ЖИдкие кристаллы

 

 

    МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Башкирский государственный педагогический университет

им. М. Акмуллы»

(ФГБОУ ВПО «БГПУ им. М. Акмуллы»)

 

 

 

Факультет: Физико-математический

Кафедра: Прикладной физики и нанотехнологий

Направление:

Курс 2, ПМФ-21-13

 

ГАЗЕТДИНОВА ЛИАНА ИЛСУРОВНА

ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ

КУРСОВАЯ РАБОТА

 

 

 

 

 

 

Научный руководитель:

к.ф.-м.н., доцент  Воробьева Наталья Викторовна

 

 

 

 

 

 

УФА 2015

 

 

Содержание

 

 

 

Введение

 Более 100 лет назад (1888 г.) ученые обнаружили, что вещества в жидкокристаллическом  состоянии обладают текучестью, как обычные жидкости, и в то  же время их оптические свойства  поразительно похожи на свойства  твердых кристаллов.

Много позже стала ясна физическая причина существования четвертого состояния вещества и его основное условие, которое заключается в том, что молекулы должны иметь не сферическую, а, например, вытянутую форму в одном направлении или заметно уплощенную. В этих случаях атомы в молекулах располагаются в основном либо вдоль определенной линии, либо в выделенной плоскости [ 5 ].

Несферичность молекулы можно характеризовать вектором единичной длины е, который либо параллелен оси молекулы, либо перпендикулярен ее плоскости. Жидким кристаллом называют жидкость, состоящую из таких молекул, которые не только удерживаются в среднем на некотором расстоянии а друг от друга, но и имеют векторы е, параллельные определенной оси L :

                   а                                                                      б

                                                       Рис.1. 1

Подчеркнем, что, хотя в таком состоянии вещества оси или плоскости его молекул оказываются параллельными, оно все равно остается жидким : центры масс молекул не образуют какой-либо периодической решетки, как в кристалле, а располагаются хаотично в пространстве и могут в нем свободно перемещаться. Разумеется, ориентация молекул в такой анизотропной жидкости подчиняется этому порядку только при умеренной температуре, пока тепловые флуктуации не настолько сильны, чтобы разрушить данный ориентационный порядок. Сильное повышение температуры вызывает разрушение порядка в ориентации молекул, когда их хаотическое поступательное и вращательное движение становится преобладающим, и жидкий кристалл превращается в обычную жидкость. Жидкие кристаллы, образующиеся при изменении температуры, называются термотропными [ 6 ].

Существование того или иного жидкого состояния зависит не только от температуры, но и от плотности вещества, точнее, от концентрации в растворе несферических молекул.

Когда на каждую молекулу в жидкости приходится объем порядка l3, где l - длина молекулы, то молекулы могут быть ориентированы как угодно. Помещая то же количество молекул в меньший объем, мы не сможем обеспечить их хаотическую ориентацию в пространстве, так как теперь при некоторых поворотах они будут мешать друг другу. Если диаметр молекулы а заметно меньше ее длины l и на каждую молекулу приходится объем порядка а2l, то все молекулы должны быть ориентированы одинаково. При промежуточной концентрации, когда на каждую молекулу приходится объем меньший, чем l3, но больший, чем а2l, ориентационный порядок будет неполным, но все-таки заметным. Обратим внимание на то, что этот порядок связан с тем, что молекулы из-за сильного отталкивания не могут проникать друг в друга. Жидкие кристаллы, образующиеся при растворении органического вещества в каком-нибудь растворителе, называются лиотропными [ 3 ].

 

1. Строение и  физико-химические свойства жидких  кристаллов

Жидкие кристаллы, вещества, переходящие при определенных условиях (температура, давление. концентрация в растворе) в жидкокристаллическое состояние, которое является промежуточным между кристаллическим состоянием и жидкостью. Как и обычные жидкости, жидкие кристаллы обладают текучестью, но при этом для них характерно спонтанное появление анизотропии свойств (оптических, электрических, магнитных и др.) при отсутствии трехмерного дальнего порядка в расположении частиц (атомов, молекул). Поэтому жидкокристаллическое состояние часто называют также мезоморфным (мезофазой). На диаграмме состояния температурный интервал существования жидкие кристаллы ограничен температурой плавления твердых кристаллов и т.е называется температурой просветления, при которой жидкокристаллические мутные образцы становятся прозрачными вследствие плавления мезофазы и превращения ее в изотропную жидкость. Молекулы жидкокристаллических соединений обладают стержнеобразной или дискообразной формой и имеют тенденцию располагаться преимущественно параллельно друг другу.

Так называемые термотропные жидкие кристаллы образуются при термическом воздействии на вещество. Такие жидкие кристаллы образуют, например, производные ароматических соединений, содержащие чередующиеся линейные и циклические группировки (бензольные кольца). Жидкокристаллическая фаза образуется чаще всего в том случае, если заместители в молекуле располагаются в пара-положении. Большое количество термотропных жидкокристаллических соединений может быть изображено общей формулой:

X обычно  —СН=N—, -СН2—СН2—, -НС=СН—,  , —С(О)—NH—. Концевыми группами Y и Z м. б. алкильные и алкоксильные группировки, галогены, циано-, нитро- и аминогруппы и др. Примеры некоторых жидкие кристаллы приведены в таблице. Часто жесткие фрагменты молекул, например, циклические группировки, определяющие существование мезофазы, называют "мезогенными". Наличие разветвлений в молекулах приводит к сужению температурного интервала существования мезофазы.

K - твердое  кристаллическое состояние, I - изотропная  жидкость (расплав), N - нeматики, S(SA, SB, SF - смектики, D - дискотики, Ch - холестерики.Лиотропные жидкие кристаллы образуются при растворении некоторых веществ в определенных растворителях. Например, водные растворы мыл, полипептидов, липидов, белков, ДНК и др. образуют жидкие кристаллы в определенном интервале концентраций и температур. Структурными единицами лиотропных жидкие кристаллы являются надмолекулярные образования различных типов, распределенные в среде растворителя и имеющие цилиндрическую, сферическую или другую форму.

В зависимости от характера расположения стержнеобразных молекул различают три основных типа жидкие кристаллы - смектический, нематический и холестерический. В смектических жидкие кристаллы (их называют смектиками, обозначают S) молекулы располагаются в слоях. Центры тяжести удлиненных молекул находятся в равноотстоящих друг от друга плоскостях и подвижны в двух измерениях (на смектической плоскости). Длинные оси молекул могут располагаться как перпендикулярно к плоскости смектического слоя (ортогональные смектики, рис. 1,а), так и под некоторым углом к слою (наклонные смектики, рис. 1,б).

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

Кроме того, возможно упорядоченное и неупорядоченное расположение молекул в самих слоях. Все это обусловливает возможности образования различных полиморфных модификаций. Известно свыше десятка полиморфных смектических модификаций, обозначаемых буквами латинского алфавита, смектики А, В, С и т. д. (или SА, SВ, SC и т. д.). Формирование смектических фаз характерно для жидкокристаллических соединений, молекулы которых содержат длинные концевые алкильные или алкоксильные группы Y и Z с числом атомов углерода / 4-6. 

Нематические жидкие кристаллы (нематики N) характеризуются наличием ориентационного порядка, при котором длинные оси молекул расположены однонаправленно при беспорядочном расположении центров тяжести молекул (рис. 1,в). Нематический тип жидких кристаллов образуют соединения, в молекулах которых имеются короткие алкильные или алкоксильные группы (число атомов углерода [ 3).

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

Холестерический тип мезофазы (холестерики Сhоl) образуется двумя группами соединений: производными оптически активных стероидов, главным образом холестерина (отсюда название), и нестероидными соединениями, принадлежащими к тем же классам соединений, которые образуют нематич. жидкие кристаллы, но обладающими хиральностью (алкил-, алкокси-, ацилоксизамещенные азометины, производные коричной кислоты, азо- и азоксисоединения и др.). В холестерические. жидкие кристаллы молекулы расположены так же, как в нематических, но в каждом слое молекулы повернуты относительно их расположения в соседнем слое на определенный угол. В целом реализуется структура, описываемая спиралью (рис. 2). Вещества с дискообразными молекулами (дискотики D) могут образовывать жидкие кристаллы, в которых молекулы упакованы в колонки (имеется дальний порядок в ориентации плоскостей дискообразных молекул) или расположены так же, как в нематиках (дальний порядок отсутствует) (рис. 3, а и б). 

Своеобразная структура жидкокристаллических соединений, обеспечивающая сочетание упорядоченности в расположении молекул с их высокой подвижностью, определяет широкие области практического использования жидких кристаллов. Направление преимущественной ориентации молекул, характеризуемое аксиальным единичным вектором, или директором, может легко изменяться под воздействием различных внешних факторов - температуры, механических напряжений, напряженности электрического и магнитного полей.

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

Непосредственная причина ориентации или переориентации директора - анизотропия вязкоупругих, оптических, электрических или магнитных свойств среды. В свою очередь, изменение преимущественной ориентации молекул вызывает изменение оптических, электрических и других свойств жидкие кристаллы, т. е. создает возможность управления этими свойствами посредством сравнительно слабых внешних воздействий, а также позволяет регистрировать указанные воздействия. Электрооптические свойства нематических 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/см2), низкое напряжение питания (несколько В), что позволяет, например, сочетать жидкокристаллические дисплеи с интегральными схемами и тем самым обеспечивать миниатюризацию индикаторных приборов (плоские телевизионные экраны). 

Спиральная структура холестериков определяет их высокую оптическую активность (которая на несколько порядков выше, чем у обычных органических жидкостей и твердых кристаллов) и способность селективно отражать циркулярно-поляризованный свет видимого, ИК и УФ диапазонов. При изменении температуры, состава среды, напряженности электромагнитного поля изменяется шаг спирали, что сопровождается изменением оптических свойств, в частности цвета. Это позволяет измерять температуру тела по изменению цвета жидкие кристаллы, контактирующего с поверхностью тела. Жидкокристаллическая термография используется в технике для визуализации ИК, СВЧ излучений, в качестве неразрушающих методов контроля в микроэлектронике и др., в медицине - для диагностики ряда сосудистых и острых воспалит. заболеваний. 

 

2. Молекулярные диполи и возможность их упорядочения

Молекулы жидкого кристалла, как и всякие другие, могут иметь электрический дипольный момент m, равный qd, где d - расстояние между центрами сосредоточения положительного и отрицательного заряда величиной ±q. Так, например, в молекуле типичного жидкого кристалла п-октил-п’-цианбефинила довольно значительный дипольный момент задается полярной нитрильной группой —C—N, причем избыточный отрицательный заряд сосредоточен на атоме азота, а положительный - углерода [ 1 ].

Если в молекуле имеются электрические диполи, то есть и электростатическое взаимодействие между ними (молекулами). Диполь-дипольное взаимодействие обычно пропорционально фактору p2/Vm, где Vm - молекулярный объем. Оно стремится установить молекулярные диполи параллельно друг другу, однако тепловое движение, а также межмолекулярные взаимодействия других типов (например, так называемые стерические факторы, обусловленные протяженной конструкцией молекулы) препятствуют этому.

Объем органических молекул обычно довольно велик, что снижает роль диполь-дипольных взаимодействий. Поэтому среди молекулярных кристаллов очень трудно найти вещества, обладающие спонтанной поляризацией, т.е. ненулевым суммарным дипольным моментом единицы объема. Примером такого вещества могут служить полярные кристаллы тиомочевины со сравнительно небольшими (малые Vm) сильно полярными (большие p) молекулами.

Упомянутый выше п-октил-п’-цианбефинил не обладает спонтанной поляризацией ни в твердой кристаллической фазе, ни в одном из его жидкокристаллических состояний (нематическом и смектическом А), так как, во-первых, довольно велик объем молекул, а, во-вторых, их дипольные моменты компенсируются. В твердой фазе такой компенсации способствует ёлочкообразная упаковка молекул, при которой соседние диполи ориентированы в противоположных направлениях, а в жидкокристаллических фазах  - быстрое свободное вращение молекул как вокруг длинных, так и вокруг коротких осей [ 1 ].