Жидкие кристаллы
Вещества, способные в определенном температурном интервале выше точки плавления сочетать одновременно свойства жидкостей (текучесть, способность к образованию капель) и свойства кристаллических тел (анизотропии), стали называться жидкими кристаллами или жидкокристаллическими. ЖК-вещества часто называют мезоморфными, а образуемую ими ЖК-фазу — мезофазой (от греч. "мезос" — промежуточный). Такое состояние является термодинамически стабильным фазовым состоянием и по праву на ряду с твердым, жидким и газообразным может рассматриваться как четвертое состояние вещества.
Классификация:
-Каламитические(палочковидные)
-Дисковые(дискотические)
Каламитические:
Фазовые типы нехиральных соединений:
- нематические: ориентационный порядок молекулярных длинных осей;
- смектические: слоистый структуры; присутствует некоторая вероятность упорядоченного состояния внутри слоев и взаимного их распределения, а также вероятность ориентационной и позиционной упорядоченности;
- мягкие кристаллы: ранее носили название «упорядоченные смектические структуры»; слоистые структуры с трехмерным ориентационным порядком, более низким, чем в обычных кристаллах;
- кубические: структуры с мицеллярными единицами решетки или сложными вплетенными структурами, с трехмерным порядком единиц решетки, жидкие на молекулярном уровне.
В нематической (N) фазе молекулы ориентированы параллельно одна другой. Они могут свободно перемещаться и вращаться вдоль и вокруг длинных и коротких осей. Когда молекулы подвижны, они могут существовать во всех возможных конформационных вариантах структуры, исходя из распределения Больцмана. Главное отличие между нематическими и обычными изотропными кристаллами заключается в предпочтительной ориентации молекулярных длинных осей
Основным отличием является то, что нематические жидкие кристаллы обладают оптическим двупреломлением, электрической и магнитной чувствительностью, а также анизотропными упругими свойствами. Сочетание анизотропии и текучести позволяет использовать их при производстве электрооптических дисплеев.
В общем случае смектические кристаллы имеют слоистую структуру. Слои смектических А-фаз обладают подобной жидкости (случайной) упорядоченностью молекулярных центров с ортогональной ориентацией молекул на плоскости слоев. Молекулы обладают высокой подвижностью (например, возможностью вращаться вокруг длинных и коротких осей) и относительно высокой свободой перемещения. Вращение вокруг длинных осей, которому препятствует лишь небольшая потенциальная энергия, усредняет свойства в горизонтальных направлениях и вызывает проявление неосевых физических анизотропных свойств.
Фазовые типы хиральных молекул
- хиральная нематическая фаза;
- хиральная смектическая фаза.
Xиральная нематическая фаза носит название холестерической, так как впервые была открыта в холестериновых производных. Квазислои данной структуры имеют нематический характер. Однако предпочтительные направления смежных слоев отклонены на небольшие углы, что приводит к образованию геликоидальной (винтовой) структуры. Данная геликоидальная структура имеет характеристическую степень р (в большинстве случаев — несколько микрометров). В зависимости от значения хиральности молекул, структура по своему характеру соответствует правовому или левому винту. Такие смеси хиральных молекул образуют обычные нематические фазы. Спиральность структуры вызывается выборочным отражением света с круговой поляризацией, сильной оптической активностью и образованием особых структур в хиральных нематических фазах. При механическом скручивании нематических слоев, полученных из нехиральных соединений и стабилизированных направляющими подложками, они приобретают свойства, аналогичные малоскрученным хиральным нематическим структурам.
Структуры хиральных смектических фаз А и В аналогичны нехиральным вариантам. Но хиральность молекул добавляет этим фазам дополнительные свойства: очень слабую оптическую активность и электроклинный эффект. Уникальными свойствами обладают и смектические С-фазы, полученные из хиральных соединений. Помимо наклона структуры С-фазы, в смежных слоях проекция наклона плоскости слоя повернута на небольшой угол, вследствие чего образуется скрученная структура . Это скручивание обеспечивает свойства, аналогичные свойствам скрученных нематических структур (сильную оптическую активность и выборочное отражение света с круговой поляризацией), а также при этом образуются особые текстуры.
Когда соединения имеют боковой электрический дипольный компонент (что вполне нормально), в поверхностном слое развивается спонтанная поляризация. Поскольку ориентация этой спонтанной поляризации следует по направлению скручивания структуры, она гасится (гелиэлектричество). Структура может быть раскручена внешними полями или при взаимодействии с несущими стенками. В этом случае она приобретает сегнетоэлектрические свойства.
