Типи рідких кристалів
Термотропні рідкі кристали, за класифікацією французького хіміка-мінеролога Ш.Фріделя (1832-1899), поділяють на три типи:
- нематичні,
- смектичні
- холестеричні.
В основу такої класифікації покладено вигляд функції густини ρ і локальної орієнтації L молекул
Для нематичного типу структури рідких кристалів ρ=const і L=const. У такому кристалі молекули довгими осями спонтанно орієнтовані майже паралельно одна одній (рис. 3).
Рис .3 Рис. 4
Для смектичного типу структури функція L=const, а ρ періодична вздовж осі, наприклад OZ, і стала у площині XOY (рис. 4). Цей тип структури характеризується двовимірною впорядкованістю молекул при паралелізації їх та ранжуванні центра мас молекул. Смектичні рідкі кристали мають шарувату структуру. Можливі різні типи упаковок молекул у шарах, внаслідок чого смектичні рідкі кристали мають велику кількість модифікацій.
Найскладніший тип упорядкування для холестеричних рідких кристалів, що характеризуються сполученням паралельних нематичних шарів. Напрям осей молекул у кожному з наступних шарів повернутий на певний кут відносно напрямів цих осей у попередніх шарах. Для таких систем ρ=const, а L модульовано за напрямом так, що кінці векторів Lутворюють гвинтову лінію у вигляді спіралі з певним кроком (рис. 5). У площині XOY холестерині рідкі кристали мають таку ж плинність. Як і нематичні рідкі кристали. А вздовж осі OZ їхні механічні властивості подібні до властивостей смектичних рідких кристалів. Внаслідок такого упорядкування холестерині рідкі кристали мають унікальні оптичні властивості.
Рис. 5
Оскільки крок спіралі для різних холестеричних рідких кристалів має величину від десятих долей мікрометра до нескінченності, то видиме та інфрачервоне світло дифрагує на таких структурах, що зумовлює селективне відбивання світлових хвиль, які поширюються у напрямі осі OZ. За межами інтервалу довжин хвиль, для яких має місце селективне відбивання, холестерині рідкі кристали мають значну оптичну активність (у 102 -103 разів більшу, ніж у органічних рідин у твердих кристалів). Прикладом холестеричних рідких кристалів є ефіри холестерину.
Виявлено новий тип рідких кристалів, які утворюються дископодібними молекулами.Рідкі кристали містять складні анізотропні молекули, і тому практично неможливо врахувати всі види взаємодії між ними. При розгляді окремих випадків враховують такі типи міжмолекулярних сил: взаємодію сталих диполів; дисперсійну взаємодію молекул, розглядуваних як дипольні осцилятори. Зумовлені притяганням між молекулами; стеричне відштовхування, зумовлене скінченними розмірами молекул у моделях жорстких важких стержнів або ланцюжків жорстких кульок; індукційну взаємодію сталого молекулярного диполя з диполями, наведеними в молекулах, що оточують їх.
Анізотропія електричних і оптичних властивостей поряд з властивістю плинності рідких кристалів зумовлює різноманітність електрооптичних ефектів. Найбільш важливі орієнтаційні ефекти, зумовлені впливом зовнішнього електричного поля на орієнтацію молекул у рідких кристалах. Ці явища вперше виявив В.К.Фредерікс і їх називають переходами Фредерікса.
Електрооптичні властивості рідких кристалів лежать в основі широкого застосування їх. Зміна орієнтації L у нематичному рідкому кристалі вимагає електричної напруги порядку 1В і потужності порядку 1мкВт, що можна забезпечити безпосереднім передаванням сигналів з інтегральних схем без їхнього додаткового підсилення. Тому рідкі кристали широко застосовуються в малогабаритних електронних годинниках, калькуляторах, вимірювальних приладах як індикатори і табло для відображення відповідної інформації. В комбінуванні з фото чутливими напівпровідниковими шарами рідкі кристали застосовуються як підсилювачі і перетворювачі зображень, а також як пристрої оптичної обробки інформації.
Залежність кроку спіралі холестеричного рідкого кристала від температури дає можливість використовувати плівки цих речовин для спостереження розподілу температури на поверхні різних тіл. Цей метод застосовується також у медицині для діагнозу запальних процесів, візуалізації теплового вимірювання тощо.