Исследование жидких кристаллов началось в 1888 году, когда австрийский ботаник имени Фридрих Рейнитцер заметил, что материал, известный как холестерилпропионат бензоат имел две различных точки плавления. В своих экспериментах, Рейнитцер увеличил температуру твердого образца и наблюдал изменение кристалла в мутную жидкость. Поскольку он увеличил температуру дополнительно, материал снова превращается в ясную, прозрачную жидкость. Из-за этой ранней работы, Рейницер часто приписывают открытие новой фазы материи - в жидкокристаллическую фазу.
Жидкокристаллические материалы являются уникальными по своим свойствам и использованию. Как показали исследования в этой области продолжается, и, как новые приложения разработаны, жидкие кристаллы будут играть важную роль в современной технике. Это руководство представляет собой введение в науку и применение этих материалов.
Что такое жидкие кристаллы?
Жидкокристаллические материалы , как правило , имеют несколько общих характеристик. Среди них палкообразная молекулярная структура, жесткость длинной оси, и сильные диполи и / или легко поляризуемых заместители.
Отличительной особенностью жидкокристаллического состояния является тенденция молекул (мезогенов) к точке вдоль общей оси, называется директором. Это в отличие от молекул в жидкой фазе, которые не имеют никакой внутренней порядок. В твердом состоянии молекулы высокоупорядоченные и имеет мало трансляционной свободу. Характеристика ориентационные порядка кристаллического состояния жидкости находится между традиционными твердыми и жидкими фазами, и этого происхождение термина мезогенного состояния, используется синонимично с жидкокристаллическим состоянием. Обратите внимание на среднее выравнивание молекул для каждой фазы в следующей диаграмме.
Иногда бывает трудно определить, является ли материал в кристалле или жидком состоянии кристалла. Кристаллические материалы демонстрируют большую дальность периодического порядок в трех измерениях. По определению, изотропная жидкость не имеет ориентационный порядок. Вещества, которые не как упорядоченные в виде твердого вещества, но имеют некоторую степень выравнивания правильно называют жидкие кристаллы.
Для того, чтобы количественно оценить, насколько много порядка присутствует в материале, определяется параметром порядка (S). Традиционно, параметр порядка задается следующим образом:
где тэта угла между директором и длинной осью каждой молекулы. В скобки означают усреднение всех молекул в образце. В изотропной жидкости, среднее значение терминов косинуса равен нулю, и, следовательно, параметр порядка равен нулю. Для идеального кристалла, параметр порядка принимает значение один. Типичные значения для параметра порядка жидкого кристалла диапазоне от 0,3 до 0,9, с точным значением в зависимости от температуры, в результате кинетического движения молекул. Это иллюстрируется ниже для нематического жидкокристаллического материала (которые будут обсуждаться в следующем разделе).
Тенденция молекул жидкого кристалла к точке вдоль директора приводит к состоянию , известному как анизотропии. Этот термин означает , что свойства материала зависят от направления , в котором они измеряются. Например, это легче вырезать кусок дерева вдоль волокон , чем против него. Анизотропная природа жидких кристаллов отвечают за уникальные оптические свойства эксплуатируемых учеными и инженерами в различных приложениях.
Характеризуя жидкие кристаллы
Следующие параметры описывают жидко - кристаллическую структуру:
- позиционный порядок
- ориентационный порядок
- Бонд ориентационного порядок
Каждый из этих параметров описывает степень , в которой упорядочивается жидкий кристалл образец. Позиционная порядок относится к степени , в которой средняя молекула или группа молекул показывает трансляционной симметрией ( в виде кристаллического материала показывает). Ориентационный порядок, как обсуждалось выше, представляет собой меру тенденции молекул для выравнивания вдоль директора на больших расстояниях основы. Бонд ориентационная упорядоченность описывает линию , соединяющих центры ближайших соседей молекул , не требуя регулярное расстояние вдоль этой линии. Таким образом, относительно дальний порядок относительно линии центров , но только короткий позиционного порядка вдоль этой линии. (См обсуждения гексатических фаз в тексте , такие как Чандрасекар, жидкие кристаллы)
Наиболее жидкокристаллические соединения проявляют полиморфизм, или состояние, при котором наблюдается более одной фазы в жидком кристаллическом состоянии. Термин мезофаза используется для описания «подфаз» жидких кристаллических материалов. Мезофазы образуются путем изменения количества порядка в образце, либо путем введения порядка только в одном или двух измерениях, или позволяя молекулы иметь степень поступательного движения. В следующем разделе описаны мезофазы жидких кристаллов более подробно.
Жидкие кристаллические фазы
Кристаллическое состояние жидкости является идеальной отправной точкой фазы материи, наблюдаемой между кристаллическим (сплошной линией) и изотропно (жидкость) состояниями. Есть много типов жидкокристаллических состояний, в зависимости от количества заказа в материале. В этом разделе описывается поведение фазы жидкокристаллических материалов.
Нематические Фазы
Нематический жидкокристаллическая фаза характеризуется молекулами , которые не имеют позиционное порядок , но , как правило, указывают в одном направлении (вдоль директора). На следующей диаграмме, обратите внимание , что молекулы указывают вертикально , но расположены без особого порядка.
Жидкие кристаллы анизотропные материалы, а также физические свойства системы изменяются в зависимости от средней линии с режиссером. Если выравнивание велико, материал очень анизотропный. Точно так же, если выравнивание мало, материал почти изотропен.
Фазовый переход нематического жидкого кристалла показан в следующем фильме , предоставленный д - ром Mary Нойберт, LCI-КГУ. Нематическая фаза рассматриваются как мраморная текстура. Смотрите , как температура материала повышается, в результате чего переход к черному, изотропной жидкости.
Особый класс НЖК называется хиральный нематик. Хиральные относится к уникальной способностью избирательно отражать один компонент циркулярно поляризованного света. Термин хиральные нематический используются взаимозаменяемо с холестерином. Обратитесь к разделу холестерических жидким кристаллов для получения дополнительной информации об этой мезофазе.
Смектический Phases
Слова «смектический» происходят от греческого слова для мыла. Это , казалось бы неоднозначное происхождение объясняется тем , что толстое, скользкое вещество часто встречается в нижней части мыльницы на самом деле типа смектического жидкого кристалла.
Смектическая состояние является еще одним особой мезофазой жидких кристаллических веществ. Молекулы в этой фазе показывают степень трансляционного порядка не присутствует в НЖК. В смектическом состоянии молекулы поддерживают общий ориентационный порядок НКА, но и , как правило, присоединяются в слоях или плоскостях. Движение ограничивается в пределах этих плоскостей и отдельных плоскостей наблюдаются течь мимо друг друга. Увеличен порядок означает , что смектическая состояние является более «твердой , как» чем НЖК.
Изображение смектической фазы Фотографии смектической фазы ( с помощью поляризационного микроскопа)
Многие соединения наблюдаются с образованием более чем один типа смектической фазы. Целых было выявлено 12 таких вариаций, однако только самые различные фазы обсуждаются здесь.
В смектической мезофазе, директор перпендикулярен к смектической плоскости, и не существует какой- либо особый позиционный порядка в слое. Точно так же, смектическое-Б мезофаза ориентирует с режиссером , перпендикулярных к плоскости смектической, но молекулы расположены в сеть шестиугольников в пределах слоя. В смектическом-С мезофазой, молекулы расположены как в смектической мезофазе, но режиссер под постоянным углом наклона , измеренный по нормали к плоскости смектической.
Как и в НКА, смектических-С мезофазой имеет хиральное состояние , обозначенный С *. В соответствии с смектическим-С, директор делает угол наклона по отношению к смектическому слою. Разница заключается в том, что этот угол поворачивается от слоя к слою формирования спирали. Другими словами, директор смектической-C * мезофазы не параллельно или перпендикулярно к слоям, и он поворачивается от одного слоя к другому. Обратите внимание на поворот директора, представленный зелеными стрелками, в каждом слое в следующей диаграмме.
