Виды жидких кристаллов


ЖИ́ДКИЕ КРИСТА́ЛЛЫ (ме­зо­фа­зы, ме­зо­морф­ное со­стоя­ние ве­ще­ст­ва, ани­зо­троп­ная жид­кость), ве­ще­ст­ва в со­стоя­нии, про­ме­жу­точ­ном ме­ж­ду твёр­дым кри­стал­ли­че­ским и изо­троп­ным жид­ким. Ж. к., со­хра­няя осн. чер­ты жид­ко­сти (напр., те­ку­честь), об­ла­да­ют ха­рак­тер­ной осо­бен­но­стью твёр­дых кри­стал­лов – ани­зо­тро­пи­ей свойств.

Общие сведения

Ж. к. бы­ли от­кры­ты австр. бо­та­ни­ком Ф. Рей­нит­це­ром (1888) и нем. фи­зи­ком О. Ле­ма­ном (1889), но ос­та­ва­лись ма­ло­изу­чен­ны­ми, по­ка не поя­ви­лась пер­спек­ти­ва их при­ме­не­ния в тех­ни­ке. Ж. к. со­сто­ят из мо­ле­кул уд­ли­нён­ной или дис­ко­об­раз­ной фор­мы, взаи­мо­дей­ст­вие ме­ж­ду ко­то­ры­ми стре­мит­ся вы­стро­ить их в оп­ре­де­лён­ном по­ряд­ке (см. Меж­мо­ле­ку­ляр­ное взаи­мо­дей­ст­вие). При вы­со­ких темп-pax те­п­ло­вое дви­же­ние пре­пят­ст­ву­ет это­му и ве­ще­ст­во пред­став­ля­ет со­бой обыч­ную жид­кость. При темп-pax ни­же кри­ти­че­ской в жид­ко­сти по­яв­ля­ет­ся вы­де­лен­ное на­прав­ле­ние, вдоль ко­то­ро­го пре­им. ори­ен­ти­ро­ва­ны длин­ные или ко­рот­кие оси мо­ле­кул. В слу­чае дву­ос­ных Ж. к. упо­ря­до­че­ны ори­ен­та­ции как длин­ных, так и ко­рот­ких осей мо­ле­кул.


Ж. к. де­лят­ся на тер­мо­троп­ные и лио­троп­ные. Тер­мо­троп­ные Ж. к. об­ра­зу­ют­ся при на­гре­ва­нии твёр­дых кри­стал­лов или ох­ла­ж­де­нии изо­троп­ной жид­ко­сти и су­ще­ст­ву­ют в оп­ре­де­лён­ном тем­пе­ра­тур­ном ин­тер­ва­ле. Лио­троп­ные Ж. к. об­ра­зу­ют­ся при рас­тво­ре­нии твёр­дых ор­га­нич. ве­ществ в разл. рас­тво­ри­те­лях, напр. в во­де. И те и дру­гие обыч­но име­ют неск. мо­ди­фи­ка­ций – жид­кок­ри­стал­лич. фаз. Тем­пе­ра­тур­ный ин­тер­вал их су­ще­ст­во­ва­ния за­ви­сит от при­ро­ды ве­ще­ст­ва и мо­жет ле­жать как в об­лас­ти низ­ких (до –60 °C), так и вы­со­ких (до 400 °C) температуp.

Из­вест­но неск. ты­сяч ор­га­нич. со­еди­не­ний, об­ра­зую­щих Ж. к. Мо­ле­ку­лы ти­пич­ных тер­мо­троп­ных Ж. к. N-(4-ме­ток­си­бен­зи­ли­ден)-4-бу­ти­ла­ни­лин (MBBA) и 4-пен­тил-4′ -циа­но­би­фе­нил (5CB) (табл.) по фор­ме по­хо­жи на стерж­ни. На­ли­чие двух или трёх бен­золь­ных ко­лец в мо­ле­ку­ле ти­пич­но для Ж. к. Вме­сто бен­золь­ных ко­лец в мо­ле­ку­лах Ж. к. встре­ча­ют­ся цик­ло­гек­са­но­вые, би­цик­ло­ок­та­но­вые и ге­те­ро­цик­лич. фраг­мен­ты, а так­же про­из­вод­ные хо­ле­сте­ри­на (напр., хо­ле­сте­рил­ми­ри­стат). Стерж­не­об­раз­ные мо­ле­ку­лы об­ра­зу­ют струк­ту­ры, по­ка­зан­ные на рис. 1 и 2. При­мер дис­ко­об­раз­ной мо­ле­ку­лы – за­ме­щён­ный три­фе­ни­лен. Та­кие мо­ле­ку­лы об­ра­зу­ют фа­зы, по­ка­зан­ные на рис. 3.


К лио­троп­ным Ж. к. от­но­сят­ся вод­ные рас­тво­ры не­ко­то­рых кра­си­те­лей, а так­же сис­те­мы мы­ло – во­да, пред­став­ляю­щие со­бой рас­тво­ры т. н. ам­фи­филь­ных со­еди­не­ний. Мо­ле­ку­лы по­след­них со­сто­ят из двух час­тей – по­ляр­ной го­лов­ки, рас­тво­ри­мой в во­де, и не­рас­тво­ри­мой уг­ле­во­до­род­ной це­поч­ки. Та­кая из­би­ра­тель­ность при­во­дит к воз­ник­но­ве­нию ла­мел­ляр­ных (слои­стых) фаз в вод­ных рас­тво­рах, в ко­то­рых по­ляр­ные го­лов­ки мо­ле­кул об­ра­ще­ны к вод­ным про­слой­кам, а уг­ле­во­до­род­ные це­поч­ки – друг к дру­гу, об­ра­зуя пло­ские би­слои, ци­лин­дри­че­ские или сфе­ри­че­ские струк­ту­ры.

Из­вест­ны так­же жид­кок­ри­стал­ли­че­ские по­ли­ме­ры, в ко­то­рых жид­кок­ри­стал­лич. струк­ту­ра об­ра­зу­ет­ся ли­бо стерж­не­об­раз­ны­ми фраг­мен­та­ми осн. це­пей мо­ле­кул (ли­ней­ные по­ли­ме­ры), ли­бо бо­ко­вы­ми це­пя­ми, при­сое­ди­нён­ны­ми к осн. це­пи гиб­ки­ми свя­зя­ми (греб­не­об­раз­ные по­ли­ме­ры).

Структура и классификация фаз


Для опи­са­ния даль­не­го ори­ен­та­ци­он­но­го по­ряд­ка мо­ле­ку­ляр­ных осей вво­дят еди­нич­ный век­тор $boldsymbol L$, на­зы­вае­мый ди­рек­то­ром, ука­зы­ваю­щий на­прав­ле­ние, вдоль ко­то­ро­го в сред­нем ори­ен­ти­ро­ва­ны вы­де­лен­ные мо­ле­ку­ляр­ные оси. В из­вест­ных од­но­ос­ных Ж. к. ори­ен­та­ци­он­ный по­ря­док не яв­ля­ет­ся по­ляр­ным, т. е. в та­ких Ж. к. на­прав­ле­ния $boldsymbol L$ и –$boldsymbol L$ эк­вива­лент­ны. Од­но­ос­ные жид­кок­ри­стал­лич. струк­ту­ры (фа­зы) при­ня­то клас­си­фи­ци­ро­вать по ви­ду функ­ции плот­но­сти ве­ще­ст­ва $ρ(boldsymbol r) ;(boldsymbol r$– про­стран­ст­вен­ная ко­ор­ди­на­та) и их ло­каль­ной ори­ен­та­ции $boldsymbol {L(r)}$.

Фа­за с $ρ = text {const}$ и $boldsymbol L=const$ на­зы­ва­ется не­ма­ти­че­ским Ж. к. Не­ма­ти­че­ские Ж. к., как и обыч­ная жид­кость, ха­рак­те­ри­зу­ют­ся хао­тич. рас­пре­де­ле­ни­ем цен­тров тя­же­сти мо­ле­кул (рис. 1, а). В по­ля­ри­за­ци­он­ный мик­ро­скоп вид­ны тон­кие ни­ти (от­сю­да назв., от греч. νημα – нить), ко­то­рые свя­за­ны с осо­бен­но­стя­ми в ори­ен­та­ции мо­ле­кул – ли­ния­ми, на­зы­вае­мы­ми дис­кли­на­ция­ми, на ко­то­рых на­прав­ле­ние $boldsymbol L$ не оп­ре­де­ле­но.

Смек­ти­че­ские Ж. к. (от греч. σμῆγma – мы­ло) ха­рак­те­ри­зу­ют­ся $boldsymbol L=text {const}$, а плот­ность $ρ(boldsymbol r)$ пе­рио­дич­на вдоль вы­де­лен­ной оси $z$.


ек­ти­че­ские Ж. к. име­ют боль­шое чис­ло мо­ди­фи­ка­ций (смек­тич. фаз, А, В, С, …), раз­ли­чаю­щих­ся сим­мет­ри­ей и осо­бен­но­стя­ми кор­ре­ля­ци­он­ных функ­ций. В струк­ту­ре смек­тич. фа­зы А (рис. 1, б) плот­ность по­сто­ян­на в плос­ко­сти $xy$. Мо­ле­ку­лы рас­по­ло­же­ны слоя­ми, ко­то­рые мо­гут сколь­зить от­но­си­тель­но друг дру­га. Об­раз та­кой струк­ту­ры – «кри­стал­лич. стоп­ка жид­ких плос­ко­стей». Смек­тич. фа­за С (рис. 1, в) име­ет та­кую же слои­стую струк­ту­ру, что и фа­за А, од­на­ко пре­иму­щест­вен­ное на­прав­ле­ние длин­ных осей па­лоч­ко­об­раз­ных мо­ле­кул со­став­ля­ет не­ко­то­рый угол с нор­ма­лью к смек­тич. плос­ко­стям. Ес­ли мо­ле­ку­лы хи­раль­ны, то они по­во­ра­чи­ва­ют­ся от слоя к слою от­но­си­тель­но оси $z$, об­ра­зуя спи­раль­ную струк­ту­ру (хи­раль­ная фа­за С). Фа­за В, в от­ли­чие от фаз А и С, об­ла­да­ет гек­са­го­наль­ной упо­ря­до­чен­но­стью в плос­ко­сти $xy$.

Хо­ле­сте­ри­че­ские Ж. к. ха­рак­те­ри­зу­ют­ся $ρ(boldsymbol r) = text{const}$ и мак­ро­ско­пи­чес­ки мо­ду­ли­ро­ван­ной струк­ту­рой, при­чём кон­цы век­то­ров $boldsymbol L$ об­ра­зу­ют в про­стран­ст­ве спи­раль (рис. 2).

Су­ще­ст­ву­ют лио­троп­ные и тер­мо­троп­ные Ж. к., имею­щие дву­мер­ные струк­ту­ры: у них твёр­дые ре­шёт­ки (гек­са­го­наль­ные и квад­рат­ные) со­став­ле­ны из жид­ких стол­би­ков, вдоль ко­то­рых цен­тры масс мо­ле­кул рас­по­ло­же­ны бес­по­ря­доч­но. Дву­мер­ной ре­шёт­кой об­ла­да­ют мно­гие Ж. к., со­стоя­щие из дис­ко­об­раз­ных мо­ле­кул (дис­ко­ти­че­ские Ж. к.) (рис. 3).


