assim, o campo.

Fases colunar

 

 

 

cristais líquidos colunares são diferentes dos tipos anteriores, porque eles têm a forma de discos em vez de hastes de comprimento. Este mesofase é caracterizada por colunas empilhadas de moléculas. As colunas são embalados em conjunto para formar uma matriz cristalina bidimensional. O arranjo das moléculas no interior das colunas e a disposição das colunas si mesmos conduz a novas mesofases.


tempo Post: Set-21-2018
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