Дискотические жк
Базовая структура столбчатой фазы: диски расположены один поверх другого в виде столбцов, которые образуют двухмерную решетку. Выделяют несколько вариантов этой структуры: вертикальные столбцы, наклонные столбцы, гексагональная решетка, прямоугольная решетка и др. В некоторых случаях столбцы аморфные — молекулярные центры внутри каждого столбца расположены апериодически. В других случаях молекулярные центры расположены более упорядочено, с большей привязкой к центральной оси столбца.
Дискотическая нематическая фаза представляет собой жидкую фазу, содержащую шлиховые текстуры. Она имеет сходство с классической нематической фазой стержнеобразных молекул. Структура дискотической нематической фазы: это ориентационно упорядоченное размещение дисков без переходного дальнего порядка. Однако в отличие от обычной нематической фазы оптически отрицательна — направитель n является преимущественной осью ориентации молекулярной короткой оси или дисковой нормали.
Когда дискотические мезогены связаны между собой, они образуют полимеры, которые сохраняют (или даже стабилизируют) мезофазы мономеров. Различные типы дискотических полимерных структур можно разделить на три общих класса: полимеры с жестким стержнем, полуподвижные полимеры и сетевые полимеры . Структура с жестким стержнем может быть получена как при формировании жесткой основной цепи полимера вдоль центральной оси столбца , так и при связывании дискотических мезогенов по краю жесткими спейсерами . Известно два типа полуподвижных полимеров:
- полимеры со структурой главной цепи, в которой мезогены связаны подвижными спейсерами — наподобие бусинок на нити;
- полимеры боковых цепей, мезогены которых прикреплены к подвижной основной цепи полимера за счет спейсеров
Частным случаем являются полимеры боковых цепей с подвижной основной цепью полимера — фазмидные системы , которые формируют столбчатые мезофазы. В этих материалах мезогены представляют собой плоские, заостренные элементы (как куски пирога), самособранные в столбцы.
СТЕКЛА
Неорганическое стекло - квазиаморфное твердое вещество, у которого при наличии ближнего порядка отсутствует дальний порядок в расположении частиц.
Стекло — это такое состояние аморфного вещества, которое получается при затвердевании переохлажденной жидкости
Рентгенограммы кварцевого стекла лучше всего интерпретируются в рамках модели непрерывной беспорядочной сетки тетраэдров SiO4 (атом кремния, окружен четырьмя атомами кислорода), и отражают ближний порядок в структуре стекла
В бездефектном кварцевом стекле существуют только мостиковые атомы кислорода. Для стекол, содержащих два или более компонентов, характерна химическая неоднородность. При введении в SiO2оксида натрия в результате взаимодействия оксидов, несмотря на сохранение координации атомов кремния относительно кислорода, непрерывность кремнекислородной сетки нарушается за счет частичных обрывов связей Si-O-Si, соединяющих тетраэдры между собой.
Оксидные стекла Основу оксидного стекла составляет стеклообразующий оксид. К числу стеклообразующих оксидов относятся SiO2, В2O3, GeO2, P2O5. Наибольшее распространение получили силикатные стекла (на основе SiO2) благодаря высокой химической устойчивости, а также дешевизне и доступности сырьевых компонентов. Для придания определенных физических свойств в состав силикатных стекол вводят оксиды различных металлов (наиболее часто щелочных и щелочноземельных).
Предел прочности стекла при растяжении невелик (8.107Н/м2) и увеличивается при повышении содержания в нем SiO2 и CaO. Щелочные оксиды снижают прочность стекла.
Халькогенидные стекла группа веществ, сочетающих в себе свойства стекол и кристаллических тел полупроводников. сплавы халькогенидов — сурьмы, мышьяка и таллия — образуют обширную область стеклообразного состояния. Халькогенидные стекла могут быть получены на основе самых различных сочетаний. В совокупности они представляют весьма обширную группу стекол, обладающих весьма разнообразными физико-химическими, физическими, электрическими и оптическими свойствами. они являются типичными электронными полупроводниками с дырочным механизмом проводимости.
На основе стекол также получают: стеклокерамический материал — ситалл, ячеистый материал пеностекло, триплекс, и ряд других материалов.
СИТА́ЛЛЫ (от «стекло и кристаллы»), стеклокристаллические (микрокристаллические) материалы, состоящие из одной или нескольких кристаллических фаз, равномерно распределенных в стекловидной фазе. Главная особенность ситаллов — тонкозернистая равномерная стеклокристаллическая структура. От неорганических стекол они отличаются кристаллическим строением, а от керамических материалов – более зернистой и однородной микрокристаллической структурой. Получают путем направленной (катализированной) кристаллизации стекол специальных составов, протекающей в объеме заранее отформованного изделия. Различают технические ситаллы (изготовляемые на основе искусственных композиций из различных химических соединений — оксидов, солей), петроситаллы (из горных пород — базальтов, диабазов и др.) и шлакоситаллы (из металлургических или топливных шлаков).
В отличие от обычных стекол, свойства которых определяются в основном их химическим составом, для ситаллов решающее значение имеют структура и фазовый состав. Причина ценных свойств ситаллов заключается в их исключительной мелкозернистости, почти идеальной поликристаллической структуре, что обусловливает сочетание высокой твердости и механической прочности с отличными электроизоляционными свойствами, высокой температурой размягчения, хорошей термической и химической стойкостью. Свойства ситаллов изотропны. В них совершенно отсутствует вязкая пористость
ПЕНОСТЕКЛО́ - ячеистый материал, получаемый на основе стекла. Легкий пористый материал, строение которого напоминает твердую мыльную пену. Размер ячеек пены может быть от долей миллиметра до сантиметра. Цвет материала от светло-кремового до черного (обычно зеленовато-серый), но в зависимости от состава стекла и примесей может приобретать практически любые цвета. Высокие тепло- и звукоизоляционные свойства, малая плотность, легко поддается механической обработке и склеиванию. Применяется для теплоизоляции, как плавучий материал.
Пеностекло обладает высокими тепло- и звукоизоляционными свойствами. Как всякое стекло нерастворимо в воде, устойчиво к действию большинства кислот и органических растворителей, т.е. оно инертно во всех средах за исключением растворов сильных щелочей и плавиковой кислоты. Выдерживает высокие температуры. Основные уникальные свойства пеностекла в сравнении с традиционными теплоизоляционными материалами заключаются в низкой теплопроводности при высокой прочности и удобстве обработки и монтажа при экологической безопасности и долговечности.
ТРИ́ПЛЕКС (от лат. triplex — тройной), материал, состоящий из трех слоев; двух пластин силикатного или органического стекла и склеивающего соединительного слоя (обычно из поливинилбутираля). При ударе не разлетается на осколки, т. к. отдельные куски пластин удерживаются соединительным слоем. Применяется для остекления средств транспорта, скафандров.
Кристаллическая структура элементов (семейство кристаллов, тип кристаллической решетки, нотация Пирсона)
Криста́ллы — твёрдые тела, в которых атомы расположены закономерно, образуя трёхмерно-периодическую пространственную укладку — кристаллическую решётк
Кристаллы в природе образуются также из растворов, примером чему могут служить сотни миллионов тонн соли, выпавшей из морской воды
Кристаллы образуются также непосредственно из пара или газа. При охлаждении газа электрические силы притяжения объединяют атомы или молекулы в кристаллическое твердое вещество. Так образуются снежинки; воздух, содержащий влагу, охлаждается, и прямо из него вырастают снежинки той или иной формы.
Для пространства же имеется 14 способов расположения одинаковых точек, удовлетворяющих требованию, чтобы у каждой из них было одно и то же окружение. Это пространственные решетки, называемые также решетками Браве
Требование того, чтобы каждый узел решетки имел одинаковое атомное окружение, применительно к кристаллам налагает ограничения на сам основной элемент рисунка. При повторении он должен заполнять все пространство, не оставляя пустых узлов. Было установлено, что существует лишь 32 варианта расположения объектов вокруг некоторой точки (например, атомов вокруг узла решетки), удовлетворяющих этому требованию. Это так называемые 32 пространственные группы. В сочетании с 14 пространственными решетками они дают 230 возможных вариантов расположения объектов в пространстве, называемых пространственными группами
Плоскость симметрии. Многие хорошо известные нам предметы обладают симметрией относительно плоскости. Например, стул или стол можно представить себе разделенными на две одинаковые части. Точно так же плоскость симметрии делит кристалл на две части, каждая из которых является зеркальным отображением другой. (Плоскость симметрии иногда называют плоскостью зеркального отображения.)
Ось симметрии. Ось симметрии – это воображаемая прямая, поворотом вокруг которой на часть полного оборота можно привести объект к совпадению с самим собой. В кристаллах возможны только пять видов осевой симметрии: 1-го порядка (эквивалентная отсутствию вращения), 2-го порядка (повторение через 180°), 3-го порядка (повторение через 120°), 4-го порядка (повторение через 90°) и 6-го порядка (повторение через 60°).
Центр симметрии. Кристалл имеет центр симметрии, если любая прямая, мысленно проведенная через него, на противоположных сторонах поверхности кристалла проходит через одинаковые точки. Таким образом, на противоположных сторонах кристалла находятся одинаковые грани, ребра и углы.
Имеются 32 возможные комбинации плоскостей, осей и центров симметрии в кристаллах; каждой такой комбинацией определяется кристаллографический класс. Один класс не имеет симметрии; говорят, что он имеет одну ось вращения 1-го порядка.