Фазовые превращения

Фа­зо­вые пе­ре­хо­ды ме­ж­ду жид­кок­ри­стал­лич. мо­ди­фи­ка­ция­ми трак­ту­ют­ся как точ­ки из­ме­не­ния сим­мет­рии ве­ще­ст­ва и опи­сы­ва­ют­ся фе­но­ме­но­ло­гич. тео­ри­ей Лан­дау c со­ответcтвующими па­ра­мет­ра­ми по­ряд­ка. Напр., при пе­ре­хо­де 2-го ро­да смек­тич. фа­зы А (рис. 1, б) в фа­зу С (рис. 1, в) сте­пень ори­ен­та­ци­он­но­го по­ряд­ка и мо­ду­ля­ции плот­но­сти ве­ще­ст­ва при­бли­жён­но фик­си­ро­ва­ны, а но­вым па­ра­мет­ром по­ряд­ка слу­жит от­кло­не­ние ди­рек­то­ра $boldsymbol L$ от оси $z$. В сис­те­ме хи­раль­ных мо­ле­кул тот же пе­ре­ход со­про­во­ж­да­ет­ся воз­ник­но­ве­ни­ем спон­тан­ной элек­трич. по­ля­ри­за­ции $boldsymbol P$ из-за ут­ра­ты плос­ко­стей сим­мет­рии в хи­раль­ной фа­зе С. Век­тор $boldsymbol P$ пер­пен­ди­ку­ля­рен оси $z$ и ди­рек­то­ру $boldsymbol L$. В хи­раль­ной фа­зе С кон­цы век­то­ров $boldsymbol {P(r)}$ и $boldsymbol {L(r)}$ об­ра­зу­ют в про­стран­ст­ве спи­раль, и их на­прав­ле­ние мож­но пе­ре­клю­чать элек­трическим по­лем. По этой при­чи­не хи­раль­ная смек­ти­ческая фа­за С счи­та­ет­ся сег­не­то­элек­три­че­ской.

Анизотропия электрических и магнитных свойств жидких кристаллов


В со­от­вет­ст­вии с сим­мет­ри­ей Ж. к. все их ха­рак­те­ри­сти­ки – функ­ции па­ра­мет­ра ори­ен­та­ци­он­но­го по­ряд­ка, опи­сы­вае­мые тен­зо­ра­ми. Для од­но­ос­ных Ж. к. тен­зор ди­элек­трич. про­ни­цае­мо­сти име­ет вид: $$ε_{ik} = ε_⊥delta_{ik}+ε_a( boldsymbol{LL}_k),$$где $ε_a = ε_{||} – ε_⊥; ε_{||}, ε_⊥$ – зна­че­ния ди­элек­трич. про­ни­цае­мо­сти для на­прав­ле­ний, па­рал­лель­но­го и пер­пен­ди­ку­ляр­но­го $boldsymbol L$; $δ_{ik}$ – сим­вол Кро­не­ке­ра. Ве­ли­чи­ны $ε_a lt 0$ ха­рак­тер­ны для мо­ле­кул, об­ла­даю­щих ди­поль­ным мо­мен­том, на­прав­лен­ным пер­пен­ди­ку­ляр­но длин­ной оси мо­ле­ку­лы (напр., в MBBA), зна­че­ния $ε_a gt 0$ – для мо­ле­кул с про­доль­ным рас­по­ло­же­ни­ем ди­поль­но­го мо­мен­та (напр., в 5CB). Знак и ве­ли­чи­на $ε_a$ (от –10 до +40) иг­ра­ют ре­шаю­щую роль в элек­тро­оп­тич. по­ве­де­нии не­ма­ти­че­ских Ж. к. Тен­зо­ры элек­тро­про­вод­но­сти и маг­нит­ной вос­при­им­чи­во­сти од­но­ос­ных Ж. к. име­ют ту же фор­му. Боль­шин­ст­во Ж. к. диа­маг­нит­ны.

Оптические свойства жидких кристаллов

Рез­кое от­ли­чие оп­тич.


ойств од­но­ос­ных Ж. к. от свойств од­но­ос­ных твёр­дых кри­стал­лов про­яв­ля­ет­ся в об­лас­ти вы­со­ких ин­тен­сив­но­стей све­та, где для Ж. к. ха­рак­тер­на «ги­гант­ская» не­ли­ней­ность, вы­зван­ная мо­ле­ку­ляр­ной пе­ре­ори­ен­та­ци­ей в элек­трич. по­ле све­то­вой вол­ны (см. Не­ли­ней­ная оп­ти­ка). Особый ин­те­рес пред­став­ля­ют оп­тич. свой­ст­ва хо­ле­сте­ри­че­ских, а так­же хи­раль­ных смек­тич. фаз. Т. к. эти ве­ще­ст­ва име­ют спи­раль­ную струк­ту­ру с ша­гом спи­ра­ли от де­ся­тых до­лей мкм до бес­ко­неч­но­сти, ин­фра­крас­ное и ви­ди­мое из­лу­че­ния ди­фра­ги­ру­ют на ней, что при­во­дит к се­лек­тив­но­му от­ра­же­нию волн, рас­про­стра­няю­щих­ся вдоль оси спи­ра­ли. Вне об­лас­ти се­лек­тив­но­го от­ра­же­ния хо­ле­сте­рич. Ж. к. об­ла­да­ют силь­ной оп­тич. ак­тив­но­стью (до 100 по­во­ро­тов на 1 мм тол­щи­ны слоя).

Анизотропия упругости и вязкости жидких кристаллов

Не­од­но­род­ность по­ля ди­рек­то­ра $boldsymbol {L(r)}$ оз­на­ча­ет ори­ен­та­цион­ную де­фор­ма­цию сре­ды. При этом вы­де­ля­ют три ти­па де­фор­ма­ций: по­пе­реч­ный и про­доль­ный из­ги­бы и за­кру­чи­ва­ние. Ка­ж­дая из них опи­сы­ва­ет­ся сво­им мо­ду­лем уп­ру­го­сти. Энер­гия ори­ен­та­ци­он­ных де­фор­ма­ций не­ма­ти­че­ских Ж. к. очень ма­ла. По­это­му флук­туа­ции ди­рек­то­ра име­ют зна­чит. ам­пли­ту­ду, что при­во­дит к силь­но­му рас­сея­нию све­та. Этим объ­яс­ня­ет­ся ха­рак­тер­ная мут­ность не­ма­ти­че­ских Ж. к. В смек­тич. фа­зах раз­ре­ше­ны толь­ко те ви­ды ори­ен­та­ци­он­ных де­фор­ма­ций, ко­то­рые не при­во­дят к раз­ру­ше­нию мо­ле­ку­ляр­ных сло­ёв.


Осо­бен­ность гид­ро­ди­на­мич. свойств Ж. к. – взаи­мо­дей­ст­вие ме­ж­ду те­че­ни­ем и век­то­ром ори­ен­та­ции, что при­во­дит к уве­ли­че­нию чис­ла ко­эф­фи­ци­ен­тов вяз­ко­сти. Без учё­та сжи­мае­мо­сти наи­бо­лее те­ку­чие не­ма­ти­че­ские Ж. к. мож­но опи­сать пя­тью ко­эф­фи­ци­ен­та­ми вяз­ко­сти (т. н. ко­эф­фи­ци­ен­ты Лес­ли).

Электрооптические свойства жидких кристаллов

Ани­зо­тро­пия элек­трич. и оп­тич. свойств на­ря­ду со свой­ст­вом те­ку­че­сти Ж. к. при­во­дит к мно­го­об­ра­зию элек­тро­оп­тич. эф­фек­тов. Наи­бо­лее важ­ны эф­фек­ты, не свя­зан­ные с про­те­ка­ни­ем элек­трич. то­ка и обу­слов­лен­ные чис­то ди­элек­трич. свой­ст­ва­ми сре­ды, об­ла­даю­щей ани­зо­тро­пи­ей $ε_a$. Во внеш­нем элек­трич. по­ле на­пря­жён­ностью $boldsymbol E$ Ж. к. стре­мит­ся ори­ен­ти­ро­вать­ся так, что­бы на­прав­ле­ние, в ко­то­ром его ε мак­си­маль­на, сов­па­ло с на­прав­ле­ни­ем по­ля (пе­ре­ход, или эф­фект, Фре­де­рик­са). С пе­ре­ори­ен­та­ци­ей ди­рек­то­ра свя­за­но из­ме­не­ние на­прав­ле­ния оп­тич. оси, т. е. из­ме­не­ние прак­ти­че­ски всех оп­тич. свойств об­раз­ца (двой­но­го лу­че­пре­лом­ле­ния, по­гло­ще­ния све­та, вра­ще­ния плос­ко­сти по­ля­ри­за­ции и т. д.).


