Термотропные жидкие кристаллы кратко

Обновлено: 02.07.2024

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. наз. 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 преим. 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—, -СН 2 —СН 2 —, -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(S A , S B , S F - 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 S А , S В , S C 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 холестерич. 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/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).

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 электромагн. 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.

Особое место среди жидкокристаллических веществ занимают полимеры. Термотропные полимерные жидкие кристаллы получают "хим. включением" мезогенных групп в состав линейных и гребнеобразных макромолекул. Это позволяет не только значительно увеличить количество жидкокристаллических веществ, но и существенно расширить общие представления о природе жидкокристаллического состояния. На основе полимеров можно получать жидкокристаллические стекла, пленки, волокна и покрытия с заданными анизотропными свойствами. Мезогенные группы макромолекул легко ориентируются в мезофазе под действием внешних полей (механических, электрических, магнитных), а при последующем охлаждении полимера ниже температуры стеклования полученная анизотропная структура фиксируется в твердом состоянии. Использование лиотропного жидкокристаллич. состояния на стадии переработки жесткоцепных полимеров - новый путь получения высокопрочных высокомодульных полимерных материалов.

Жидкие кристаллы открыты в 1888 Ф. Рейнитцером и О. Леманом. Число описанных жидких кристаллов превышает десятки тысяч и непрерывно увеличивается.

Лит.: Жен П. Ж. де. Физика жидких кристаллов. пер. с англ., М., 1977; Блинов Л. М., Электро- и магнитооптика жидких кристаллов. М., 1978; Платэ Н. А., Шибаев В. П., Гребнеобразные полимеры и жидкие кристаллы, М., 1980; Пикин С. А., Структурные превращения в жидких кристаллах, М.. 1981, Сонин А. С., Введение в физику жидких кристаллов. М., 1983; Америк Ю. Б., Кренцель Б. А., Химия жидких кристаллов и мезоморфных полимерных систем. М., 1981, Современная кристаллография, т. 4, М., 1981, с. 425-83 В. П. Шибаев.

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

1. Термотропные жидкие кристаллы — это вещества, образующиеся в результате нагревания твердого вещества и существующие в определенном интервале температур и давлений. Ниже этого интервала вещество является твердым кристаллом, выше — обычной жидкостью. Такие жидкие кристаллы образуются при нагревании некоторых твердых кристаллов (мезогенных): сначала происходит переход в жидкий кристалл, причем может происходить последовательно переход из одной модификации в следующую, т. е. в жидких кристаллах проявляется полиморфизм. Термотропные жидкие кристаллы можно получить также в результате охлаждения изотропной жидкости.

2. Лиотропные жидкие кристаллы – это вещества, представляющие собой двух или более компонентные системы, образующиеся в смесях стержневидных молекул данного вещества и воды (или других полярных растворителей). Лиотропные жидкие кристаллы образуются при растворении твердых кристаллов в определенных растворителях. К ним относятся многие коллоидные системы. Существует много типов лиотропных жидкокристаллических текстур. Их многообразие объясняется различной внутренней молекулярной структурой, которая является более сложной, чем у термотропных жидких кристаллов. Структурными единицами здесь являются не молекулы, а молекулярные комплексы — мицеллы. Мицеллы могут быть пластинчатыми, цилиндрическими, сферическими или прямоугольными.

Термотропные жидкие кристаллы подразделяются на три больших класса:

Важными характеристиками нематических жидких кристаллов являются оптическая и диэлектрическая анизотропия. По электрическим свойствам нематические жидкие кристаллы относятся к группе полярных диэлектриков с невысоким удельным сопротивлением. Примером вещества, образующего нематический ЖК, может служить N-(пара-метоксибензилиден)-пара-бутиланилин

Слои молекул легко смещаются относительно друг друга, и смектики на ощупь мылоподобные. Текучесть обеспечивается взаимным скольжением смектических плоскостей, поэтому вязкость достаточно велика.

Смектики — это наиболее обширный класс жидких кристаллов. Причем некоторые разновидности смектиков обладают сегнетоэлектрическими свойствами. Из-за высокой вязкости смектические кристаллы не получили широкого применения в технике.

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

Это вещества, для которых мезоморфное состояние характерно в определенном интервале температур и давлений. Ниже этого интервала вещество является твердым кристаллом, выше — обычной жидкостью. Такие жидкие кристаллы образуются при нагревании некоторых твердых кристаллов (мезогенных): сначала происходит переход в жидкий кристалл, причем может происходить последовательно переход из одной модификации в следующую, т. е. в жидких кристаллах проявляется полиморфизм. Каждая мезофаза существует в определенном температурном интервале. У разных веществ этот интервал различен. В настоящее время известны соединения, имеющие жидкокристаллическую фазу в интервале от отрицательных температур до 300-4000С. Структурные переходы всегда осуществляются по схеме: твердокристаллическая фаза — смектическая — нематическая — аморфно-жидкая. Термотропные жидкие кристаллы можно получить также в результате охлаждения изотропной жидкости. Эти переходы являются фазовыми переходами первого рода (с выделением теплоты фазового перехода). Теплота перехода жидкого кристалла в аморфную жидкость в десятки раз меньше теплоты плавления органических твердых кристаллов.

В свою очередь, термотропные жидкие кристаллы подразделяются на три больших класса:

СМЕКТИЧЕСКИЕ ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ (СМЕКТИКИ S).

Они имеют слоистую структуру, с несколькими вариантами расположения молекул в слоях. Слои могут без помех скользить друг по другу. В наиболее распространенной упаковке продольные оси молекул направлены приблизительно под прямым углом к плоскости слоя. Каждая молекула может двигаться в двух измерениях, оставаясь в слое, и вращаться вокруг своей продольной оси. Расстояние между молекулами слоя может быть либо постоянным, либо беспорядочно меняющимся. Слои могут перемещаться друг относительно друга. Толщина смектического слоя определяется длиной 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.).Типичным смектиком является терефтал-бис(nара-бутиланилин)

В свою очередь, термотропные жидкие кристаллы подразделяются на три больших класса:

СМЕКТИЧЕСКИЕ ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ (СМЕКТИКИ S).

Жидкий кристалл – это такое фазовое состояние, во время которого вещество одновременно обладает как свойствами жидкостей, так и свойствами кристаллов. То есть они обладают текучестью, и вместе с тем им присуща анизотропия – различие свойств данной среды в зависимости от направления внутри нее (например, показатель преломления, скорость звука или теплопроводность).

Жидкие кристаллы имеют структуру вязких жидкостей, которая состоит из молекул дискообразной формы. Ориентация данных молекул может изменяться при взаимодействии с электрическими полями.

История открытия

И хотя в 1904-м году немецкий физик Отто Леман предоставил ряд научных доказательств в пользу жидких кристаллов в своей одноименной книге, все же долгое время жидкие кристаллы не признавались как отдельные состояния вещества. В 1963-м году американский изобретатель Джеймс Фергюсон нашел применение одному из свойств ЖК – изменение цвета в зависимости от температуры. Американец получил патент на изобретение, которое способно обнаруживать невидимые для глаз тепловые поля. С этого популярность жидких кристаллов начала расти.

Группы жидких кристаллов и их свойства

Жидкие кристаллы обычно разделяют на две группы:

порядки разных термотропных ЖК

Три типа термотропных жидких кристаллов

Лиотропные – образовываются в смесях, состоящих из стержневидных молекул данного вещества и полярных растворителей (например, воды).

Применение жидких кристаллов

ЖК-дисплеи

Устройство ЖК-дисплеев достаточно сложное, однако в общем виде представляет собой набор стеклянных пластин, между которыми расположены жидкие кристаллы (ЖК-матрица), и множество источников света. Пиксель ЖК-матрицы включает в себя пару прозрачных электродов, которые позволяют менять ориентацию молекул жидкого кристалла, а также пару поляризационных фильтров, которые регулируют степень прозрачности и др.