В некоторых смектических мезофазах, молекулы страдают от различных слоев выше и ниже них. Таким образом, наблюдается небольшое количество трехмерного порядка. Смектический-G представляет собой пример , демонстрирующий этот тип расположения.
Холестерические Фазы
Холестерическая (или хиральный нематик) жидкокристаллическая фаза обычно состоит из нематических мезогенными молекул , содержащих хиральный центр , который производит межмолекулярные силы , которые способствуют согласованности между молекулами под небольшим углом друг к другу. Это приводит к образованию структуры , которые могут быть визуализированы в виде стопки очень тонких 2-D нематических-подобных слоев с режиссером в каждом слое скрученной по отношению к тем , которые выше и ниже. В этой структуре, директора фактически формируют в виде непрерывного спирального узора о слое нормального , как показано черной стрелкой на следующем рисунке и анимации. Черная стрелка в анимации представляет ориентацию директора в последовательности слоев вдоль стека.
Молекулы , показанные являются лишь представлением многих хиральных нематических мезогенов , лежащих в плитах бесконечно малой толщины с распределением ориентации вокруг директора. Это не следует путать с планарным расположением найденного в смектических мезофазах.
Важная характеристика холестерической мезофазы это шаг. Основного тона, р, определяется как расстояние, которое требуется для директора , чтобы повернуть один полный оборот в спирали , как показано в приведенной выше анимации. Побочным спиральной структуры хиральной нематической фазы, является его способность избирательно отражать свет с длинами волн , равной длине основного тона, так что цвет будет отражаться , когда шаг равен соответствующей длине волны света в видимой области спектра. Эффект основан на температурной зависимости постепенного изменения ориентации директора между последовательными слоями (показано выше), который изменяет длину шага , что приводит к изменению длины волны отраженного света в зависимости от температуры. Угол , при котором изменяется режиссер может быть больше, и , таким образом затянуть шаг, путем повышения температуры молекул, следовательно , давая им больше тепловую энергию. Аналогичным образом , уменьшение температуры молекул увеличивает длину шага хирального нематического жидкого кристалла. Это дает возможность построить жидкокристаллический термометр , который показывает температуру его среды с помощью отраженного цвета. Смеси различных типов этих жидких кристаллов часто используются для создания датчиков с широким разнообразием ответов на изменение температуры. Такие датчики используются для термометров часто в виде пленок , чувствительных к нагреванию для обнаружения дефектов в соединениях монтажной платы, схемы потока текучей среды, состояние батарей, присутствие радиации, или в новинках , такие как «Настроение» кольца.
При изготовлении пленок, так как ввод хиральных нематических жидких кристаллов непосредственно на черный фоне приведет к деградации и , возможно , загрязнению, кристаллы микрокапсулированные в частицы очень малых размеров. Частицы затем обрабатывает связывающий материал , который будет сжиматься при отверждении так, чтобы сглаживать микрокапсулы и производят наилучшее соотношение для получения более ярких цветов. Применение класса хиральных нематических жидких кристаллов , которые менее чувствительны к температуре, чтобы создать материалы , такие как одежду, куклы, краски и краски.
Длина волны отраженного света также может регулироваться путем регулирования химического состава, так как холестерики может либо состоять исключительно хиральных молекул или молекул нематика с хиральной легирующей примеси , диспергированного. В этом случае концентрация легирующей примеси используется для регулировки хиральность и , таким образом шаг.
Столбчатый Phases
Столбчатые жидкие кристаллы отличаются от предыдущих типов, так как они имеют форму дисков вместо длинных стержней. Это мезофаза характеризуются сложенными колоннами молекул. Колонки упакованы вместе, чтобы сформировать двумерную кристаллическую матрицу. Расположение молекул внутри колонн и расположение колонн сами приводят к новым мезофазам.
Время размещения: Sep-21-2018