Nghiên cứu về tinh thể lỏng đã bắt đầu vào năm 1888 khi một nhà thực vật học người Áo tên là Friedrich Reinitzer quan sát thấy rằng một loại vật liệu được gọi là cholesteryl benzoate có hai điểm nóng chảy khác nhau. Trong thí nghiệm của mình, Reinitzer tăng nhiệt độ của mẫu rắn và quan sát sự thay đổi tinh thể thành chất lỏng mơ hồ. Khi anh tăng nhiệt độ hơn nữa, vật liệu thay đổi một lần nữa thành một chất lỏng rõ ràng minh bạch. Bởi vì công việc sớm này, Reinitzer thường được ghi nhận với việc khám phá một giai đoạn mới của vật chất - giai đoạn hình tinh thể lỏng.
vật liệu tinh thể lỏng là duy nhất trong tài sản và sử dụng của họ. Như nghiên cứu về lĩnh vực này tiếp tục và như các ứng dụng mới được phát triển, tinh thể lỏng sẽ đóng một vai trò quan trọng trong công nghệ hiện đại. Hướng dẫn này cung cấp một giới thiệu về khoa học và các ứng dụng của các tài liệu này.
Tinh thể lỏng là gì?
Vật liệu tinh thể lỏng thường có một số đặc điểm chung. Trong số này có một cấu trúc phân tử giống hình que, rigidness của trục dài, và lưỡng cực mạnh và / hoặc dễ dàng thế polarizable.
Đặc điểm phân biệt các trạng thái tinh thể lỏng là xu hướng của các phân tử (mesogens) để trỏ dọc theo một trục chung, được gọi là đạo diễn. Điều này trái ngược với các phân tử trong pha lỏng, mà không có trật tự nội tại. Trong trạng thái rắn, các phân tử được đánh giá cao đề nghị và có chút tự do tịnh tiến. Trình tự định hướng đặc trưng của tình trạng tinh thể lỏng nằm giữa các giai đoạn rắn và lỏng truyền thống và đây là nguồn gốc của tình trạng mesogenic hạn, sử dụng đồng nghĩa với trạng thái tinh thể lỏng. Lưu ý sự liên kết trung bình của các phân tử cho mỗi giai đoạn trong biểu đồ sau đây.
Đó là đôi khi rất khó để xác định xem một loại vật liệu đang ở trong một tinh thể hoặc tiểu bang tinh thể lỏng. vật liệu tinh thể chứng minh tầm xa lệnh định kỳ trong ba chiều. Theo định nghĩa, một chất lỏng đẳng hướng không có trật tự định hướng. Chất không được như ra lệnh như một chất rắn, tuy nhiên có một số mức độ liên kết được gọi là đúng tinh thể lỏng.
Để xác định số lượng bao nhiêu để có mặt trong một tài liệu, một tham số thứ tự (S) được định nghĩa. Theo truyền thống, tham số thứ tự được đưa ra như sau:
nơi theta là góc giữa giám đốc và trục dài của mỗi phân tử. Các dấu ngoặc biểu thị trung bình trên tất cả các phân tử trong mẫu. Trong một chất lỏng đẳng hướng, tỷ lệ trung bình của các điều khoản cosin là zero, và do đó các tham số thứ tự là bằng không. Đối với một tinh thể hoàn hảo, tham số thứ tự để đánh giá một. Giá trị tiêu biểu cho tham số thứ tự của một loạt hình tinh thể lỏng giữa 0.3 và 0.9, với giá trị chính xác một hàm của nhiệt độ, như là kết quả của chuyển động phân tử động. Này được minh họa dưới đây cho một loại vật liệu tinh thể lỏng nematic (sẽ được thảo luận trong phần tiếp theo).
Xu hướng của các phân tử tinh thể lỏng để chỉ cùng đạo diễn dẫn đến một tình trạng được gọi là đẳng hướng. Thuật ngữ này có nghĩa là các thuộc tính của một loại vật liệu phụ thuộc vào sự chỉ đạo, trong đó họ được đo. Ví dụ, nó là dễ dàng hơn để cắt một mảnh gỗ dọc theo hạt hơn chống lại nó. Các bất đẳng hướng bản chất của tinh thể lỏng chịu trách nhiệm về tính chất quang học độc đáo khai thác bởi các nhà khoa học và kỹ sư trong một loạt các ứng dụng.
Đặc trưng tinh thể lỏng
Các thông số sau đây mô tả cấu trúc tinh thể lỏng:
- Positional thứ tự
- định hướng theo thứ tự
- Bond định hướng tự
Mỗi tham số này mô tả mức độ mà các mẫu tinh thể lỏng được đặt hàng. Trật tự vị trí đề cập đến mức độ mà một phân tử trung bình hoặc một nhóm phân tử cho thấy sự đối xứng tịnh tiến (như chương trình vật liệu tinh thể). Để định hướng, như đã trình bày ở trên, đại diện cho một thước đo của xu hướng của các phân tử để gắn kết cùng các giám đốc trên cơ sở tầm xa. Bond định hướng theo thứ tự mô tả một đường nối các trung tâm của các phân tử gần nhất, hàng xóm mà không đòi hỏi một khoảng cách đều đặn dọc theo đường đó. Do đó, một tầm xa thứ tự tương đối đối với các dòng của các trung tâm nhưng phạm vi chỉ ngắn trật tự vị trí dọc theo đường đó với. (Xem thảo luận về giai đoạn hexatic trong một văn bản như Chandrasekhar, tinh thể lỏng)
Hầu hết các hợp chất đa hình tinh thể lỏng triển lãm, hoặc một điều kiện mà nhiều hơn một giai đoạn được quan sát trong trạng thái tinh thể lỏng. Các mesophase hạn được sử dụng để mô tả “subphases” vật liệu tinh thể lỏng. Mesophases được hình thành bằng cách thay đổi số lượng trật tự trong mẫu, hoặc bằng cách áp đặt trật tự trong chỉ có một hoặc hai chiều, hoặc bằng cách cho phép các phân tử để có một mức độ chuyển động tịnh tiến. Phần sau đây mô tả các mesophases của tinh thể lỏng chi tiết hơn.
Pha lê giai đoạn lỏng
Trạng thái tinh thể lỏng là một giai đoạn khác nhau của vật chất được quan sát giữa các tinh thể (rắn) và đẳng hướng (lỏng) tiểu bang. Có rất nhiều loại của các quốc gia hình tinh thể lỏng, tùy thuộc vào số lượng trật tự trong tài liệu. Phần này sẽ giải thích các giai đoạn hành vi của vật liệu tinh thể lỏng.
Giai đoạn nematic
Giai đoạn tinh thể lỏng nematic được đặc trưng bởi các phân tử mà không có trật tự vị trí nhưng có xu hướng chỉ trong cùng một hướng (cùng đạo diễn). Trong sơ đồ sau đây, nhận thấy rằng các phân tử chỉ theo chiều dọc nhưng được sắp xếp không có thứ tự cụ thể.
Tinh thể lỏng là vật liệu đẳng hướng, và các tính chất vật lý của hệ thống thay đổi theo sự sắp xếp trung bình với đạo diễn. Nếu sự liên kết là lớn, vật liệu là rất bất đẳng hướng. Tương tự như vậy, nếu sự liên kết là nhỏ, các vật liệu gần như đẳng hướng.
Việc chuyển đổi giai đoạn của một tinh thể lỏng nematic được thể hiện trong bộ phim sau đây được cung cấp bởi Tiến sĩ Mary Neubert, LCI-KSU. Giai đoạn nematic được coi là kết cấu cẩm thạch. Xem như nhiệt độ của vật liệu được nâng lên, gây ra một chuyển đổi sang màu đen, lỏng đẳng hướng.
Một lớp học đặc biệt của tinh thể lỏng nematic được gọi nematic chiral. Chiral đề cập đến khả năng duy nhất để chọn lọc phản ánh một phần của ánh sáng phân cực tròn. Các nematic chiral hạn được sử dụng thay thế cho nhau với cholesteric. Tham khảo phần trên tinh thể lỏng cholesteric để biết thêm thông tin về mesophase này.
Giai đoạn Smectic
Từ “smectic” có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp cho xà phòng. Nguồn gốc dường như mơ hồ này được giải thích bởi thực tế là dày, chất trơn thường được tìm thấy ở dưới cùng của một món ăn xà phòng thực sự là một loại tinh thể lỏng smectic.
Tình trạng smectic là một mesophase biệt các chất tinh thể lỏng. Phân tử trong giai đoạn này cho thấy một mức độ trật tự tịnh không có mặt trong nematic. Trong trạng thái smectic, các phân tử duy trì trật tự định hướng chung của nematics, nhưng cũng có xu hướng gắn kết bản thân trong lớp hoặc máy bay. Chuyển động được giới hạn trong phạm vi những chiếc máy bay, và máy bay riêng được quan sát chảy qua nhau. Trình tự tăng có nghĩa là tình trạng smectic là nhiều hơn “rắn như” so với nematic.
Hình ảnh của giai đoạn Ảnh smectic của giai đoạn smectic (sử dụng kính hiển vi phân cực)
Nhiều hợp chất được quan sát để tạo thành nhiều hơn một loại giai đoạn smectic. Có đến 12 của những biến thể này đã được xác định, tuy nhiên chỉ có các giai đoạn khác biệt nhất sẽ được thảo luận ở đây.
Trong smectic-A mesophase, đạo diễn là vuông góc với mặt phẳng smectic, và không có trật tự vị trí đặc biệt trong lớp. Tương tự, mesophase smectic-B định hướng với các giám đốc vuông góc với mặt phẳng smectic, nhưng các phân tử được sắp xếp thành một mạng lưới các hình lục giác bên trong lớp. Trong mesophase smectic-C, phân tử được sắp xếp như trong smectic-A mesophase, nhưng đạo diễn là ở một góc nghiêng liên tục đo bình thường với mặt phẳng smectic.
Như trong nematic, các smectic-C mesophase có một trạng thái định C chiral *. Phù hợp với smectic-C, đạo diễn làm cho một góc nghiêng đối với các lớp smectic với. Sự khác biệt là góc này xoay từ lớp đến lớp tạo thành một chuỗi xoắn. Nói cách khác, giám đốc của smectic-C * mesophase không song song hoặc vuông góc với lớp, và nó xoay từ một lớp tiếp theo. Chú ý twist của đạo diễn, đại diện bởi các mũi tên màu xanh lá cây, trong mỗi lớp trong biểu đồ sau đây.
Trong một số mesophases smectic, các phân tử bị ảnh hưởng bởi các lớp khác nhau ở trên và dưới chúng. Do đó, một lượng nhỏ để ba chiều được quan sát. Smectic-G là một ví dụ chứng minh kiểu này sắp xếp.
Giai đoạn cholesteric
Các cholesteric (hoặc nematic chiral) giai đoạn hình tinh thể lỏng thường được cấu tạo của các phân tử mesogenic nematic chứa một trung tâm chiral trong đó sản xuất các lực lượng giữa các phân tử có lợi cho sự liên kết giữa các phân tử ở một góc nhỏ với nhau. Điều này dẫn đến sự hình thành của một cấu trúc có thể được hình dung như một chồng 2-D lớp nematic giống như rất mỏng với các giám đốc trong mỗi lớp xoắn đối với những người ở trên và dưới với. Trong cấu trúc này, các giám đốc thực sự hình thành trong một mô hình xoắn ốc liên tục về lớp bình thường được minh họa bằng các mũi tên màu đen trong hình và phim hoạt hình sau. Các mũi tên màu đen trong phim hoạt hình đại diện cho hướng đạo trong kế các lớp dọc theo chồng.
Các phân tử hiển thị là chỉ đơn thuần là cơ quan đại diện của nhiều mesogens nematic chiral nằm trong tấm có độ dày vô cùng với một bản phân phối của định hướng xung quanh đạo diễn. Đây không phải là để bị nhầm lẫn với sự sắp xếp phẳng tìm thấy trong mesophases smectic.
Một đặc điểm quan trọng của mesophase cholesteric là sân. Sân, p, được định nghĩa là khoảng cách cần cho đạo diễn để xoay một lượt đầy đủ trong xoắn như minh họa trong các hình ảnh động trên. Một sản phẩm phụ của cấu trúc xoắn ốc của giai đoạn nematic chiral, là khả năng chọn lọc phản chiếu ánh sáng của các bước sóng tương ứng với chiều dài sân, do đó một màu sắc sẽ được phản ánh khi sân này là tương đương với bước sóng tương ứng của ánh sáng trong quang phổ nhìn thấy được. Hiệu quả được dựa trên sự phụ thuộc nhiệt độ của sự thay đổi dần dần trong định hướng đạo giữa các lớp liên tiếp (minh họa ở trên), mà sẽ thay đổi theo chiều dài sân dẫn đến một sự thay đổi các bước sóng của ánh sáng phản xạ theo nhiệt độ. Góc mà những thay đổi giám đốc có thể được thực hiện lớn hơn, và do đó thắt chặt sân, bằng cách tăng nhiệt độ của các phân tử, do đó đem lại cho họ năng lượng nhiệt hơn. Tương tự như vậy, giảm nhiệt độ của các phân tử làm tăng chiều dài sân của tinh thể lỏng nematic chiral. Điều này làm cho nó có thể để xây dựng một nhiệt kế tinh thể lỏng hiển thị nhiệt độ của môi trường xung quanh bởi màu sắc phản ánh. Hỗn hợp các loại khác nhau của các tinh thể lỏng thường được sử dụng để tạo ra cảm biến với một loạt các phản ứng với sự thay đổi nhiệt độ. Cảm biến này được sử dụng cho nhiệt kế thường ở dạng các bộ phim nhạy cảm nhiệt để phát hiện sai sót trong các kết nối bảng mạch, mô hình dòng chảy chất lỏng, tình trạng của pin, sự hiện diện của bức xạ, hoặc mới lạ như nhẫn “tâm trạng”.
Trong việc chế tạo các bộ phim, kể từ khi đặt tinh thể lỏng nematic chiral trực tiếp trên nền đen sẽ dẫn đến suy thoái và có lẽ ô nhiễm, các tinh thể có hành vi đóng gói thành các hạt có kích thước rất nhỏ. Các hạt này sau đó được điều trị bằng một loại vật liệu ràng buộc đó sẽ co lại khi chữa để làm phẳng các viên nang siêu nhỏ và tạo ra sự liên kết tốt nhất cho màu sắc tươi sáng hơn. Đơn của một lớp tinh thể lỏng nematic chiral mà ít nhiệt độ nhạy cảm là để tạo ra các vật liệu như quần áo, búp bê, mực và sơn.
Bước sóng của ánh sáng phản xạ cũng có thể được kiểm soát bằng cách điều chỉnh các thành phần hóa học, vì cholesterics có thể một trong hai bao gồm các phân tử độc quyền chiral hoặc các phân tử nematic với dopant chiral phân tán trong suốt. Trong trường hợp này, nồng độ dopant được sử dụng để điều chỉnh đối xứng và do đó sân.
Các giai đoạn hình cây cột
tinh thể lỏng hình cây cột là khác nhau từ các loại trước đó bởi vì họ có hình dạng như đĩa thay vì thanh dài. mesophase này được đặc trưng bởi các cột xếp chồng lên nhau của các phân tử. Các cột được đóng gói lại với nhau để tạo thành một mảng tinh thể hai chiều. Sự sắp xếp của các phân tử trong các cột và sự sắp xếp của các cột tự dẫn đến mesophases mới.
post time: Sep-21-2018