Структура жидкокристаллического дисплея

Термография

Менее популярное, но более важное применение ЖК – это термография. Термография позволяет получить тепловое изображение объекта, в результате регистрации инфракрасного излучения – тепла. Инфракрасные приборы ночного зрения используются пожарными, в случае задымления помещения, с целью обнаружения пострадавших в пожаре. Также они нашли применение у служб безопасности и военных служб.

Тепловые изображения позволяют обнаруживать места перегрева, нарушения теплоизоляции, или другие аварийные участки при обслуживании линий электропередачи или строительстве.

Применение термографии в обслуживании линий электропередач

Также термография используется при медицинской визуализации, в основном для наблюдения молочных желез. Это позволяет обнаруживать различные онкологические заболевания, вроде рака молочной железы.

Компьютерная термография в медицине

Электронные индикаторы

Электронные индикаторы, создаваемые при помощи жидких кристаллов, реагируют на различные температуры, в результате чего могут проинформировать о сбоях и нарушениях в электронике. К примеру, ЖК в виде пленки наносят на печатные платы и интегральные схемы, а также – транзисторы. Неисправные сегменты электроники легко отличить при наличии такого индикатора.

Помимо этого, ЖК-индикаторы, расположенные на коже пациента, позволяют обнаруживать воспаления и опухоли у человека.

Индикаторы из жидких кристаллов используют и для обнаружения паров различных вредных химических соединений, а также обнаружения ультрафиолетового и гамма-излучения. С применением ЖК разрабатываются детекторы ультразвука и измерители давления.

Алкотестер на основе жидкокристаллического индикатора паров

Помимо прямого применения ЖК в перечисленных выше сферах, следует отметить, что жидкие кристаллы во многом похожи на некоторые клеточные структуры, и иногда присутствуют в них. В силу своих диэлектрических свойств жидкие кристаллы регулируют взаимоотношения внутри клетки, между клетками и тканями, а также между клеткой и окружающей средой. Таким образом, изучение природы и поведения жидких кристаллов может привнести вклад в молекулярную биологию.

tag. * * If you do not want to deal with the intricities of the noscript * section, delete the tag (from ). On * average, the noscript tag is called from less than 1% of internet * users. */-->

Политехникум

Жидкие кристаллы 1: история и классификация

Василий Панюшкин

Жидкие кристаллы – состояние вещества, характеризуемое одновременно свойствами как жидкостей, так и кристаллических веществ, например, жидкие кристаллы текучи как жидкости, но при этом сохраняют ориентацию молекул наподобие кристаллов.

Жидкие кристаллы открыл в 1888 году 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.

Чтобы разобраться в этом явлении, он связался с физиком Отто Леманом. Он исследовал полученную жидкость и установил ее кристаллическую структуру. На заседании Венского Химического Общества 3-го мая 1888 он представил свое открытие и описал 3 главных свойства жидких кристаллов: наличие двух точек плавления, отражение циклически поляризованного света и способность поворачивать плоскость поляризации света.

Однако, учёные не обратили особого внимания на необычные свойства этих жидкостей. Рейнитцер не стал продолжать своего исследования. Работу проболжал Леман, а потом Дэниел Форландер, который за время своей карьеры, продолжавшейся до 1935-го, синтезировал большую часть известных на сегодняшний день жидкокристаллических материалов. В остальном же, популярность жидких кристаллов в научном сообществе была весьма низкой, в первую очередь из-за того, что для них не было никакого практического применения.

После Второй Мировой исследования были продолжены Джорджем Уильямом Греем, который разработал общие представления о том, какой структурой должны обладать вещества для того, чтобы иметь ЖК-свойства. В 1965 он организовал первую конференцию по ЖК, на которой присутствовало около 100 ведущих специалистов по ЖК со всего мира. Конференция обозначила начало международных исследований в этой области, которые положили начало практическому применению ЖК.

Начало применения ЖК для электрических дисплеев началось в 1962 году в лабораториях RCA (Американской Корпорации Радио). При приложении электрического поля к слою нематических кристаллов при температуре 125 С физхимик Ричард Уильямс наблюдал образование регулярной структуры, которая потом стала называться Доменами Уильямса. Это позволило его коллеге Джорджу Хайлмайеру создать первый ЖК-дисплей.

Дальше работа пошла в сторону снижения температуры перехода используемых вещества в ЖК-фазу, так как нагревать дисплеи выше 100 С было довольно непрактично. В 1969 Ханс Келкер успешно синтезировал вещество, образовывавшее нематическую ЖК-фазу при комнатной температуре, MBBA, ставшее одним из самых популярных веществ, использовавшихся в ЖК-дисплеях.

Разработка этого и других стабильных ЖК с низкими температурами плавления привела к быстрой адаптации ЖК для маленьких ЖК-дисплеев в различной электронике.

Классификация жидких кристаллов

ЖК подразделяются по условиям перехода в жк-состояние на термотропные, лиотропные и металлотропные:

Термотропные ЖК переходят в жк-состояние при изменении температуры.
Лиотропные ЖК – фазовый переход в зависимости от температуры и концентрации растворителя.
Металлотропные ЖК – состоят из органической и неорганической фаз, в результате чего фазовый переход оказывается зависимым не только от температуры и концентрации, но и от соотношения органической и неорганической фаз.

Термотропные:

Одна из ниболее распространенных ЖК-фаз – нематическая (от греческого nema – нить). Обычно органические молекулы, образующие нематические фазы, имеют вытянутую, похожую на стержень, форму. Они не образовывают кристаллической решетки даже на ближних порядках, но выстраиваются в ряд по примерно одному направлению. В результате молекулы имеют возможность скользить относительно друг друга. Они так же текучи, как обычные жидкости, но могут легко изменять направление своей ориентации под воздействием внешнего магнитного или электрического поля. Это дает им оптические свойства аналогичные одноосным кристаллам, что делает их очень удобными при изготовлении ЖК-экранов.

На заглавном рисунке изображен переход смектической фазы жидких кристаллов в нематическую.

Эта фаза, которую также можно назвать хиральной нематической, может быть образована только молекулами со свойством хиральности (зеркальной симметрии). В этой фазе образуется спиральное закручивание в ориентации молекул, которые располагаются перпендикулярно основной оси спирали. Холестерическими такие кристаллы называются из-за того, что подобные структуры чаще всего образуются производными холестерина.

Лиотропные:

Лиотропные ЖК представляют собой смеси как минимум двух веществ – амфифильной фазы и растворителя. Растворитель заполняет боьлшую часть пространства, обеспечивая веществу текучесть. А амфифильные вещества, одна часть которых растворяется в растворителе, а вторая – нет. Поэтому они объединяются в группы молекул – мицеллы, в которых части, не взаимодействующие с растворителем, группируются внутри, а взаимодействующие – снаружи, таким образом обеспечивая разделение несмешивающихся компонентов. Самым распространенным примеров лиотропного ЖК является обычное мыло.

Концентрация и состав растворителя напрямую воздействуют на образование и структуру мицелл. В результате концентрация растворителя, дествующая как еще одна степень свободы системы, позволяет лиотропным кристаллам образовывать много новых форм, недоступных для обычных термотропных кристаллов. При увеличении концентрации амфифила мицеллы могут выстраиваться в структуры, подобные кристаллическим решеткам, образуя более кристалло-подобные материалы.

Металлотропные:

Также жидкокристаллические фазы могут образовываться на основе легкоплавких неорганических веществ, таких как хлорид цинка, которые могут легко стекловаться. Добавление к таким структурам длинных мылоподобных молекул ведет к образованию ряда новых фаз с ЖК-свойствами, образующимися как в зависимости от концентрации неорганической фазы, так и от температуры.

Жидкие кристаллы в живой природе

Лиотропные жидкие кристаллы широко распространены в живой природе, из-за чего они привлекают внимание таких научных дисциплин, как биомиметическая химия. Например, биологические мембраны и клеточные мембраны – это вид жидких кристаллов. Они достаточно прочны, чтобы удерживать свои молекулы вместе и создавать защитный барьер для клетки, но в то же время достаточно подвижны для обеспечения циркуляции питательных веществ через канальцы и взаимодействие с окружающей средой с помощью специальных белков, встроенных в мембрану.

Читайте также: