Понятие и классификация жидких кристаллов

Жидкий кристалл – это агрегатное состояние вещества, в котором проявляются одновременно свойства твердого тела (кристалла) и жидкости.

Некоторые органические вещества, которые состоят из сложных молекул, кроме основных трех агрегатных состояний, могут образовывать четвертое агрегатное состояние — жидкокристаллическое. При плавлении кристаллов этих веществ образуется жидкокристаллическая фаза, существующая в интервале от температуры плавления кристалла до некоторой более высокой критической температуры, при которой жидкий кристалл переходит в обычную жидкость.

Вещества в жидкокристаллическом состоянии не имеют жесткой кристаллической решетки, поэтому принимают форму сосуда, в который они помещены и обладают текучестью; однако частичное упорядочение в пространственном расположении центров тяжести молекул имеет место быть.

Существуют два метода получения жидких кристаллов: плавление и растворение кристаллических тел. В зависимости от способа получения, жидкие кристаллы делятся на две группы – термотропные и лиотропные жидкие кристаллы соответственно. В свою очередь, лиотропные жидкие кристаллы делятся еще на два вида в зависимости от концентрации раствора – смектические и нематические; однако некоторые вещества в определенном растворителе могут образовывать кристаллы только одного типа – такие жидкие кристаллы получили название холестерические.

Каждый из видов жидких кристаллов отличается своими физическими свойствами из-за своего структурного различия. Рассмотрим в общих чертах структуру и особенности каждого вида.

Смектические жидкие кристаллы получили свое название от греч. «смегма» - «мыло», так как впервые жидкие кристаллы этого типа были обнаружены именно в мыле. Сокращенно этот тип жидких кристаллов называют смектиками. Жидкие кристаллы этого типа характеризуются слоистым строением (смектические слои разделены водной прослойкой); сами слои состоят из вытянутых молекул вещества, длинные оси которых расположены параллельно друг другу. Толщина слоя приблизительно равна длине молекулы (рис. 1)

Слои способны легко скользить друг по другу – этим объясняется текучесть данного типа жидких кристаллов. Температура фазового перехода в жидкокристаллическое состояние должна быть такой, чтобы нарушить связь между рядами, но не нарушить связь между молекулами, близко расположенными друг к другу.

Нематические жидкие кристаллы (от греч. "нема" - нить) получили свое название из-за микроструктур в виде нитей, из которых составляется этот тип жидких кристаллов. Длинные оси молекул ЖК параллельны определенному направлению, но центры тяжести располагаются хаотично. Отдельные слои молекулы не образуют.

Холестерические жидкие кристаллы получили свое название от названия вещества холестерина, так как к ним относятся в основном вещества, являющиеся производными от холестерина.

Этот тип ЖК характеризуется слоистым строением, подобно смектикам, однако длинные оси молекул располагаются не перпендикулярно к плоскости слоя, а параллельно; причем направление длинных осей каждого последующего слоя отличается от предыдущего на 15 угловых минут. Эти отклонения в сумме дают спиральную структуру вещества. Благодаря такой структуре холестерики обладают уникальными оптическими свойствами, так как такая фаза может вести себя подобно интерференционному фильтру по отношению к падающему свету, причем результат зависит от угла наблюдения и температуры.

1.2 Оптические свойства жидких кристаллов

Нематические и холестерические жидкие кристаллы очень чувствительны к внешним полям. Первые эффекты, обусловленные влиянием магнитного поля, были давно найдены группами советских ученых под руководством В. К. Фредерикса и В. Н. Цветкова. Но эффекты, обусловленные электрическим полем, более сложны, поскольку на них влияют примесные носители заряда и электрохимические эвления, однако они очень ярко проявляются и важны для приложений, в частности для систем дисплеев. Жидкокристаллические пленки недороги, работают при низком напряжении и малой мощности. Они часто могут действовать при солнечном свете, поскольку модулируют отраженный свет, включая и солнечный, и таким образом обеспечивают хороший контраст.

Своеобразная структура жидких кристаллов приводит к тому, что одним из основных явлений, их характеризующих, является двойное лучепреломление. Поток электромагнитного излучения, проходя через слои ЖК, распадается на два луча, называемые обыкновенным и необыкновенным. Направление поляризации обыкновенного луча перпендикулярно оптической оси ЖК, тогда как направление поляризации необыкновенного совпадает с ним. Кристалл считается оптически положительным, если коэффициент преломления необыкновенного луча больше, чем коэффициент преломления обыкновенного; в противном случае кристалл считают оптически отрицательным.

Первые два вида ЖК – нематики и смектики – оптически положительны, оптическая ось параллельна длинным осям молекул. Холестерические ЖК оптически отрицательны, что связано со спиралевидной структурой.

Ориентированные слои молекул холестериков, нематиков и некоторых смектиковоптически одноосны, т. е. в них существует только одно направление, в котором свет проходит с одинаковой скоростью, вне зависимости от состояния поляризации. В остальных смектиках, а также в деформированных холестериках и нематикахимеются два таких направления - они двуосны.

Двулучепреломление нематиков монотонно убывает с ростом температуры и резко падает до нуля в точке фазового перехода в изотропную жидкость. Коэффициент преломления длянеобыкновенного луча п_е резко уменьшается с ростом температуры, а коэффициент преломления обыкновенного луча n₀ медленно растет.

Показано, что термическая зависимость двулучепреломления нематиков определяется дисперсионными силами и силами отталкивания. Замечательными оптическими свойствами обладают системы типа "закрученный нематик". Такую систему получают следующим образом: жидкий кристалл помещают между двумя стеклянными пластинами, поверхности которых обработаны таким образом, чтобы слой нематика ориентировался планарно, и пластины закручивают относительно друг друга на 90°. В результате поворота пластин оптическая ось нематика деформируется (как показано на рисунке). Слой закрученного нематика в параллельных поляроидах дает темное поле зрения, поскольку направление поляризации света, проходящего через слой кристалла, поворачивается на п/2. Более тщательный эксперимент Гука и Тарри показал, что свет, проходящий через слой закрученного нематика, поляризован по эллипсу — поле зрения затемнено не полностью.

Поскольку слой закрученного нематика подобен слою холестерина с относительно большим шагом, Гук и Тарри использовали метод Аззама и Башара и получили следующее выражение для интенсивности I света, прошедшего через закрученный нематик:

где I₀ — интенсивность падающего света; d— толщина образца; — длина волны. Анализ полученных данных показывает, что полное гашение характерно только для некоторых длин волн. Для больших значений х эллиптичностью света можно пренебречь и считать, что направление поляризации света повернуто на 90° независимо от длины волны. Смектические жидкие кристаллы типа А, молекулы в которых выстроены перпендикулярно смектическим плоскостям, оптически одноосны. Кристаллы смектические типа С, для которых характерна ориентация молекул наклонно к плоскости слоев, оптически двуосны, По мнению некоторых авторов, оптическая двуосность смектиков типа С вызвана анизотропией параметра порядка и их "елочной" структурой. Наиболее интересные оптические свойства имеют холестеричеекие жидкие кристаллы. Холестерики, в отличие от нематиков и смектиков, оптически отрицательны (п_е— n₀<0). Они одноосны. Их замечательными оптическими свойствами, которые характерны для твердых кристаллов в диапазоне рентгеновского излучения, являются очень сильная (большая, чем для всех известных веществ) способность вращать плоскость поляризации, и селективное отражение света. Эти исключительные_ свойства жидких кристаллов холестерического типа - следствие их спиральной структуры и того, что длина шага холестерической спирали сравнима с длиной волны видимого света. Распространение света в холестерических жидких кристаллов изучалось многими авторами как теоретически, так и экспериментально. Теория Озеена и де Ври хорошо обьясняет оптические свойства холестериков для случая, когда направление света перпендикулярно ориентированным слоям.

1.3 Применение жидких кристаллов.

Органические материалы все шире внедряются в современную микро- и оптоэлектронику. Достаточно упомянуть фото- и электронорезисты, применяемые в литографическом процессе, лазеры на органических красителях, полимерные сегнетоэлектрические пленки. Одним из классических примеров, подтверждающих указанную тенденцию, являются жидкие кристаллы.

Нематические жидкие кристаллы сегодня не имеют конкурентов среди других электрооптических мате риалов с точки зрения энергетических затрат на их ком мутацию. Оптическими свойствами жидкого кристалла можно управлять непосредственно с микросхем, используя мощность в диапазоне микроватт. Это — прямое следствие структурных особенностей жидких кристаллов.

В индикаторе часов, калькуляторов, электронных переводчиков или в жидкокристаллическом плоском телевизионном экране осуществляется один и тот же основной процесс. Благодаря большой анизотропии диэлектрической проницаемости довольно слабое электрическое поле создает заметный вращательный момент, действующий на директор (такой момент в изотропной жидкости не возникает). Из-за малой вязкости этот момент приводит к переориентации директора (оптической оси), чего не случилось бы в твердом веществе. И наконец, этот поворот приводит к изменению оптических свойств жидкого кристалла (двулучепреломлению, дихроизму) благодаря анизотропии его оптических свойств. В тех случаях, когда информацию нужно запомнить, например, при записи ее лазерным лучом, используют специфические вязкоупругие свойства смектической фазы А. Для оптоэлектронных устройств с памятью, весьма перспективны также и жидкокристаллические полимеры.

Высокая чувствительность шага спиральной структуры холестерических жидких кристаллов к температуре используется в медицинской диагностике. Белый свет, дифрагируя на этой структуре, разлагается в спектр, и по радужным цветам можно определить локальные изменения температуры поверхности тела, Этот же метод используется в технике неразрушающего контроля поверхности различных нагревающихся предметов. Таким образом, здесь используются особенности модулированной (спиральной) структуры зеркально-асимметричной фазы жидких кристаллов.

Лиотропные фазы, представляющие собой растворы линейных жидкокристаллических полимеров, используются в технологии высокопрочных полномерных волокон. Вытяжка нити из упорядоченной фазы способствует увеличению ее прочности. Другим примером применения жидкокристаллических фаз в химической технологии является получение высококачественного кокса из тяжелых нефтяных фракций. В обоих случаях решающую роль играют особенности структурного упорядочения молекул, линейных в первом и дискообразных — во втором примере.

Особо следует подчеркнуть возможности создания анизотропных оптических элементов, а также пиро-, пьезодатчиков и нелинейно-оптических материалов на основе гребнеобразных жидкокристаллических полимеров, сочетающих в себе структурную организацию жидких кристаллов (в том числе и спонтанную поляризацию) и механические свойства полимерных материалов.

Поиск по сайту: