Жидкие кристаллы

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное  бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального  образования

«Тверской государственный  технический университет»

(ТвГТУ)

 

 

 

 

 

Курсовая работа по теме:

«Жидкие кристаллы»

 

 

 

 

Выполнил студент 2 курса

группы ХИМ-1105

Сальникова Ксения.

Проверил: доц. каф. БТиХ, к.х.н.

Быков А.В.

 

 

 

 

 

 

Тверь 2012 г.

Содержание

	стр.
Введение	3
1 История открытия жидкого  кристалла	5
2 Структура и классификация  жидких кристаллов	8
2.1 Термотропные жидкие кристаллы	13
2.2 Лиотропные жидкие кристаллы	17
3 Физические свойства жидких кристаллов	20
3.1 Двулучепреломление	24
3.2 Дихроизм	26
3.3 Оптическая активность	28
4 Современное применение  жидких кристаллов	29
Заключение	31
Список использованных источников	32

 

Введение

 

Жидкие кристаллы —  это агрегатное состояние вещества, промежуточное между кристаллическим твердым телом и аморфной жидкостью. Для жидких кристаллов характерно то, что они обладают чрезвычайно подвижной структурой, изменяющейся под воздействием сравнительно слабых внешних факторов, и это ведет к изменению макроскопических физических свойств образца. Следовательно, жидкие кристаллы — материалы с легко управляемыми свойствами, и в последние годы они нашли практическое применение в самых современных областях науки и техники. Большой интерес ученых к этому состоянию вещества обусловлен также важностью жидкокристаллических структур в молекулярной биологии и тем, что они дают богатую информацию для развития и совершенствования теории конденсированных сред [1].

Необычное сочетание слов "жидкие кристаллы", вероятно, многим уже знакомо, хотя далеко не все себе представляют, что же стоит за этим странным и, казалось бы, противоречивым понятием. Жидкие кристаллы обладают двойственными свойствами, сочетая  в себе свойство жидкостей (текучесть) и свойство кристаллических тел (анизотропию). Их поведение не всегда удается описать с помощью  привычных методов и понятий. Но именно в этом и заключена их привлекательность для исследователей, стремящихся познать еще неизведанное. В то же время, вероятно, каждый второй человек носит при себе жидкокристаллические (ЖК) индикаторы и по несколько десятков раз в день посматривает на свои электронные часы. ЖК-циферблат, которых аккуратно отсчитывает часы, минуты, секунды, а иногда и доли секунд. Именно ЖК-индикаторы являются основой современных калькуляторов, портативных компьютеров "Notebooks", миниатюрных плоских экранов телевизоров, словарей-переводчиков, пейджеров и многих других современных электронных технических и бытовых приборов и устройств.

Мировое производство ЖК-индикаторов и дисплеев исчисляется миллиардами, и по прогнозам будет увеличиваться и дальше. Уже сейчас без преувеличения можно сказать, что прогресс и развитие ряда отраслей науки и техники немыслимы без развития исследований в области жидких кристаллов. Не меньший интерес представляют собой жидкие кристаллы с точки зрения биологии и процессов жизнедеятельности. Функционирование клеточных мембран и ДНК, передача нервных импульсов, работа мышц, формирование атеросклеротических бляшек — вот далеко неполный перечень процессов, протекающих в ЖК-фазе, с присущими этой фазе особенностями — склонностью к самоорганизации и сохранении высокой молекулярной подвижности. Мир жидких кристаллов бесконечно велик и охватывает широчайший круг природных и синтетических объектов, привлекая внимание не только ученых — физиков, химиков и биологов, но и исследователей-практиков, работающих в самых разнообразных отраслях современной техники.

Целью данной курсовой работы является подробно узнать о жидких кристаллах и изучить их.

Исходя из поставленной цели, необходимо решить следующие задачи:

- проследить за основными событиями в открытии жидких кристаллов;

- определить структуру  и классификацию жидких кристаллов;

- раскрыть физические  свойства жидких кристаллов;

- изучить их современное  применение.

 

1 Открытие жидких кристаллов

 

С точки зрения истории  вопроса интересно, что Вирхов, будучи биологом и изучая строение живых клеток, еще в 1854 г. описал миелиновые фигуры. Миелиновые фигуры в клетке (водно-липидные системы) — это жидкокристаллические структуры. Однако открытие промежуточного «жидкокристаллического» состояния вещества приписывается австрийскому ботанику Фридриху Рейнитцеру; он получил эфир холестерина — холестерилбензоат и обнаружил, что у этого соединения имеются две «точки плавления», при которых происходят фазовые переходы разного характера. При 145.5°С структура твердого холестерилбензоата разрушалась, и он превращался в мутную жидкость (теперь известно, что это жидкий кристалл), которая при дальнейшем нагревании до 178.5°С становилась прозрачной. Эти наблюдения показали, что у холестерилбензоата имеются три различные фазы; твердая, жидкокристаллическая и жидкая. Рейнитцер описал свой эксперимент в статье, опубликованной в одном из химических журналов в 1888 г.

Заинтересованный таким  поведением подобных соединений, Рейнитцер обратился к немецкому физику Отто Леману, чтобы узнать его мнение о своих препаратах и побудить исследовать физические свойства этих соединений. Он писал: «Осмелюсь просить Вас исследовать более тщательно физическую изомерию двух прилагаемых веществ. Изучая эти вещества, удается наблюдать такие замечательные и прекрасные явления, что, я надеюсь, они окажутся в высшей степени интересными и для Вас... Это вещество имеет, если можно так выразиться, две точки плавления. При охлаждении появляются фиолетовый и синий цвета, которые затем быстро исчезают, причем вещество все еще остается жидким, но становится мутным. При дальнейшем охлаждении фиолетовая и синяя окраски появляются снова, и сразу вслед за этим вещество затвердевает, образуя белую кристаллическую массу. Помутнение при охлаждении вызвано появлением звездообразных агрегатов. При плавлении твердого вещества помутнение обусловлено не кристаллами, а жидкостью, которая образует в расплаве маслянистые бороздки» [2].

Образцы Рейнитцера исследовал физик Леманн в поляризационном микроскопе и установил, что исследуемая жидкость в мутном состоянии проявляет оптическую анизотропию. Исследованные им п-азоксифенетол, п-азоксианизол, олеат аммония, этиловый эфир п-азоксибензойной кислоты в определенных температурных интервалах имели, с одной стороны, свойства жидкости, а с другой, в связи с оптической анизотропией, свойства твердого тела. В исследуемых образцах Леманн установил наличие микрозон со спонтанной оптической анизотропией, что убедило его в том, что это новое, до сих пор не известное состояние вещества, которое он назвал жидкокристаллическим. Вначале Леманн ошибочно считал, что вещества в таком состоянии имеют очень подвижную объемную кристаллическую решетку. Одни экспериментаторы, изучавшие эти вещества, полагали, что имеют дело с эмульсиями, сильно рассеивающими свет, другие — что в веществах образуются микрокристаллы, окруженные пленкой жидкости, или, наоборот, капли жидкости, окруженные микрокристаллической оболочкой [3] .

Затем Фридель указал, что название «жидкий кристалл» вводит в заблуждение, так как соответствующие вещества не являются ни реальными кристаллами, ни реальными жидкостями. Он предложил называть эти состояния мезоморфными и подразделил их на три класса. Соединения первого класса (имея в виду их сходство с мылами) он назвал смектиками. Их характерной чертой является упаковка молекул бок-о-бок в последовательность слоев (за исключением смектика Б). Соединения второго класса были названы не матиками. Структура нематических веществ не столь регулярна, как у смектиков, однако они имеют сходные оптические свойства и обладают некоторой молекулярной упорядоченностью. Жидкие кристаллы третьего класса получили наименование холестериков, поскольку к ним относилось большое число производных холестерина. Однако сам Фридель не считал холестерики отдельным классом и рассматривал их как нематики.

Позднее Ринне предложил называть жидкие кристаллы паракристаллами, а также переименовать классы. Наиболее важным следствием его работы было утверждение, согласно которому встречающиеся в природе жидкие кристаллы тесно связаны с процессами жизнедеятельности. Хотя названия «мезоморфные состояния», «паракристаллы» и «анизотропные жидкости» продолжают использовать при описании поведения этих соединений, общепринят термин жидкий кристалл [2].

 

 

2 Структура и классификация жидких кристаллов

 

Наряду с термином «жидкие  кристаллы» для названия вновь открытого  состояния материи на протяжении многих лет употребляют и другие термины: текучие кристаллы, мезоморфное состояние либо паракристаллы. Однако чаще всего наряду с термином жидкий кристалл применяется название анизотропная жидкость, а чтобы более детально подчеркнуть тип жидкого кристалла, употребляют следующие термины: нематическая_у смектическая или холестерическая жидкости.

Жидкие кристаллы получают не только плавлением, но и растворением некоторых твердокристаллических тел. С увеличением концентрации раствор вначале дает смектическую, затем нематическую и изотропную жидкости. Однако некоторые вещества в соответствующем растворителе дают кристаллы только одного типа, например холестерические жидкие кристаллы. Полученные таким способом кристаллы называются лиотропными, в отличие от термотропных кристаллов, полученных плавлением твердого вещества.

Классификация жидких кристаллов предложена Леманном, затем расширена Фриделем. По этой классификации выделяются три типа или группы жидких кристаллов: смектические, нематические и холестерические. Жидкие кристаллы, входящие в каждую из этих групп, различаются физическими, и, прежде всего, оптическими свойствами. Это отличие следует из их структурного различия.

 

 

Рисунок 1 - Ориентирование молекул в смектических жидких кристаллах

 

Смектическое мезоморфное состояние впервые наблюдалось в мылах (отсюда и название «смегма» — по-гречески мыло). В таких кристаллах вытянутые молекулы в форме сигар или веретен расположены параллельно своими длинными осями и образуют слои одинаковой толщины, близкой длине молекул. Эти, так называемые смектические слои лежат один над другим на одинаковом расстоянии (рисунок 1). Молекулярные слои в типичных смектических жидких кристаллах подвижны, легко перемещаются параллельно друг другу. Температура фазового перехода в мезоморфное состояние достаточно высока. Она должна быть такой, чтобы нарушить связь между рядами, но не нарушить связь между молекулами, расположенными на близком расстоянии. Если связь между молекулами в отдельном слое частично нарушена, то вещество в пределах, слоя ведет себя как двумерная жидкость. По мере снижения температуры упорядочение в слоях увеличивается, а при достаточно низких температурах наблюдается упорядочение не только молекул в слоях, но и самих слоев и соответственно их взаимное прилегание. При дальнейшем понижении температуры появляется кристаллическая структура, т. е. может образоваться твердый кристалл с простейшей молекулярной структурой.

Хорошо известным примером лиотропного смектического двойного слоя являются пленки мыльных пузырей. Внутренние и внешние поверхности пленок и есть, собственно, смектические слои, разделенные в пузырях водной прослойкой. Смектические жидкие кристаллы часто называют смектиками.

В некоторых жидких кристаллах можно наблюдать под микроскопом наличие микроструктур в виде нитей, концы которых либо свободны, либо связаны со стенкой емкости, в которой находится изучаемое вещество. Такие вещества относятся к группе нематических жидких кристаллов («нема» — по гречески нить). Ориентация осей молекул в этих кристаллах параллельна, однако они не образуют отдельные слои. Длинные оси молекул лежат вдоль линий, параллельных определенному направлению, а их центры размещены хаотично (рисунок 2). Нематические жидкие кристаллы называются также нематиками.

 

 

Рисунок 2 - Ориентирование молекул в нематических жидких кристаллах

 

Третью группу жидких кристаллов, различающихся своими физическими  и, прежде всего, оптическими свойствами, составляют холестерические жидкие кристаллы — холестерики. К ним относятся, главным образом, производные холестерина. Сам холестерин не дает мезофазы. В холестерических жидких кристаллах молекулы расположены в слоях, как и в смектиках, однако длинные оси молекул параллельны плоскости слоев, а их расположение в пределах слоя напоминает скорее нематик. Слои в холестерических жидких кристаллах тонкие, мономолекулярные. Каждая молекула имеет плоскую конфигурацию и боковую метильную СНз-группу, расположенную над или под плоскостью. При такой конфигурации атомов в молекулах следует, что направление ориентации длинных осей молекул в каждом последующем слое отклонено на примерно 15 угловых минут по сравнению с предыдущим слоем. Эти отклонения суммируются по всей толщине вещества, что приводит к образованию спиральной молекулярной структуры холестерического жидкого кристалла (рисунок 3).

 

 

Рисунок 3 – Ориентирование молекул в холестерических жидких кристаллах

 

Некоторые из упомянутых веществ могут поочередно находиться в двух мезоморфных фазах: холестерической и смектической или нематической и смектической. Индивидуальных соединений, дающих нематическую и холестерическую фазы, не обнаружено [3].

 

2.1 Термотропные жидкие  кристаллы

 

По номенклатуре, предложенной впервые Фриделем, термотропные жидкие кристаллы разделяют на три обширных класса: нематический, холестерический и смектический.

Нематический жидкий кристалл имеет высокую степень - дальнего ориентационного порядка, однако не имеет дальнего трансляционного порядка. Таким образом, в отличие от изотропной жидкости, его молекулы длинными осями спонтанно ориентированы приблизительно параллельно друг другу (рисунок 4).

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4 – Схема молекулярного  порядка в кристаллической, нематической и изотропной фазах

 

Направление преимущественной ориентации в среде обычно меняется от точки к точке, но если ориентация в образце однородна, то он оптически одноосен и обладает сильным, положительным двулучепреломлением.

Текучесть мезофазы обусловлена легкостью, с которой одни молекулы скользят относительно других, сохраняя параллельную ориентацию.

Сравнительно недавно в работах по рассеянию рентгеновских лучей было обнаружено, что некоторые нематики состоят из кластеров, содержащих около 10² молекул, так называемых циботаксических групп, причем группы упакованы в слои. В обычных нематиках циботаксические группы, если они там существуют, настолько малы, что не могут быть зарегистрированы методами рассеяния рентгеновских лучей.