123.Рідкі кристали

Рідкі кристали — речовини в стані, проміжному між твердим кристалічним та ізотропним рідким.

Р.К. - це особливий стан деяких органічних речовин, у якому вони володіють властивістю рідини (текучістю), але зберігають упорядкованість в розташуванні молекул та анізотропію ряду фізичних властивостей, характерну для твердих кристалів.

Р К. були відкриті у 1888 р. австрійським ботаніком Ф. Рейнітцером та німецьким фізиком Леманом. Довгий час залишались маловивченими. Повторний інтерес до них виник в зв'язку із перспективами їх використання.

Р.К. складаються із молекул видовженої або дископодібної форми, взаемодія між якими намагається вишикувати їх у певному порядку. При високих температурах тепловий рух перешкоджає цьому і речовина являє собою звичайну речовину.

При температурах нижче критичної у рідині з'являеться виділений напрямок, вздовж якого переважно орієнтовані довгі або короткі осі молекул. Невелике відхилення осей від виділеного напрямку обумовлені тепловим коливаннями молекул.

По способу одержання Р.К. діляться на термотропні та ліотропні.

Термотропні Р.К. утворюються при нагріванні твердих кристалів або охолодженні ізотропної рідини і існують у певному температурному інтервалі.

Ліотропні утворюються при розчиненні твердих органічних речовин у різних розчинниках, наприклад у воді.

Обидва типа Р.К звичайно мають декілька модифікацій - рідкокристалічних фаз.

Відомо декілька органічних сполук, які утворюють Р.К..

Молекули теплового термотропного Р.К.:

4 - метоксибензилиден - 4 - бутиланіна по формі схожі на стрижні:

Наявність двох або трьох бензольних кілець у молекулі типово для Р.К..

До ліотропних Р.К відносяться системи мило - вода яка являє собою розчин так званих амфіфільних з'єднань. Молекули таких речовин складаються із двох частин: одна із яких (полярна голівка) володіє дипольним електричним моментом, розчинна у воді, але не розчина у вуглеводах; а друга (вуглеводневий ланцюг) навпаки, не розчинна у воді. Така вибірковість приводить до виникнення ламелярних (шарових) фаз у водних розчинах, у яких полярні голівки амфіфілей звернуті до водних прошарків, а вуглеводневі ланцюги один до одного, утворюючи шари.

При проміжній концентрації коли на кожну молекулу припадає об'єм,

менших ніж , але більший, ніж , орієнтаційний порядок буде неповним, але все ж помітним.

Рідини, які мають оптичні осі.

Наявність у рідині і кристалічній гратці виділеної осі надає матеріалу особливі оптичні властивості. Ці осі, які називаються оптичними, і зумовлюють подібність між рідким та твердим кристалами.

Три типи рідких кристалів

1) Нематичні рідкі кристали ("нема" - нитка (грецьк.)).

фаза з р=соnst;

2) Смектичні рідкі кристали ("смегма" - мило) L=const.

р=р(ε) - густина періодична вздовж виділеної ОСІ 2 і постійна у площині ху.

Молекули розташовані шарами, які можуть ковзати один відносно одного, зумовлюючи текучість таких рідких кристалів вздовж шарів. Відносне навантаження __ цім шарам (осі z) вони ведуть себе як тверде тіло.

3)Холестерічні рідкі кристали - характери р(r)=соnst і макроскопічною структурою, до того ж кінці векторів L утворюють у просторі спіраль.

Уплощині ху холестеричні рідкі кристали володіють такою ж текучістю, як і нематики, а вздовж осі спіралі (вісі z) їх механічні властивості подібні властивостям смектичних рідких кристалів.

Існування того чи іншого рідкокристалічного стану залежить не тільки від температури існування L - директора., але і від густини речовини, точніше від концентрації несферичних молекул.

На кожну молекулу у рідині припадає об'єм порядку І³ де І-довжина молекули. Молекули можуть бути орієнтовані як

завгодно.

Якщо на кожну молекулу припадає об'єм порядку І, то всі молекули повинні бути орієнтовані однаково:

а - діаметр молекули;

І - довжина молекули.

Властивості рідких кристалів

Рідкі кристали володіють анізотропією пружності, електропровідності, магнітної спринятливості, діелектричної проникненості; оптичною анізотропією, сигнетоелектричним властивостями.

Анізотропія магнітної сприйнятливості та діелектричної проникності приводить до переорієнтації оптичної осі одноосних орієнтованих рідких кристалів у магнітному та електричному полях.

Поєднання анізотропії діелектричної проникності та електропровідності у легованих рідких кристалах приводить до виникнення у тонких шарах рідких кристалів, розміщених у електричному полі, просторово-періодичних структур - дифракційних ґраток. Можуть створюватися керовані дифракційні ґратки.

У досить сильних електричних полях початково прозорий зразок рідкого кристалу може сильно розсіювати світло, стаючи матово непрозорим. Всі ефекти зворотні.

Смектичні рідкі кристали мають властивість на довгий час "запам'ятовувати" дію механічного стиску. Так стиснутий до 1 атм. однорідно орієнтований шар смектика прозорий, а при знятті тиску він стає матово-непрозорим і зберігає такий стан. Ця властиівсть може використовуватися у пневмоавтоматиці.

Холестерики володіють великою оптичною активністю. Вони різко змінюють крок спіральної структури та забарвлення при зміні температури середовища на долі градуса, а також при зміні складу середовища на долі проценту.

Для практичного застосування найбільш важливі орієнтаційні ефекти, не пов'язані із протіканням струму через речовину і зумовлені часто діелектричною взаємодією зовнішнього електричного поля Е з анізотропією Е_а середовища. У зовнішньому полі рідкий кристал намагається орієнтуватися так, щоб напрямок, у якому його діелектрична проникність максимальна, зпівпав з напрямком поля. При цьому або в залежності від знаку Е_а. З переорієнтацією доректора L пов'язана зміна напрямку оптичної осі (подвійне променезаломлення, поглинання світла, поворот площини полярізації.).

Найбільш практичне значення має так званий твіст-ефект. У відсутності поля світло попередньо поляризоване за допомогою плівкового поляроїда, проходять крізь твіст-структуру з поворотом площини поляризації на кут π/2. Якщо на скло наклеєні прозорі електроди то при накладанні електричного поля у випадку Е_а>0 дитектор переорієнтовується __ до скла і комірка втрачає здатність повертати площину поляризації світла. На виході комірки звичайно ставлять плівковий аналізатор і спостерігають зміну оптичного пропускання. Цей ефект використовується у чорно-білих індикаторах.

24