2.12.4. Рідкі кристали

При плавленні деякі кристалічні речовини проходять через кілька проміжних фаз - мезофаз. Фізичні властивості мезофаз володіють просторовою анізотропією. Як рідини вони володіють високою пластичністю, здатністю до утворення крапель і деякими іншими властивостями, притаманними рідині. Через цих властивостей речовини в таких станах називають рідкими кристалами.

Залежно від умов утворення рідкі кристали ділять на термотропні, ліотропні і фототропні. Термотропні рідкі кристали утворюються при зміні температурного режиму. Ліотропні рідкі кристали утворюються при розчиненні твердих кристалів в деяких розчинниках. Фототропні рідкі кристали утворюються під впливом випромінювання. В основному рідкокристалічний стан спостерігається у органічних речовин з сильно витягнутими макромолекулами.

Залежно від орієнтації молекул рідкі кристали ділять на смектичні, нематичні і холестеричні.

Рис. 2.12.1. Модель смектичного кристалу

Смектичні рідкі кристали характеризуються одновимірною просторовою впорядкованістю, шарістю в розташуванні молекул (рис. 2.12.1).

Рис. 2.12.2. Модель нематичного кристалу

Нематичні рідкі кристали мають орієнтаційну впорядкованість (рис. 2.12.2). Вони встановлюються так, що їхні осі паралельні одна одній, але просторової впорядкованості немає.

Рис. 2.12.3. Модель холестеричного кристалу

Холестеричні рідкі кристали характеризуються такою орієнтацією молекул, що їхні осі при переході від шару до шару розташовуються по гвинтовій лінії (рис. 2.12.3).

Рідкі кристали змінюють свої властивості під дією різних зовнішніх факторів: температури, електричних і магнітних полів, механічних деформацій, випромінювання. Тому рідкі кристали отримали широке застосування в індикаторних пристроях, в системах зберігання та обробки інформації.

2.12.5. Випаровування, сублімація, плавлення та кристалізація

Як в рідинах, так і в твердих тілах завжди є деяка кількість молекул, енергія яких достатня для подолання тяжіння до інших молекул і які здатні відірватися від поверхні рідини або твердого тіла і перейти в навколишній їхній простір. Цей процес для рідини називається випаровуванням (або паротворенням), для твердих тіл - сублімацією.

Випаровування рідин йде при будь-якій температурі, але його інтенсивність з підвищенням температури зростає. Поряд з процесом випаровування відбувається компенсуючий його процес конденсації пари в рідину. Якщо число молекул, що залишають рідину за одиницю часу через одиницю поверхні, дорівнює кількості молекул, які переходять з пари в рідину, то настає динамічна рівновага між процесам випаровування і конденденсації. Пара, що знаходиться в рівновазі зі своєю рідиною, називається насиченим.

Для більшості твердих тіл процес сублімації при звичайних температурах незначний і тиск пари над поверхнею твердого тіла малий;

він підвищується із зростанням температури.

Рис. 2.12.4. Процес плавлення твердого тіла

Інтенсивно сублімують такі речовини, як нафталін, камфора, що виявляється по різкому, властивому їм запаху. Особливо інтенсивно сублімація відбувається у вакуумі - цим користуються для виготовлення дзеркал. Відомий приклад сублімації - перетворення льоду в пару - мокра білизна висихає на морозі.

Якщо тверде тіло нагрівати, то його внутрішня енергія (складається з енергії коливань частинок у вузлах гратки та енергії взаємодії цих частинок) зростає. При підвищенні температури амплітуда коливань частинок збільшується до тих пір, поки кристалічна гратка не зруйнується, - тверде тіло плавиться. На рис. 2.12.4 зображена приблизна залежність Т = f(Q), де Q - кількість теплоти, що отримується тілом при плавленні. У міру повідомлення твердому тілу теплоти його температура підвищується, а при температурі плавлення починається перехід тіла з твердого стану в рідкий. Температура залишається постійної доти, поки весь кристал не розплавиться, і тільки тоді температура рідини знову почне підвищуватися.

Нагрівання твердого тіла до ще переводить його в рідкий стан, оскільки енергія частинок речовини повинна бути достатньою для руйнування кристалічної гратки. У процесі плавлення теплота, що повідомляється речовині, йде на здійснення роботи по руйнуванню кристалічної гратки, а тому до розплавлення всього кристала.

Рис. 2.12.5. Процес кристалізації твердого тіла

Якщо рідина охолоджується, то процес протікає у зворотному напрямку ( - кількість теплоти, що віддається тілом при кристалізації): спочатку температура рідини знижується, потім при постійній температурі, рівній починається кристалізація, після її завершення температура кристала почне знижуватися (рис. 2.12.5). Для кристалізації речовини необхідно наявність так званих центрів кристалізації - кристалічних зародків, якими можуть бути не тільки кристалики утворюється речовини, але і домішки, а також пил, сажа і т.д.

Відсутність центрів кристалізації в чистої рідини ускладнює утворення мікроскопічних кристаликів, і речовина, залишаючись в рідкому стані, охолоджується до температури, меншої температури кристалізації, при цьому утворюється переохолоджена рідина (на рис. 2.12.5 їй відповідає штрихова лінія).

При сильному переохолодженні починається спонтанне утворення центрів кристалізації, і речовина кристалізується досить швидко.

Зазвичай переохолодження розправа відбувається від частинок до десятків градусів, але для ряду речовин може досягати сотні градусів.

Через велику в'язкості сильно переохолоджених рідини втрачають плинність, зберігаючи, як і в твердих тілах, свою форму. Ці тіла отримали назву аморфних твердих тіл. До них відносяться смоли, віск, сургуч, скло.

Аморфні тіла, будучи переохолодженими рідинами, ізотропні, тобто їх властивості у всіх напрямках однакові; для них, як і для рідин, характерний ближній порядок в розташуванні частинок; в них на відміну від рідин рухливість частинок досить мала.

Особливістю аморфних тіл є відсутність у них певної точки плавлення, тобто неможливо вказати певну температуру, вище якої можна було б констатувати рідкий стан, а нижче - тверде.

У аморфних тілах з часом може спостерігатися процес кристалізації, наприклад у склі з'являються кристалики; воно, втрачаючи прозорість, починає мутніти і перетворюватися на полікристалічне тіл.

Завдання для самопідготовки

1. Який фізичний зміст поняття тверде тіло?

2. Які експерименти підтвердили припущення про існування кристалічних граток твердих тіл?

3. Які специфічні властивості кристалів пов'язані з їх симетрією і анізотропією?

4. Залізо, мідь, алюміній і інші метали є твердими тілами. Чому ж практично не спостерігаються явища, що пояснюється анізотропією цих тіл?

5. Які фізичні властивості монокристала залежать від числа дислокацій в одиниці об'єму, а які не залежить?

6. Чому в зимовий час у систему охолодження автомобільних двигунів заливають не воду, а особливу рідину - антифриз, що замерзає при температурі - 65°C.

7. Лід, що знаходиться при температурі – 10ºС, нагрівають. У результаті лід плавиться й утвориться вода при температурі 20ºС. Зобразити графічно процеси що відбуваються.