Жидких кристаллов позволяющая просматривать. Жидкие кристаллы в технике

Жидкими кристаллами называют анизотропные жидкости, которые состоят из молекул, сохраняющих определенный порядок в своем расположении относительно друг друга. (Анизотропия - зависимость физических свойств вещества от направления.) Например, атомы в молекулах могут располагаться вдоль определенной оси, и такие продолговатые молекулы ориентируются в жидком кристалле, как в твердом кристалле, вдоль особого направления. Особые направления в жидких и твердых кристаллах называются оптическими осями, так как с их существованием связаны замечательные оптические свойства этих материалов (двойное лучепреломление, поворот плоскости поляризации света и др.). В отличие от твердых кристаллов, где оптические оси жестко закреплены, в жидких кристаллах направления оптических осей можно легко изменять с помощью электрического поля. Для управления оптическими свойствами жидких кристаллов требуются весьма малые напряжения.

Электрический диполь возникает вдоль длинной оси гораздо легче, чем вдоль короткой оси, т. е., другими словами, электронное облако легко смещается относительно положительного ядра вдоль молекулы и с трудом - поперек нее. Таким образом, возникает пара сил, создающая крутящий момент, который и поворачивает молекулу так, чтобы она своей длинной осью ориентировалась вдоль поля Е.

Если бы жидкокристаллическая среда простиралась неограниченно по всем направлениям, то оптическая ось поворачивалась бы сколь угодно слабым полем. В действительности слой жидкого кристалла имеет конечную толщину (около 0,01 мм) и относительно жесткую ориентацию молекул на твердой поверхности, ограничивающей слой. Поэтому отклоняющее действие поля вступает в противоборство со стабилизирующим действием упругих сил. Фактически отклонение оптической оси в слое жидкого кристалла начинается тогда, когда крутящий момент электрических сил станет больше возвращающего момента упругих сил. Существует определенный порог разности потенциалов (около 1 В), выше которого уже нетрудно управлять оптической осью в разнообразных жидкокристаллических индикаторах.

Это объясняется тем, что все молекулы жидких кристаллов взаимосвязаны и ориентированы одинаково, и достаточно повернуть одну из них, чтобы весь коллектив молекул изменил свою ориентацию.

Падающий свет поляризуется верхним поляризатором, проходит стеклянную пластинку и попадает в слой жидкого кристалла. Если электрическая цепь разомкнута, как на пути левого пучка света, то в данном месте винтовая ориентация оптической оси сохраняется. Поэтому по мере прохождения левого пучка света его поляризация поворачивается в соответствии с поворотом оптической оси. На выходе из слоя и нижней стеклянной пластинки этот поворот составит 90°, причем поляризация света совпадает с осью нижнего поляризатора. В результате левый пучок пройдет поляризатор, отразится от зеркала и проделает весь путь в обратном направлении. Этот участок индикатора выглядит для наблюдателя светлым.

На соседнем правом участке индикатора пучок света проходит в момент замыкания цепи на цифру 8. Поляризованный свет, попав в слой жидкого кристалла, встретит здесь вертикально ориентированную оптическую ось. Именно так электрическое поле поворачивает молекулы, хорошо поляризующиеся вдоль длинной оси. Поэтому свет пройдет слой под сегментом цифры 8, не изменив своей поляризации, и будет встречен нижним поляризатором, ось которого перпендикулярна поляризации света. Следовательно, этот пучок света не дойдет до зеркала, так как будет поглощен по пути, и не вернется к наблюдателю - цифра 8 будет выглядеть темной на светлом фоне.

Так устроены буквенно-цифровые индикаторы в калькуляторах, электронных переводчиках, шкалах измерительных приборов и шкалах настройки, разнообразных табло и т. п. Жидкокристаллические экраны (дисплеи) с большим числом сегментов - электродов и сложной электронной схемой управления служат в качестве телевизионных экранов, преобразователей изображения (приборы ночного видения), средств управления световым лучом в быстродействующих электронных вычислительных машинах .

Некоторые вещества в жидкокристаллическом состоянии способны смешиваться между собой и образовывать жидкие кристаллы, обладающие различными структурами и свойствами. Это расширяет диапазон их использования в технике.

Сывороткина Д.С. 1

Пименова М.П. 1

1 Муниципальное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа №4» г. Оленегорска Мурманской области

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

В последние десятилетия бытовая техника все активнее стала использовать жидкокристаллические дисплеи (от экранов компьютеров и телевизоров до информационных блоков микрокалькуляторов, мультиметров). Современной вычислительной технике, радиоэлектронике, автоматике требуются высокоэкономичные, безопасные, быстродействующие устройства отображения информации (дисплеи). Вместе с газоразрядными (плазменными), катодолюминесцентными, полупроводниковыми и электролюминесцентными дисплеями ее обеспечивает относительно новый класс индикаторов, известных под названием жидкокристаллических (ЖКД), т.е.- устройств отображения информации работающих на основе жидких кристаллов. Меня заинтересовало устройство жидкокристаллических дисплеев и принцип их действия, а так как в школьном курсе физики данный материал не изучается, я решила сама изучить свойства и действие жидких кристаллов. Тема является актуальной, т.к. жидкие кристаллы все шире входят в нашу жизнь. Цель работы: изучить свойства жидких кристаллов и жидкокристаллической ячейки, исследовать принципы работы и возможности технического применения ЖК-ячейки. Задачи:

1. Изучить теорию жидких кристаллов и историюих создания и изучения;
2. Исследовать плоскость поляризации ЖК-ячейки;
3. Исследовать пропускание света жидкокристаллической ячейкой в зависимости от приложенного напряжения;
4. Изучить применение жидких кристаллов в технике.

Гипотеза: жидкий кристалл изменяет направление поляризации света, ЖК-ячейка изменяет оптические свойства в зависимости от приложенного напряжения. Методы исследования: Анализ и отбор теоретической информации; выдвижение гипотезы исследования; эксперимент; проверка гипотезы.

II. - Теоретическая часть.

История открытия жидких кристаллов.

Со времени открытия жидких кристаллов прошло более 100 лет. Впервые их обнаружил австрийский ботаник Фридрих Рейнитцер, наблюдая две точки плавления сложного эфира холестерина - холестерилбензоата.

При температуре плавления (Tпл), 145°С, кристаллическое вещество превращалось в мутную, сильно рассеивающую свет жидкость. При продолжении нагрева по достижении температуры 179°С жидкость просветляется (точка просветления (Tпр)), т.е. начинает вести себя в оптическом отношении, как обычная жидкость, например вода. Неожиданные свойства холестерилбензоата обнаружились в мутной фазе. Рассматривая эту фазу под поляризационным микроскопом, Рейнитцер обнаружил, что она обладает двупреломлением. Это означает, что показатель преломления света, т.е. скорость света в этой фазе, зависит от поляризации.

Двойно́елучепреломле́ние — эффект расщепления в анизотропных средах луча света на две составляющие. Если луч света падает перпендикулярно к поверхности кристалла, то на этой поверхности он расщепляется на два луча. Первый луч продолжает распространяться прямо, и называется обыкновенным (o — ordinary), второй же отклоняется в сторону, и называется необыкновенным (e — extraordinary).

Явление двупреломления - это типично кристаллический эффект, состоящий в том, что скорость света в кристалле зависит от ориентации плоскости поляризации света. Существенно, что она достигает экстремального максимального и минимального значений для двух взаимно перпендикулярных ориентаций плоскости поляризации. Разумеется, ориентации поляризации, соответствующие экстремальным значениям скорости свете в кристалле, определяются анизотропией свойств кристалла и однозначно задаются ориентацией кристаллических осей относительно направления распространения света.

Существование двупреломления в жидкости, которая должна быть изотропной, т.е. что ее свойства должны быть независящими от направления, представлялось парадоксальным. Наиболее правдоподобным могло казаться наличие в мутной фазе нерасплавившихся малых частичек кристалла, кристаллитов, которые и являлись источником двупреломления. Однако более детальные исследования, к которым Рейнитцер привлек известного немецкого физика Отто Лемана, показали, что мутная фаза не является двухфазной системой, а является анизотропной. Поскольку свойства анизотропии присуще твердому кристаллу, а вещество в мутной фазе было жидким, Леман назвал его жидким кристаллом.

С тех пор 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. Такое состояние является термодинамически стабильным фазовым состоянием и вместе с твердым, жидким и газообразным может рассматриваться как четвертое состояние вещества.

Однако понимание природы ЖК - состояния веществ установление и исследование их структурной организации пришло значительно позднее. Серьезное недоверие к самому факту существования таких необычных соединений в 20-30-х годах XX века сменилось их активным исследованием. Работы Д. Форлендера в Германии во многом способствовали синтезу новых ЖК - соединений. В двадцатые годы Фридель предложил разделить все жидкие кристаллы на три большие группы. Группы жидких кристаллов Фридель назвал:

1. Нематическими - В этих кристаллах отсутствует дальний порядок в расположении молекул, у них нет слоистой структуры, их молекулы скользят непрерывно в направлении своих длинных осей, вращаясь вокруг них, но при этом сохраняют ориентационный порядок: длинные оси направлены вдоль одного преимущественного направления. Они ведут себя подобно обычным жидкостям.

2. Смектическими - Эти кристаллы имеют слоистую структуру, слои могут перемещаться относительно друг друга. Толщина смектического слоя определяется длиной молекул, однако вязкость смектиков значительно выше, чем у нематиков.

3.Холестерическими - Эти кристаллы образуются соединениями холестерина и других стероидов. Это нематические ЖК, но их длинные оси повернуты друг относительно друга так, что они образуют спирали, очень чувствительные к изменению температуры вследствие чрезвычайно малой энергии образования этой структуры.

Фридель предложил общий термин для жидких кристаллов - «мезоморфная фаза». Этот термин происходит от греческого слова «мезос» (промежуточный), что подчеркивает промежуточное положение жидких кристаллов между истинными кристаллами и жидкостями как по температуре, так и по своим физическим свойствам.

Русские ученые В.К. Фредерикс и В.Н. Цветков в СССР в 30-х годах XX века впервые исследовали поведение жидких кристаллов в электрических и магнитных полях. Однако до 60-х годов изучение жидких кристаллов не представляло существенного практического интереса, и все научные исследования имели достаточно ограниченный, чисто академический интерес.

Ситуация резко изменилась в середине 60-х годов, когда в связи с бурным развитием микроэлектроники и микроминиатюризации приборов потребовались вещества, способные отражать и передавать информацию, потребляя при этом минимум энергии. И вот здесь на помощь пришли жидкие кристаллы, двойственный характер которых (анизотропия свойств и высокая молекулярная подвижность) позволили создать управляемые внешним электрическим полем быстродействующие и экономичные ЖК - индикаторы.

III. - Практическая часть.

Жидкокристаллическая ячейка является структурой из нескольких прозрачных слоев. Между парами поляризаторов с проводящими поверхностями находится слой жидкого кристалла. Исследуем плоскость поляризации ячейки.

Определение разрешённых направлений поляризаторов ЖК-ячейки.

После прохождения через подключённую ячейку свет поляризован в направлении поляризации второго поляризатора. Если на пути естественного света поставить поляризатор и анализатор(внешний поляризатор), то интенсивность поляризованного света, прошедшего через анализатор, будет зависеть от взаимного расположения плоскостей пропускания поляризатора и анализатора. Будем смотреть на свет сквозь анализатор и ЖК-ячейку. Вращая анализатор с указанным направлением поляризации перед ячейкой, добьёмся минимального пропускания света. В данном случае направление поляризации анализатора и ближнего поляризатора ЖК-ячейки перпендикулярны.

Установка для исследования приведена на рис.1.

На рис.2 плоскость поляризатора ЖК-ячейки перпендикулярна плоскости анализатора, поэтому интенсивность проходящего света минимальна. На рис.3 плоскость поляризатора ЖК-ячейки параллельна плоскости анализатора, поэтому интенсивность проходящего света максимальна.

