Жидкие кристаллы физика кратко

Обновлено: 05.07.2024

Рефераты и конспекты лекций по географии, физике, химии, истории, биологии. Универсальная подготовка к ЕГЭ, ГИА, ЗНО и ДПА!

Жидкокристаллическим состоянием вещества называется такое состояние, свойства которого являются промежуточными между свойствами твердого кристалла и жидкости. Агрегатные состояния веществ делятся на три вида: твердый, жидкий и газообразный, однако такое разделение не отражает внутреннего строения вещества, степени упорядоченности ее частиц.

Некоторые вещества (стекло, смолы) обладают свойствами, характерны и для твердых, и для очень вязких переохлажденных жидкостей. В частности, некоторые органические материалы переходят из твердого состояния в жидкое в несколько этапов, включающих образование новой фазы, которую называют жидкокристаллическим состоянием (жидким кристаллом).

Впервые образования новой, необычной фазы отметил австрийский ботаник Рейнитцер в 1888 p., Когда изучал свойства полученной им новой органического вещества - холестерилбензоат. Однако холестерилбензоат - не уникальное вещество. Было обнаружено еще немало таких же веществ и предложено назвать их жидкими кристаллами (PK).

Жидкие кристаллы - особое состояние некоторых органических веществ, в котором они характеризуются текучестью и свойством образовывать пространственные структуры, подобные кристаллических. Жидкие кристаллы образуются в веществах с удлиненной формой молекул, взаимная ориентация которых обусловливает анизотропию их физических свойств.

Жидкие кристаллы очень чувствительны к изменениям внешних условий. Например, даже при незначительном изменении температуры, давления, электрического или магнитного полей они могут менять свой цвет.

Это свойство жидких кристаллов используется в различных приборах, например в жидкокристаллических медицинских термометрах. Особенно широко применяются жидкие кристаллы для изготовления дисплеев - от часов и мобильных телефонов до компьютеров и телевизоров.

Все формы жизни так или иначе связаны с деятельностью живой клетки, много структурных звеньев которой подобные структуры жидких кристаллов. Имея великолепные диэлектрические свойства, жидкие кристаллы образуют внутриклеточные гетерогенные поверхности, регулируют взаимосвязи между клеткой и внешней средой, а также между отдельными клетками и тканями, оказывают необходимой инертности составляющим клетки, защищая ее от ферментативного воздействия. Поэтому установление закономерностей поведения жидких кристаллов открывает новые перспективы в развитии молекулярной биологии.

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.

Жидкие кристаллы — это не определённый вид вещества, а комплексное определение состояния некоторых тел. Это значит, что определённые вещества могут при соблюдении условий вести себя и как жидкости, и как твёрдые тела. При написании реферата о жидких кристаллах и их применении можно более глубоко изучить особенности и уникальные свойства этого материала.

Что такое текучие материалы

Примерно до конца XIX века считалось, что существует два вида веществ — с твёрдой структурой тела и с текучей. Но в 1888 году был обнаружен ряд странных свойств у холестерилбензоата. Позже, общую закономерность в свойствах некоторых тел обнаружил немецкий физик Отто Леман, экспериментируя со своим проектом. По сути, он и открыл возможность веществ иметь разные свойства в разных состояниях.

Если кратко, то жидкокристаллическое состояние выражается в одновременной текучести и вместе с тем, упорядоченным расположением молекул. Однако, жёсткой кристаллической решётки в таких телах нет. Одно из ключевых свойств жидких кристаллов — ориентированный порядок расположения молекул.

В разных фазах и у различных веществ это расположение тоже может меняться. Таким образом, достигается гибкость разработки и широкий спектр применения жидких кристаллов в медицине, промышленности, бытовой технике и электронике.

Виды и категории

Иерархия фаз ЖК сложна и немного запутана. Существует две больших группы:

Лиотропные — двух или более компонентные вещества. Текучее состояние в такой среде обеспечивает какой-либо из видов растворителей, например, вода. А упорядоченность молекул и твёрдое состояние гарантируют свойства основного элемента.

Термотропные в общем случае образуются при нагревании вещества. Они, в свою очередь, могут быть представителями одного из подклассов:

нематические;
смектические;
холестерические.

Нематические не имеют жёсткого порядка в строении молекул. Тем не менее, молекулы всегда направлены своими острыми частями в одну сторону и непрерывно скользят вдоль своей длинной оси. По сути, они ведут себя как обычные жидкости.

Смектические ЖК имеют слои, которые могут перемещаться относительно друг друга. Толщина одного слоя равна длине молекул. Такая техника построения молекул придаёт большую вязкость и более высокую плотность, чем у нематической группы. Стоит отметить, что смектические кристаллы делятся ещё на три категории: A, B и С.

Холестерические жидкие кристаллы, как можно понять из названия, содержит в себе производные холестерина, помимо других веществ. Но, по сути, этот тип представляет собой нематические материалы. Только их молекулы расположены таким образом, что представляют собой спирали, которые очень остро реагируют на любое изменение температуры. При этом меняется окрас самого вещества. Эту биологическую функцию можно использовать в медицинских целях, а также там, где необходимо оперативно реагировать на изменения температуры.

Свойства и характеристики

Не менее интересны и тема оптических свойств. Проходя через некоторые виды жидких материалов, свет работает так же, как и в твёрдых. То есть расщепляется на два — необыкновенный и обыкновенный. Направление поляризации первого совпадает с направлением оптической оси кристалла, а второго — перпендикулярно ему. При правильном использовании этой особенности можно с помощью внешних воздействий управлять переходом света через материал.

Области применения

Различные свойства и характеристики ЖК позволяют использовать их практически во всех отраслях. Оптические способности активно используются в производстве целой гаммы приборов — от микроскопов до больших экранов мониторов. Природа прохождения лучей через ЖК позволяет управлять ими буквально с любой микросхемы. А малое потребление гарантирует максимальную экономичность. В отличие от плазменных экранов, ЖК-мониторы имеют более сочную картинку и долговечность.

Особенность кристаллов быстро реагировать на малейшее изменение температуры нашла своё практическое применение в медицине. Например, белый свет, проходя через ЖК разлагается в спектр, который будет неоднородным при разных температурах. И по лучам можно определить точную степень изменения температуры тела. Собственно, это же открытие применяется и для контроля за нагревом различных материалов в самых разных отраслях.

Перспективы жидких кристаллов

Несомненно, открытие уникальных новых свойств уже известных материалов позволило осуществить массу открытий в самых разных областях деятельности человека. Даже читая этот краткий доклад, пользователь, скорее всего, делает это с помощью жидких кристаллов, не подозревая об этом.

Несмотря на то что изучен большой пласт физических свойств элементов, учёные продолжают находить им всё новое применение, совершенствуя приборы и технологии. В журналах и газетах, специализирующихся на химии, физике и прочих естественных науках, продолжают публиковаться всё новые и новые достижения в области материалов с двумя агрегатными состояниями.

Жи́дкие криста́ллы (сокращённо ЖК; англ. liquid crystals , LC) — это фазовое состояние, в которое переходят некоторые вещества при определённых 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 всём 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.

Читайте также: