Жидко-кристаллическое сосотояние вещества

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ  ФЕДЕРАЦИИ

 

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение  высшего 

профессионального образования

«Воронежский  государственный педагогический университет»

Кафедра химии

Реферат

По химии

«Жидко-кристаллическое  состояние вещества»

 

                                                               

 

 

                                                                    

                                                            

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

План.

1)Жидко-кристаллическое  состояние вещества.

    А) Смектический.

   Б) Нематический.

   В) Холестерический.

2) Роль жидкокристаллического состояния в химии и технике.

3) Устройство ЖК-монитора.

4) Литература. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

При охлаждении некоторых  жидких веществ появляется новое  их состояние, похожее и на жидкое, и на твердое. В этом состоянии  вещество полупрозрачно или непрозрачно, сохраняет текучесть, но уже имеет  анизотропные свойства и обладает определенной упорядоченностью структуры.Такое  состояние вещества называют жидкокристаллическим. Жидкокристаллическое состояние было открыто в результате наблюдений за процессами плавления. При плавлении  некоторых веществ образуется мутная жидкость, обладающая светорассеянием  и двойным лучепреломлением. Образование  жидкокристаллического состояния  при плавлении сопровождается частичным  разрушением дальнего порядка. При  дальнейшем нагревании мутный расплав  переходит в прозрачную жидкость, обладающую изотропными свойствами.По степени молекулярной упорядоченности  жидкие кристаллы занимают промежуточное  положение между твердыми кристаллами, в которых существует трехмерный дальний порядок, и жидкостями, имеющими только ближний порядок в расположении частиц. Поэтому жидкокристаллическое состояние часто называют мезоморфным ("мезос" - промежуточный), а само вещество - мезофазой. Наиболее часто  жидкокристаллическое состояние встречается  у органических веществ, молекул  которых имеют удлиненную или  дискообразную форму.Своеобразное сочетание свойств, присущих как  жидкостям, так и кристаллам, обусловлено  особенностью внутренней молекулярной структуры жидких кристаллов. Различаются  три основных типа жидких кристаллов: смектический, нематический и холестерический.Смектические ( от греч. "смегма" - мыло) жидкие кристаллы  могут быть образованы веществами, молекулы которых имеют вытянутую  сигарообразную форму, причем они ориентированы  параллельно друг другу и образуют тонкий слой. Внутри слоев, в боковых  направлениях, строгая периодичность  в расположении молекул отсутствует. Смектическими жидкими кристаллами  являются, например, радужные мыльные  пузыри. Смектический слой обладает важнейшим  свойством твердого кристалла - анизотропией оптических свойств, так как вдоль  длинной оси молекул свет распространяется с меньшей скоростью, чем поперек  нее, и показатели преломления в  жидком кристалле в этих направлениях различны.  
Второй тип жидкокристаллических веществ называется нематическим (от греч. "нема" - "нить"). Эти вещества содержат нитевидные частицы, которые либо прилипают к стенкам сосуда, либо остаются свободными. Эти нити выглядят "причесанными" и направлены параллельно друг другу, но могут скользить вверх и вниз. Подходящая аналогия для нематических жидких кристаллов - длинная коробка с короткими карандашами, которые могут свободно поворачиваться вокруг своей оси, перемещаться вдоль коробки, но никогда не встают поперек. Нематические жидкие кристаллы не такие упорядоченные, как смектические. Тем не менее они тоже оптически анизотропны и под микроскопом дают "муаровую" текстуру с чередующимися светлыми и темными полосами. Частицы нематического жидкого кристалла реагируют на электрическое и магнитное поле так же, как железные опилки, располагаясь самым упорядоченным образом вдоль силовых линий поля.Холестерические жидкие кристаллы - это в основном производные холестерина. Здесь плоские и длинные молекулы собраны в слои (как у смектических), но внутри каждого слоя расположение частиц похоже больше на нематические жидкие кристаллы. Интересно то, что тончайшие соседние молекулярные слои в холестерическом жидком кристалле немного повернуты друг относительно друга, благодаря чему стопка подобных слоев описывает в пространстве спираль. В силу столь своеобразного строения эти жидкие кристаллы обладают необычными оптическими свойствами. Обычные свет, проходя через такие вещества, распадается на два луча, которые преломляются по-разному. Когда бесцветный, как вода, холестерический жидкий кристалл попадает в зону с меняющейся температурой, он принимает яркую окраску.  
Из каждой тысячи новых органических соединений, синтезируемых в лабораториях мира, по крайней мере, пять могут образовывать жидкие кристаллы.

 

 

 

 

 

 

 

Роль жидкокристаллического состояния в химии и технике. 
 
 
Интерес к частично упорядоченным системам вообще и к системам с пониженной размерностью в частности весьма характерен для современного естествознания. 
 
Достаточно упомянуть аморфные полупроводники или квазиодномерные структуры органических металлов. Жидкие кристаллы открывают возможность детального исследования эффектов, связанных с “вымораживанием” тех или иных степеней свободы . 
 
Так, например, при плавлении обычного кристалла в изотропную жидкость кристалл теряет устойчивость одновременно по всем трансляционным и ориентационным степеням свободы. Используя жидкие кристаллы, этот сложный процесс можно “разложить по полочкам” и исследовать целый набор фазовых переходов по очереди. Это и происходит сейчас на самом деле: изучение переходов между различными жидкокристаллическими фазами занимает одно из центральных мест в физике кристаллов. 
 
Большой интерес к частично упорядоченным системам проявляется также в спектроскопии, где появилась возможность изучать эффекты анизотропии межмолекулярных взаимодействий. То же самое можно сказать и об изучении различных эффектов переноса (энергии, заряда, различных  ). 
 
Жидкие кристаллы открывают интересную возможность моделирования самых различных явлений. Фазовые переходы между, скажем, нематическим и Смектическим. А состояниями имеют много общих черт с фазовыми переходами в сверхтекучем гелии. При этом роль квантовомеханической волновой функции сверхтекучей фазы, не наблюдаемой в экспериментах с гелием, играет здесь амплитуда волны плотности, которую можно определить из рентгеноструктурного анализа. Отмечаются также аналогии между поведением некоторых дефектов и диссипативных структур в жидких кристаллах с эффектом Джозефсена в сверхпроводниках и т.д. Интересные аналогии просматриваются также в поведении определенных дефектов в жидких кристаллах с теоретически предсказанными свойствами магнитных монополей . 
 
Еще один аспект, возбуждающий интерес к жидким кристаллам, обусловлен наличием оптической анизотропии нематической фазы, являющейся трехмерной жидкостью. Оптическая анизотропия позволяет визуализировать сложные гидродинамические процессы, трудно наблюдаемые в обычных жидкостях. К тому же анизотропия электрических и вязкоупругих свойств жидких кристаллов сама по себе может стать причиной возникновения целого ряда новых гидродинамических и электрогидродинамических эффектов. Эти особенности жидкокристаллических фаз открывают возможность моделирования процессов возникновения упорядоченных диссипативных структур, автоволновых процессов, изучения общих принципов самоорганизации материи. Не менее важна и возможность изучения перехода от упорядоченных структур к хаосу, в частности от ламинарного течения жидкости к турбулентному . 
 
Органические материалы все шире внедряются в современную микро – и оптоэлектронику. Достаточно упомянуть фото- и электронорезисты, применяемые в 
 
литографическом процессе, лазеры на органических красителях, полимерные сегнетоэлектрические пленки. На наших глазах рождается молекулярная электроника, предполагающая использование молекулярных систем в самых различных функциональных элементах. Одним из классических примеров, подтверждающих данную тенденцию, являются жидкие кристаллы . 
 
Нематические жидкие кристаллы сегодня не имеют конкурентов среди других электрооптических материалов с точки зрения энергетических затрат на их коммутацию. Оптическими свойствами жидкого кристалла можно управлять непосредственно с микросхем, используя мощность в диапазоне микроватт. Это - прямое следствие структурных особенностей жидких кристаллов. 
 
В индикаторе часов, калькуляторов, электронных переводчиков или в плоском жидкокристаллическом телевизионном экране осуществляется один и тот же основной процесс. Благодаря большой анизотропии диэлектрической проницаемости довольно слабое электрическое поле создает заметный вращательный момент, действующий на директор (такой момент в изотропной жидкости не возникает). 
 
Из-за малой вязкости этот момент приводит к переориентации директора (оптической оси), чего не случилось бы в твердом веществе. И наконец, этот 
поворот приводит к изменению оптических свойств жидкого кристалла(двулучепреломлению, дихроизму) благодаря анизотропии его оптических свойств. 
 
В тех случаях, когда информацию нужно запомнить, например, при записи ее лазерным лучом, используют специфические вязкоупругие свойства смектической фазы А. Для оптоэлектрических устройств с памятью весьма перспективны также и жидкокристаллические полимеры. 
 
Особо следует отметить возможности создания анизотропных оптических элементов, а также пиро -, пьезодатчиков и нелинейно-оптических материалов на основе гребнеобразных жидкокристаллических полимеров, сочетающих в себе структурную организацию жидких кристаллов (в том числе и спонтанную  поляризацию) и механичекие свойства полимерных материалов.

Устройство ЖК-монитора.

  Каждый пиксел ЖК-дисплея состоит из слоя молекул между двумя прозрачными электродами, и двух поляризационных фильтров, плоскости поляризации которых (как правило) перпендикулярны. В отсутствие жидких кристаллов свет, пропускаемый первым фильтром, практически полностью блокируется вторым.

Поверхность электродов, контактирующая с жидкими  кристаллами, специально обработана для  изначальной ориентации молекул  в одном направлении. В TN-матрице  эти направления взаимно перпендикулярны, поэтому молекулы в отсутствие напряжения выстраиваются в винтовую структуру. Эта структура преломляет свет таким образом, что до второго фильтра плоскость его поляризации поворачивается, и через него свет проходит уже без потерь. Если не считать поглощения первым фильтром половины неполяризованного света — ячейку можно считать прозрачной. Если же к электродам приложено напряжение — молекулы стремятся выстроиться в направлении поля, что искажает винтовую структуру. При этом силы упругости противодействуют этому, и при отключении напряжения молекулы возвращаются в исходное положение. При достаточной величине поля практически все молекулы становятся параллельны, что приводит к непрозрачности структуры. Варьируя напряжение, можно управлять степенью прозрачности. Если постоянное напряжение приложено в течении долгого времени — жидкокристаллическая структура может деградировать из-за миграции ионов. Для решения этой проблемы применяется переменный ток, или изменение полярности поля при каждой адресации ячейки (непрозрачность структуры не зависит от полярности поля). Во всей матрице можно управлять каждой из ячеек индивидуально, но при увеличении их количества это становится трудновыполнимо, так как растёт число требуемых электродов. Поэтому практически везде применяется адресация по строкам и столбцам. Проходящий через ячейки свет может быть естественным — отражённым от подложки(в ЖК-дисплеях без подсветки). Но чаще применяют искусственный источник света, кроме независимости от внешнего освещения это также стабилизирует свойства полученного изображения. Таким образом полноценный ЖК-монитор состоит из электроники, обрабатывающей входной видеосигнал, ЖК-матрицы, модуля подсветки, блока питания и корпуса. Именно совокупность этих составляющих определяет свойства монитора в целом, хотя некоторые характеристики важнее других.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы.

 

1. Блинов Л.М., Пикин С.А. Жидкокристаллическое состояние вещества. - М.: Знание, 2002. - 64 с. - (Новое в жизни, науке, технике. Сер. “Физика”).
2. Блинов Л.М., Береснев Л.А. Сегнетоэлектрические жидкие кристаллы. - Успехи физических наук, 2001, т.143, вып.3, стр.391.
3. Веденов А.А. Физика растворов. М.: Наука,2005.
4. Де Жен П. Физика жидких кристаллов. - Пер. с англ. под ред. А.Ф.Сонина. - М.: Мир, 2003.
5. Сонин А.Ф. Кентавры природы. - М.: Атомиздат,2002.
6. Пикин С.А., Блинов Л.М. Жидкие кристаллы. - М.: Наука,2005.
7. Пиндак Р., Монктон Д. Двумерные системы, В кн.: Физика за рубежом. /Пер. с англ. М.: Мир, 2006, с.104.