Затем ЖК-ячейку перевернули и продолжили исследование.На рис.4 плоскость поляризатора ЖК-ячейки перпендикулярна плоскости анализатора, поэтому интенсивность проходящего света минимальна.На рис.5 плоскость поляризатора ЖК-ячейки параллельна плоскости анализатора, поэтому интенсивность проходящего света максимальна.

Можно сделать вывод, что направления поляризации слоёв ячейки перпендикулярны. Таким образом, поскольку жидкий кристалл поворачивает на 90 ◦ направление поляризации света прошедшего через первый поляризатор, то в результате направление поляризации света на выходе из ЖК-ячейки совпадает с разрешённым направлением второго поляризатора, а интенсивность проходящего света максимальна.

Снятие зависимости интенсивности прошедшего света Iпр от напряжения Uя на ЖК-ячейке.

Проводящие поверхности и слой жидкого кристалла представляют собой конденсатор. При приложении напряжения к ячейке длинные молекулы жидкого кристалла оказываются в электрическом поле и поворачиваются, тем самым меняются оптические свойства жидкого кристалла. Если на ячейку подать напряжение 3 В, то ячейка становится полностью непрозрачной. Исследуем зависимость пропускающей способности ячейки от приложенного напряжения. В качестве источника света используем светодиод (Рис. 6), в качестве индикатора люксметр, основной частью которого является фотодиод (рис.7).

Для измерения коэффициента пропускания в держателе закрепим светодиод, фотодиод и жидкокристаллическую ячейку между ними. Соберем схему измерения (рис.8), фотография собранной цепи представлена на рис.9, 10. Вращая ручку потенциометра, будем изменять напряжение Uя на ячейке, и снимать показания люксметра (значение обратного тока через фотодиод найдем из закона Ома для участка цепи, разделив напряжение на фотодиоде на внутреннее сопротивление вольтметра, Iф = Uв∕Rв). Построим график зависимости силы фототока от напряжения на ЖК-ячейке Iф(Uя).

Из графика (Рис.11) видно, что при большом напряжении, свет не проходит сквозь ячейку и фотодиодом не регистрируется. При уменьшении напряжения сила фототока увеличивается линейно, при значении напряжения 724 мВ угол наклона графика увеличивается. Из этого следует, что при уменьшении напряжения ЖК-ячейка лучше пропускает свет. Это позволяет использовать ЖК-ячейку в индикаторах приборов. Дисплеи приборов состоят из большого количества ЖК-ячеек, те ячейки, на которые подано напряжение в данный момент имеют вид темных областей, а ячейки без напряжения имеют вид светлых областей.

IV. - Технические применения жидких кристаллов.

Электрооптические свойства жидких кристаллов широко используют в системах обработки и отображения информации, в буквенно-цифровых индикаторах (электронные часы, микрокалькуляторы, дисплеи и т. п.), оптических затворах и других светоклапанных устройствах. Преимущества этих приборов - низкая потребляемая мощность (порядка 0,1 мВт/см 2), низкое напряжение питания (несколько В), что позволяет, например, сочетать жидкокристаллические дисплеи с интегральными схемами и тем самым обеспечивать миниатюризацию индикаторных приборов (плоские телевизионные экраны).

Одно из важных направлений использования жидких кристаллов — термография. Подбирая состав жидкокристаллического вещества, создают индикаторы для разных диапазонов температуры и для различных конструкций. Например, жидкие кристаллы в виде плёнки наносят на транзисторы, интегральные схемы и печатные платы электронных схем. Неисправные элементы — сильно нагретые или холодные (т.е. неработающие) — сразу заметны по ярким цветовым пятнам.

Новые возможности получили врачи: нанося на тело пациента жидкокристаллические материалы, врач может легко выявлять затронутые болезнью ткани по изменению цвета в тех местах, где эти ткани выделяют повышенные количества тепла. Таким образом, жидкокристаллический индикатор на коже больного быстро диагностирует скрытое воспаление и даже опухоль.

С помощью жидких кристаллов обнаруживают пары вредных химических соединений и опасные для здоровья человека гамма- и ультрафиолетовое излучения. На основе жидких кристаллов созданы измерители давления, детекторы ультразвука.

V. - Заключение.

В своей работе я познакомилась с историей открытия и изучения жидких кристаллов, с развитием их технических применений. Исследовала поляризационные свойства жидкокристаллической ячейки и пропускную способность света в зависимости от приложенного напряжения. В дальнейшем я хотела бы провести термографические исследования используя жидкие кристаллы.

VI. - Библиографический список

1. Жданов С.И. Жидкие кристаллы. «Химия», 1979. 192с.

2. Роджерс Д. Адамс Дж. Математические основы машинной графики. «Мир», 2001. 55с.

3. Калашников А. Ю. Электрооптические свойства жидкокристаллических ячеек с повышенной крутизной вольт-контрастной характеристики. 1999. 4с.

4. Коншина Е. А. Оптика жидкокристаллических сред. 2012. 15-18с.

5. Зубков Б.В. Чумаков С.В. Энциклопедический словарь юного техника. «Педагогика», 1987. 119 - 120с.

6. Студенческая библиотека онлайн. Studbooks.net. Жидкокристаллические соединения. http://studbooks.net/2288377/matematika_himiya_fizika/istoriya_otkrytiya_zhidkih_kristallov7. Википедия. Двойное лучепреломление. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B2%D0%BE%D0%B9%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D0%BB%D1%83%D1%87%D0%B5%D0%BF%D1%80%D0%B5%D0%BB%D0%BE%D0%BC%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5

Приложение

Св-в (оптич., электрич., магнитных и др.) при отсутствии трехмерного дальнего порядка в расположении частиц ( , ). Поэтому жидкокристаллич. состояние часто наз. также мезоморфным (мезофазой). На температурный интервал существования жидких ограничен т-рой твердых и т. наз. т-рой просветления, при к-рой жидкокристаллич. мутные образцы становятся прозрачными вследствие мезофазы и превращения ее в изотропную . жидкокристаллич. соед. обладают стержнеобразной или дискообразной формой и имеют тенденцию располагаться преим. параллельно друг другу. Т. наз. термотропные жидкие образуются при термич. воздействии на в-во. Такие жидкие образуют, напр., производные ароматич. соед., содержащие чередующиеся линейные и циклич. группировки (бензольные кольца). Жидкокристаллич. фаза образуется чаще всего в том случае, если заместители в располагаются в пара-положении. Большое кол-во термотропных жидкокристаллич. соед. м. б. изображено общей формулой:

X обычно -СН=N-, - СН 2 -СН 2 -, - НС=СН-, , -С(О)-NH-. Концевыми группами Y и Z м. б. алкильные и алкоксильные группировки, циано-, нитро- и и др. Примеры нек-рых жидких приведены в таблице. Часто жесткие фрагменты , напр., циклич. группировки, определяющие существование мезофазы, наз. "мезогенными". Наличие разветвлений в приводит к сужению температурного интервала существования мезофазы.

K - твердое кристаллич. состояние, I - изотропная (), N - нeматики, S(S A , S B , S F - смектики, D - дискотики, Ch - холестерики. Лиотропные жидкие образуются при нек-рых в-в в определенных р-рителях. Напр., водные р-ры , и др. образуют жидкие в определенном интервале и т-р. Структурными единицами лиотропных жидких являются надмолекулярные образования разл. типов, распределенные в среде р-рителя и имеющие цилиндрич., сферич. или др. форму. В зависимости от характера расположения стержнеобразных различают три осн. типа жидких - смектический, нематический и холестерический. В смектич. жидких (их наз. смектиками, обозначают S) располагаются в слоях. Центры тяжести удлиненных находятся в равноотстоящих друг от друга плоскостях и подвижны в двух измерениях (на смектич. плоскости). Длинные оси могут располагаться как перпендикулярно к плоскости смектич. слоя (ортогональные смектики, рис. 1,а), так и под нек-рым углом к слою (наклонные смектики, рис. 1,б).


Рис. 1. Структура смектических (а и б) и нематических (в) жидких (а - ортогональное, б - наклонное расположение ).

Кроме того, возможно упорядоченное и неупорядоченное расположение в самих слоях. Все это обусловливает возможности образования разл. полиморфных модификаций. Известно св. десятка полиморфных смектич. модификаций, обозначаемых буквами латинского , смектики А, В, С и т. д. (или S А, S В, S C и т. д.). Формирование смектич. фаз характерно для жидкокристаллич. соед., к-рых содержат длинные концевые алкильные или алкоксильные группы Y и Z с числом / 4-6. Нематич. жидкие (нематики N) характеризуются наличием ориентационного порядка, при к-ром длинные оси расположены однонаправленно при беспорядочном расположении центров тяжести (рис. 1,в). Нематич. тип жидких образуют соед., в к-рых имеются короткие алкильные или алкоксильные группы (число [ 3).

Рис. 2. Структура холестерических жидких ; пунктиром изображен шаг ; стрелки указывают направление длинных осей .

Холестерич. тип мезофазы (холестерики Сhоl) образуется двумя группами соед.: производными оптически активных , гл. обр. (отсюда назв.), и нестероидными соед., принадлежащими к тем же классам соед., к-рые образуют нематич. жидкие , но обладающими (алкил-, алкокси-, ацилоксизамещенные азометины, производные коричной к-ты, азо- и и др.). В холестерич. жидких расположены так же, как в нематических, но в каждом слое повернуты относительно их расположения в соседнем слое на определенный угол. В целом реализуется структура, описываемая спиралью (рис. 2). В-ва с дискообразными (дискотики D) могут образовывать жидкие , в к-рых упакованы в колонки (имеется дальний порядок в ориентации плоскостей дискообразных ) или расположены так же, как в нематиках (дальний порядок отсутствует) (рис. 3, а и б). Своеобразная структура жидкокристаллич. соед., обеспечивающая сочетание упорядоченности в расположении с их высокой подвижностью, определяет широкие области практич. использования жидких . Направление преимуществ. ориентации , характеризуемое аксиальным единичным , или директором, может легко изменяться под воздействием разл. внеш. факторов - т-ры, мех. напряжений, напряженности электрич. и магн. полей.

Рис. 3. Структура дискотических жидких : а - колончатая фаза; б - нематическая фаза.

Непосредственная причина ориентации или переориентации директора - вязкоупругих, оптич., электрич. или магн. св-в среды. В свою очередь, изменение преимуществ. ориентации вызывает изменение оптич., электрич. и др. св-в жидких , т. е. создает возможность управления этими св-вами посредством сравнительно слабых внеш. воздействий, а также позволяет регистрировать указанные воздействия. Электрооптич. св-ва нематич. жидких широко используют в системах обработки и отображения информации, в буквенно-цифровых (электронные часы, микрокалькуляторы, дисплеи и т. п.), оптич. затворах и др. светоклапанных устройствах. Преимущества этих приборов - низкая потребляемая мощность (порядка 0,1 мВт/см 2), низкое напряжение питания (неск. В), что позволяет, напр., сочетать жидкокристаллич. дисплеи с интегральными схемами и тем самым обеспечивать миниатюризацию индикаторных приборов (плоские телевиз. экраны). Спиральная структура холестериков определяет их высокую оптич. (к-рая на неск. порядков выше, чем у обычных орг. и твердых ) и способность селективно отражать циркулярно поляризованный свет видимого, ИК и УФ диапазонов. При изменении т-ры, состава среды, напряженности электромагн. поля изменяется шаг , что сопровождается изменением оптич. св-в, в частности цвета. Это позволяет измерять т-ру тела по изменению цвета жидкого

Жидкие кристаллы – это жидкости с упорядоченной молекулярной структурой. Благодаря упорядочению молекул они занимают промежуточное положение между кристаллами и обычными жидкостями с беспорядочным расположением молекул. Жидкие кристаллы текучи, как обычные жидкости, но в то же время обладают анизотропией свойств, как кристаллы.

Известно несколько сотен жидких кристаллов, важное место среди них занимают некоторые органические вещества, у которых молекулы имеют удлиненную форму.

По структуре жидкие кристаллы разделяют на три класса (рис. 3.8):

I (нематические);

II (смектические);

III (холестерические).

Рис. 3.8. Типы структур жидких кристаллов: а – нематические; б – смектические; в - холестерические

Ориентационный порядок в расположении молекул создает анизотропию: показатель преломления света, диэлектрическая проницаемость, удельное электрическое сопротивление, вязкость и многие другие свойства зависят от направления, вдоль которого измеряют их величины, например, параллельно или перпендикулярно осям молекул.

Структура жидких кристаллов легко изменяется под действием давления, электрического поля, нагрева. Это явление дает возможность управлять их свойствами путем слабых воздействий и делает жидкие кристаллы незаменимыми материалами для изготовления особо чувствительных индикаторов.

Способность изменять оптические свойства жидких кристаллов первого класса, а также кристаллов третьего класса под влиянием электрического поля и температурных условий широко используется в приборостроении.

В жидких кристаллах первого класса наблюдается электрооптический эффект динамического рассеяния света.

Жидкие кристаллы используют в цветных индикаторах и других цветовых устройствах. Для цветных изображений применяют смеси жидких кристаллов с красителями, также имеющими продолговатые молекулы.

На основе жидких кристаллов изготовляют медицинские термометры, датчики температуры для контроля перегрева узлов и деталей, преобразователи невидимого инфракрасного излучения в видимый свет. В последнем случае поглощение инфракрасного излучения нагревает жидкий кристалл так, что изменяется окраска отраженного света. Жидкие кристаллы применяют в модуляторах, системах отображения информации – калькуляторах, ручных часах, измерительных приборах автомобилей, устройствах для отклонения светового потока и др.

Стекло́ - вещество и матерЖи́дкие криста́ллы (сокращённо ЖК) - это фазовое состояние, в которое переходят некоторые вещества при определенных условиях (температура, давление, концентрация в растворе). Жидкие кристаллы обладают одновременно свойствами как жидкостей (текучесть), так и кристаллов (анизотропия). По структуре ЖК представляют собой вязкие жидкости, состоящие из молекул вытянутой или дискообразной формы, определённым образом упорядоченных во всем объёме этой жидкости. Наиболее характерным свойством ЖК является их способность изменять ориентацию молекул под воздействием электрических полей, что открывает широкие возможности для применения их в промышленности. По типу ЖК обычно разделяют на две большие группы: нематики и смектики. В свою очередь нематики подразделяются на собственно нематические и холестерические жидкие кристаллы.

[править] История открытия жидких кристаллов

Жидкие кристаллы открыл в 1888 г. австрийский ботаник Ф. Рейнитцер. Он обратил внимание, что у кристаллов холестерилбензоата и холестерилацетата было две точки плавления и, соответственно, два разных жидких состояния - мутное и прозрачное. Однако, учёные не обратили особого внимания на необычные свойства этих жидкостей. Долгое время физики и химики в принципе не признавали жидких кристаллов, потому что их существование разрушало теорию о трёх состояниях вещества: твёрдом, жидком и газообразном. Учёные относили жидкие кристаллы то к коллоидным растворам, то к эмульсиям. Научное доказательство было предоставлено профессором университета Карлсруэ Отто Леманном (нем. Otto Lehmann ) после многолетних исследований, но даже после появления в 1904 году написанной им книги «Жидкие кристаллы» открытию не нашлось применения.

В 1940 г., Виктор Николаевич Цветков сформулировал фундаментальные представления современной физики жидких кристаллов, лежащие в основе применения мезоморфных жидкостей в технике. В.H. Цветков объяснил природу ориентирующего воздействия электромагнитных полей на жидкокристаллические образцы, связанную с их диэлектрической и диамагнитной анизотропией; разработал теоретические и экспериментальные методы изучения упругих деформаций нематических слоев в электромагнитных полях. В.Н. Цветков открыл и объяснил явление динамического рассеяния света в жидких кристаллах, связанное с анизотропией их электропроводящих, диэлектрических и вязкостных свойств. Оригинальный метод вращающегося магнитного поля позволил впервые определить вращательную вязкость нематика и исследовать времена макроскопической переориентации жидкокристаллических веществ, что имело принципиально важное значение для понимания динамических свойств мезофаз. Систематические исследования позволили В.Н. Цветкову сформулировать общую теорию мезоморфного состояния и ввести меру дальнего ориентационного межмолекулярного порядка в жидких кристаллах, а также разработать экспериментальные методы определения этой важнейшей характеристики мезофазы.

В 1963 г. американец Дж. Фергюсон (англ. James Fergason ) использовал важнейшее свойство жидких кристаллов - изменять цвет под воздействием температуры - для обнаружения невидимых простым глазом тепловых полей. После того как ему выдали патент на изобретение (U.S. Patent 3 114 836), интерес к жидким кристаллам резко возрос.

В 1965 г. в США собралась Первая международная конференция, посвящённая жидким кристаллам. В 1968 г. американские учёные создали принципиально новые индикаторы для систем отображения информации. Принцип их действия основан на том, что молекулы жидких кристаллов, поворачиваясь в электрическом поле, по-разному отражают и пропускают свет. Под воздействием напряжения, которое подавали на проводники, впаянные в экран, на нём возникало изображение, состоящее из микроскопических точек. И всё же только после 1973 г., когда группа английских химиков под руководством Джорджа Грея (англ. George William Gray ) получила жидкие кристаллы из относительно дешёвого и доступного сырья, эти вещества получили широкое распространение в разнообразных устройствах.

[править] Группы жидких кристаллов

По своим общим свойствам ЖК можно разделить на две большие группы:

1. термотропные ЖК, образующиеся в результате нагревания твердого вещества и существующие в определенном интервале температур и давлений.
2. лиотропные ЖК, которые представляют собой двух- или более компонентные системы, образующиеся в смесях стержневидных молекул данного вещества и воды (или других полярных растворителей). Эти стержневидные молекулы имеют на одном конце полярную группу, а большая часть стержня представляет собой гибкую гидрофобную углеводородную цепь. Такие вещества называются амфифилами (амфи - по-гречески означает с двух концов, филос - любящий, благорасположенный). Примером амфифилов могут служить фосфолипиды.

Амфифильные молекулы, как правило, плохо растворяются в воде, склонны образовывать агрегаты таким образом, что их полярные группы на границе раздела фаз направлены к жидкой фазе. При низких температурах смешивание жидкого амфифила с водой приводит к расслоению системы на две фазы. Одним из вариантов амфифилов со сложной структурой может служить система мыло-вода. Здесь имеется алифатический анион СН 3 -(СН 2) n-2 -СО 2 − (где n ~ 12-20) и положительный ион Nа+, К+, NН4+ и др. Полярная группа СО 2 − стремится к тесному контакту с молекулами воды, тогда как неполярная группа (амфифильная цепь) избегает контакта с водой. Это явление типично для амфифилов.

Термотропные ЖК подразделяются на три больших класса:

Схематическое изображение нематического жидкого кристалла.

1. Нематические жидкие кристаллы. В этих кристаллах отсутствует дальний порядок в расположении центров тяжести молекул, у них нет слоистой структуры, их молекулы скользят непрерывно в направлении своих длинных осей, вращаясь вокруг них, но при этом сохраняют ориентационный порядок: длинные оси направлены вдоль одного преимущественного направления. Они ведут себя подобно обычным жидкостям. Нематические фазы встречаются только в таких веществах, у молекул которых нет различия между правой и левой формами, их молекулы тождественны своему зеркальному изображению (ахиральны). Примером вещества, образующего нематический ЖК, может служить N-(пара-метоксибензилиден)-пара-бутиланилин.

Схематическое изображение жидкого кристалла в смектической фазе

1. Смектические жидкие кристаллы имеют слоистую структуру, слои могут перемещаться друг относительно друга. Толщина смектического слоя определяется длиной молекул (преимущественно, длиной парафинового «хвоста»), однако вязкость смектиков значительно выше, чем у нематиков, и плотность по нормали к поверхности слоя может сильно меняться. Типичным является терефтал-бис(nара-бутиланилин):
2. Холестерические жидкие кристаллы - образуются, в основном, соединениями холестерина и других стероидов. Это нематические ЖК, но их длинные оси повернуты друг относительно друга так, что они образуют спирали, очень чувствительные к изменению температуры вследствие чрезвычайно малой энергии образования этой структуры (порядка 0,01 Дж/моль). В качестве типичного холестерика можно назвать амил-пара-(4-цианобензилиденамино)- циннамат

Холестерики ярко окрашены, и малейшее изменение температуры (до тысячных долей градуса) приводит к изменению шага спирали и, соответственно, изменению окраски ЖК.

Во всех приведенных типах ЖК характерным является ориентация дипольных молекул в определенном направлении, которое определяется единичным вектором - называемым «директором».

В недавнее время открыты так называемые колончатые фазы, которые образуются только дискообразными молекулами, расположенными слоями друг на друге в виде многослойных колонн, с параллельными оптическими осями. Часто их называют «жидкими нитями», вдоль которых молекулы обладают трансляционными степенями свободы. Этот класс соединений был предсказан академиком Л. Д. Ландау, а открыт лишь в 1977 Чандрасекаром. Схематично характер упорядоченности жидких кристаллов названных типов представлен на рисунке.

У ЖК необычные оптические свойства. Нематики и смектики - оптически одноосные кристаллы. Холестерики вследствие периодического строения сильно отражают свет в видимой области спектра. Поскольку в нематиках и холестериках носителями свойств является жидкая фаза, то она легко деформируется под влиянием внешнего воздействия, а так как шаг спирали в холестериках очень чувствителен к температуре, то, следовательно, и отражение света резко меняется с температурой, приводя к изменению цвета вещества.

Эти явления широко используются в различных приложениях, например, для нахождения горячих точек в микроцепях, локализации переломов и опухолей у человека, визуализации изображения в инфракрасных лучах и др.

Характеристики многих электрооптических устройств, работающих на лиотропных ЖК, определяются анизотропией их электропроводности, которая, в свою очередь, связана с анизотропией электронной поляризуемости. Для некоторых веществ вследствие анизотропии свойств ЖК удельная электропроводность изменяет свой знак. Например, для н-октилоксибензойной кислоты она проходит через нуль при температуре 146 °C, и связывают это со структурными особенностями мезофазы и с поляризуемостью молекул. Ориентация молекул нематической фазы, как правило, совпадает с направлением наибольшей проводимости.

Все формы жизни так или иначе связаны с деятельностью живой клетки, многие структурные звенья которой похожи на структуру жидких кристаллов. Обладая замечательными диэлектрическими свойствами, ЖК образуют внутриклеточные гетерогенные поверхности, они регулируют взаимоотношения между клеткой и внешней средой, а также между отдельными клетками и тканями, сообщают необходимую инертность составным частям клетки, защищая ее от ферментативного влияния. Таким образом, установление закономерностей поведения ЖК открывает новые перспективы в развитии молекулярной биологии.

[править] Применение жидких кристаллов

Сегментный и точечный ЖК-дисплей.

Одно из важных направлений использования жидких кристаллов - термография. Подбирая состав жидкокристаллического вещества, создают индикаторы для разных диапазонов температуры и для различных конструкций. Например, жидкие кристаллы в виде плёнки наносят на транзисторы, интегральные схемы и печатные платы электронных схем. Неисправные элементы - сильно нагретые или холодные, неработающие - сразу заметны по ярким цветовым пятнам. Новые возможности получили врачи: жидкокристаллический индикатор на коже больного быстро диагностирует скрытое воспаление и даже опухоль.

С помощью жидких кристаллов обнаруживают пары́ вредных химических соединений и опасные для здоровья человека гамма- и ультрафиолетовое излучения. На основе жидких кристаллов созданы измерители давления, детекторы ультразвука. Но самая многообещающая область применения жидкокристаллических веществ - информационная техника. От первых индикаторов, знакомых всем по электронным часам, до цветных телевизоров с жидкокристаллическим экраном размером с почтовую открытку прошло лишь несколько лет. Такие телевизоры дают изображение весьма высокого качества, потребляя меньшее количество энергии.

иал, один из самых древних и, благодаря разнообразию своих свойств, - универсальный в практике человека. Физико-химически - неорганическое вещество, твёрдое тело, структурно - аморфно, изотропно; все виды стёкол при формировании преобразуются в агрегатном состоянии - от чрезвычайной вязкости жидкого до так называемого стеклообразного - в процессе остывания со скоростью, достаточной для предотвращения кристаллизации расплавов, получаемых плавлением сырья (шихты) . Температура варки стёкол, от 300 до 2500 °C, определяется компонентами этих стеклообразующих расплавов (оксидами, фторидами, фосфатами и др.) . Прозрачность (для видимого человеком спектра) не является общим свойством для всех видов существующих как в природе, так и в практике стёкол.

История стекла

Долгое время первенство в открытии стеклоделия признавалось за Египтом, чему несомненным свидетельством считались глазурованные стеклом фаянсовые плитки внутренних облицовок пирамиды Джессера (27ой век до н. э.); к ещё более раннему периоду (первой династии фараонов) относятся находки фаянсовых украшений, то есть стекло существовало в Египте уже 5 тысяч лет назад. Археология Двуречья, в особенности - Древних Шумера и Аккада, склоняет исследователей к тому, что немногим менее древними образцом стеклоделия следует считать памятник, найденный в Месопотамии в районе Ашнунака - цилиндрическую печать из прозрачного стекла, датируемую периодом династии Аккада, то есть возраст её - около четырёх с половиной тысяч лет. Бусина зеленоватого цвета диаметром около 9 мм, хранящаяся в Берлинском музее, считается одним из древнейших образцов стеклоделия. Найдена она была египтологом Флиндерсом Питри около Фив, по некоторым представлениям ей пять с половиной тысяч лет. Н. Н. Качалов отмечает, что на территории Старовавилонского царства археологи регулярно находят сосудики для благовоний местного происхождения, выполненные в той же технике, что и египетские. Учёный утверждает - есть все основания считать, «что в Египте и в странах Передней Азии истоки стеклоделия… отделяются от наших дней промежутком приблизительно в шесть тысяч лет».

Существует также несколько легенд, с той или иной степенью правдоподобия толкующих возможные предпосылки того, как сложилась технология. Одна из них, поведанную античным естествоиспытателем и историком Плинием Старшим (I век). Эта мифологическая версия гласит, что однажды финикийские купцы на песчаном берегу, за неимением камней, сложили очаг из перевозимой ими африканской соды - утром на месте кострища они обнаружили стеклянный слиток.

Изучающие историю происхождения этого материала когда-нибудь придут к единому мнению и относительно места - Египет, Финикия или Месопотамия, Африка или Восточное Средиземноморье и т. д., - и относительно времени - «около 6 тысяч лет назад», но характерную для феноменологии естествознания черту - «синхронность открытий», можно наблюдать по некоторым признакам и в данном случае, причём не имеет большого значения разница даже в сотни лет, в особенности, когда в реконструируемом способе варки стекла прослеживаются существенные различия.

Основу научного подхода к исследованию и варке стёкол положил Михаил Васильевич Ломоносов. Учёным были проведены первые технологически систематизированные варки более 4 тысяч стёкол. Лабораторная практика и методические принципы, которые он применял, мало чем отличаются от считающихся в настоящее время традиционными, классическими.

Расположение молекул в жидких кристаллах изменяется под действием таких факторов, как температура, давление, электрические и магнитные поля; изменения же расположения молекул приводят к изменению оптических свойств, таких, как цвет, прозрачность и способность к вращению плоскости поляризации проходящего света. (У холестерически-нематических жидких кристаллов эта способность очень велика.) На всем этом основаны многочисленные применения жидких кристаллов.

Одно из важных направлений использования жидких кристаллов -- термография. Подбирая состав жидкокристаллического вещества, создают индикаторы для разных диапазонов температуры и для различных конструкций. Например, жидкие кристаллы в виде плёнки наносят на транзисторы, интегральные схемы и печатные платы электронных схем. Неисправные элементы -- сильно нагретые или холодные, неработающие -- сразу заметны по ярким цветовым пятнам. Новые возможности получили врачи: жидкокристаллический индикатор на коже больного быстро диагностирует скрытое воспаление и даже опухоль.

С помощью жидких кристаллов обнаруживают опасные для здоровья человека гамма- и ультрафиолетовое излучения. На основе жидких кристаллов созданы измерители давления, детекторы ультразвука. Но самая многообещающая область применения жидкокристаллических веществ -- информационная техника. От первых индикаторов, знакомых всем по электронным часам, до цветных телевизоров с жидкокристаллическим экраном размером с почтовую открытку прошло лишь несколько лет. Такие телевизоры дают изображение весьма высокого качества, потребляя меньшее количество энергии.

Зависимость цвета от температуры используется для медицинской диагностики. Нанося на тело пациента некоторые жидкокристаллические материалы, врач может легко выявлять затронутые болезнью ткани по изменению цвета в тех местах, где эти ткани выделяют повышенные количества тепла. Таким образом, жидкокристаллический индикатор на коже больного быстро диагностирует скрытое воспаление и даже опухоль.

С помощью жидких кристаллов обнаруживают пары вредных химических соединений и опасные для здоровья человека гамма- и ультрафиолетовое излучения. На основе жидких кристаллов созданы измерители давления, детекторы ультразвука.

Одним из этапов производства микросхем является фотолитография, которая состоит в нанесении на поверхность полупроводникового материала специальных масок, а затем в вытравливании с помощью фотографической техники так называемых литографических окон. Эти окна в результате дальнейшего процесса производства преобразуются в элементы и соединения микроэлектронной схемы. От того, насколько малы размеры соответствующих окон, зависит число элементов схемы, которые могут быть размещены на единице площади полупроводника, а от точности и качества вытравливания окон зависит качество микросхемы. Выше уже говорилось о контроле качества готовых микросхем с помощью холестерических жидких кристаллов, которые визуализируют поле температур на работающей схеме и позволяют выделить участки схемы с аномальным тепловыделением. Полезным оказалось применение жидких кристаллов (теперь уже нематических) на стадии контроля качества литографических работ. Для этого на полупроводниковую пластину с протравленными литографическими окнами наносится ориентированный слой нематика, а затем к ней прикладывается электрическое напряжение. В результате в поляризованном свете картина вытравленных окон отчетливо визуализируется. Более того, этот метод позволяет выявить очень малые по размерам неточности и дефекты литографических работ, протяженность которых всего 0,01 мкм.

Несмотря на большое число возможных применений ЖК, основное их применение связано с электрооптическими (ЭО) приборами. Для таких применений ЖК (нематик) должен обладать четырьмя необходимыми свойствами, а именно: 1) поверхностным упорядочением, 2) переориентацией директора электрическим полем или диэлектрической анизотропией, 3) вращением плоскости поляризации света или оптической анизотропией и 4) ориентационной эластичностью (способностью молекул к различным поворотам).

Лучших результатов с точки зрения стабильности, качества, разрешения, гладкости и яркости изображения можно добиться, используя экраны с активной матрицей, которые, впрочем, стоят дороже. В активной матрице (active matrix) используются отдельные усилительные элементы для каждой ячейки экрана, компенсирующие влияние емкости ячеек и позволяющие значительно уменьшить время изменения их прозрачности. Функциональные возможности LCD-мониторов с активной матрицей почти такие же, как у дисплеев с пассивной матрицей. Разница заключается в матрице электродов, которая управляет ячейками жидких кристаллов дисплея. В случае с пассивной матрицей разные электроды получают электрический заряд циклическим методом при построчном обновлении дисплея, а в результате разряда емкостей элементов изображение исчезает, так как кристаллы возвращаются к своей изначальной конфигурации. В случае с активной матрицей к каждому электроду добавлен запоминающий транзистор, который может хранить цифровую информацию (двоичные значения 0 или 1) и в результате изображение сохраняется до тех пор, пока не поступит другой сигнал. Запоминающие транзисторы должны производиться из прозрачных материалов, что позволит световому лучу проходить сквозь них, а значит, транзисторы можно располагать на тыльной части дисплея, на стеклянной панели, которая содержит жидкие кристаллы. Для этих целей используются тонкие пленки Thin Film Transistor (или -- ТFT). Это те управляющие элементы, при помощи которых контролируется каждый пиксель на экране. Тонкопленочный транзистор действительно очень тонкий, его толщина 0,1-0,01 мкм. Впервых TFT-дисплеях, появившихся в 1972 году, использовался селенид кадмия, обладающий высокой подвижностью электронов и поддерживающий высокую плотность тока, но со временем был осуществлен переход на аморфный кремний (a-Si), а в матрицах с высоким разрешением используется поликристаллический кремний (p-Si).

Технология создания TFT очень сложна, при этом имеются трудности с достижением приемлемого процента годных изделий из-за того, что число используемых транзисторов очень велико. Заметим, что монитор, который может отображать изображение с разрешением 800х600 пикселей в режиме SVGA и только с тремя цветами имеет 1440000 отдельных транзисторов. Производители устанавливают нормы на предельное количество транзисторов, которые могут быть нерабочими в ЖК-панели. Пиксель на основе TFT устроен следующим образом: в стеклянной пластине друг за другом интегрировано три цветных фильтра (красный, зеленый и синий). Каждый пиксель представляет собой комбинацию трех цветных ячеек или субпиксельных элементов. Это означает, например, что у дисплея, имеющего разрешение 1280x1024, существует ровно 3840x1024 транзистора и субпиксельных элемента. Размер точки (пикселя) для 15,1-дюймового дисплея TFT (1024x768) приблизительно равен 0,0188 дюйма (или 0,3 мм), а для 18,1- дюймового дисплея TFT -- около 0,011 дюйма (или 0,28 мм). В последнее время появились сообщения об изготовлении полностью полимерного пикселя, при этом транзистор также сделан из полимера.

Несмотря на широкое применение дисплеев с активной матрицей на основе нематических ЖК, у них имеется принципиальный недостаток - большое время релаксации (время поворота директора ЖК после выключения электрического поля). Сейчас существует принципиально другая технология для изготовления плоских, быстро переключающихся дисплеев, основанная на применении сегнетоэлектрических, жидкокристаллических смектиков. На первый взгляд кажется странным, что для создания быстрых приборов используется более вязкая (по сравнению с нематиком) смектическа фаза ЖК. Молекулы такого смектика обладают дипольным моментом и расположены слоями, в каждом слое наклонены под одинаковым углом к плоскости слоя. Одинаковый угол наклона возникает вследствие взаимодействия диполей молекул -- наличия сегнетоэлектрической фазы. Приложение электрического поля может изменить направление диполей на противоположное и соответственно изменится угол наклона молекул. Таким образом, в слое молекул имеется две возможные ориентации диполей и самих молекул (без электрического поля и с ним). В сегнетоэлектрическом дисплее исходно поляризаторы света устанавливаются таким образом, чтобы свет не проходил (один параллельно направлению директора молекул, другой - перпендикулярно). После приложения электрического поля, диполи молекул поворачиваются параллельно полю, а директор молекул разворачивается на некоторый угол И по отношению к поляризатору, при этом свет начинает частично проходить через структуру. Время поворота молекул в этом случае достаточно мало, 1мкс, что на 2-3 порядка меньше времени возврата молекул в нематической фазе. Японскими электронными кампаниями уже разработаны телевизионные экраны на основе ЖК сегнетоэлектриков.