и­боль­шее прак­тич. зна­че­ние име­ет т. н. твист-эф­фект, т. е. пе­ре­ход Фре­де­рик­са в не­ма­ти­че­ском Ж. к., по­ме­щён­ном ме­ж­ду дву­мя па­рал­лель­ны­ми стёк­ла­ми с про­зрач­ны­ми элек­тро­да­ми. Жид­кок­ри­стал­лич. струк­ту­ра пред­ва­ри­тель­но за­кру­чи­ва­ет­ся спец. об­ра­бот­кой элек­тро­дов. При от­сут­ст­вии по­ля ли­ней­но по­ля­ри­зо­ван­ный бе­лый свет про­хо­дит сквозь твист-струк­ту­ру с по­во­ро­том плос­ко­сти по­ля­ри­за­ции на угол $pi/2$. При при­ло­жении на­пря­же­ния к элек­тро­дам ди­рек­тор пе­ре­ори­ен­ти­ру­ет­ся пер­пен­ди­ку­ляр­но стёк­лам ($ε_a > 0$) и ячей­ка те­ря­ет спо­соб­ность по­во­ра­чи­вать плос­кость по­ля­ри­за­ции све­та. На вы­хо­де ячей­ки по­сле ана­ли­за­то­ра на­блю­да­ют из­ме­не­ние оп­тич. про­пус­ка­ния. Разл. ва­ри­ан­ты это­го эф­фек­та при­ме­ня­ют­ся прак­ти­че­ски во всех дис­пле­ях.

Осо­бые ори­ен­та­ци­он­ные эф­фек­ты ха­рак­тер­ны для сег­не­то­элек­три­че­ских Ж. к. В этих ве­ще­ст­вах элек­трич. по­ле $boldsymbol E$ мо­жет взаи­мо­дей­ст­во­вать со спон­тан­ной по­ля­ри­за­ци­ей $boldsymbol P$. Пе­ре­ори­ен­та­ция $boldsymbol P$ со­про­во­ж­да­ет­ся пе­ре­ори­ен­та­ци­ей оп­тич. оси, при­чём знак от­кло­не­ния $boldsymbol L$ за­ви­сит от зна­ка по­ля (ли­ней­ный элек­тро­оп­тич. эф­фект). Ес­ли мо­ле­ку­лы об­ла­да­ют спец. фор­мой, то да­же в не­ма­ти­че­ском Ж. к. при $ varepsilon _a=0$ по­ля­ри­за­ция внеш­ним по­лем мо­жет со­про­во­ж­дать­ся от­но­си­тель­но сла­бым, ли­ней­ным по по­лю ис­крив­ле­ни­ем мо­ле­ку­ляр­ной ори­ен­та­ции (флек­со­элек­три­че­ский эф­фект).


При про­те­ка­нии то­ка че­рез Ж. к. вслед­ст­вие ани­зо­тро­пии их элек­тро­про­вод­но­сти воз­ни­ка­ет объ­ём­ный за­ряд, взаи­мо­дей­ст­вую­щий с по­лем $boldsymbol E$, что при­во­дит к элек­тро­гид­ро­ди­на­мич. не­ус­той­чи­во­сти. В по­ля­ри­за­ци­он­ном мик­ро­ско­пе вид­ны пе­рио­дич. сис­те­мы тём­ных и свет­лых по­лос из-за мо­ду­ля­ции ко­эф. пре­лом­ле­ния. Уве­ли­че­ние $boldsymbol E$ вы­зы­ва­ет по­яв­ле­ние бо­лее слож­ных кар­тин, а за­тем – чрез­вы­чай­но силь­ное рас­сея­ние све­та из-за тур­бу­лент­но­сти и воз­му­ще­ний ори­ен­та­ции Ж. к. (ди­на­мич. рас­сея­ние све­та).

Практические применения жидких кристаллов

Наи­бо­лее важ­ные при­ме­не­ния Ж. к. ос­но­ва­ны на их элек­тро­оп­тич. свой­ст­вах. Из­ме­не­ние ори­ен­та­ции оп­тич. оси в не­ма­ти­че­ских Ж. к. тре­бу­ет ма­лых электрич. на­пря­же­ний по­ряд­ка 1 В и мощ­но­стей по­ряд­ка ми­кро­ватт, что мож­но обес­пе­чить не­по­сред­ст­вен­ной по­да­чей сиг­на­лов с ин­те­граль­ных схем. По­это­му Ж. к. ши­ро­ко ис­поль­зу­ют­ся в ма­ло­га­ба­рит­ных ча­сах, каль­ку­ля­то­рах, те­ле­фо­нах, про­ек­то­рах, дис­пле­ях ком­пь­ю­те­ров, из­ме­рит. при­бо­рах и все­воз­мож­ных таб­ло для ото­бра­же­ния циф­ро­вой, бу­к­вен­ной и ана­ло­го­вой ин­фор­ма­ции, в т. ч. и в ре­аль­ном мас­шта­бе вре­ме­ни, напр. в пло­ских эк­ра­нах те­ле­ви­зо­ров. Жид­ко­кри­стал­лич. дис­плеи с па­мя­тью пер­спек­тив­ны для раз­но­го ро­да элек­трон­ных кар­то­чек и «элек­трон­ной бу­ма­ги».

Др. об­ласть при­ме­не­ния Ж. к. – про­стран­ст­вен­но-вре­мен­ны́е мо­ду­ля­то­ры све­та для уст­ройств оп­тич. об­ра­бот­ки ин­фор­ма­ции. В ком­би­на­ции с фо­то­чув­ст­ви­тель­ны­ми по­лу­про­вод­ни­ко­вы­ми слоями Ж. к. при­ме­ня­ют­ся так­же в ка­че­ст­ве уси­ли­те­лей и пре­об­ра­зо­ва­те­лей изо­бра­же­ний. Ве­дут­ся ра­бо­ты по ис­поль­зо­ва­нию Ж. к. в мик­ро­ми­ниа­тюр­ных ла­зе­рах (в т. ч. гиб­ких) со спек­тра­ми ге­не­ра­ции, управ­ляе­мы­ми элек­трич. по­лем. Ж. к. об­ла­да­ют ги­гант­ской оп­тич. не­ли­ней­но­стью в по­ле из­лу­че­ния ла­зе­ров не­пре­рыв­но­го дей­ст­вия, что по­зво­ля­ет мо­де­ли­ро­вать мн. не­ли­ней­ные про­цес­сы, ис­поль­зуя мощ­но­сти из­лу­че­ния по­ряд­ка не­сколь­ких мил­ли­ватт, при этом не­ли­ней­ность управ­ля­ет­ся элек­трич. по­лем.

Лио­троп­ные Ж. к. на вод­ных рас­тво­рах кра­си­те­лей пер­спек­тив­ны для произ-ва по­ля­ри­за­то­ров и др. оп­тич. эле­мен­тов. По­ли­мер­ные Ж. к. ис­поль­зу­ют­ся в не­ли­ней­ной оп­ти­ке в ка­че­ст­ве сред для за­пи­си и пе­ре­за­пи­си ин­фор­ма­ции. За­ви­си­мость ша­га спи­ра­ли хо­ле­сте­ри­че­ских Ж. к. от темп-ры по­зво­ля­ет ис­поль­зо­вать плён­ки этих ве­ществ для на­блю­де­ния рас­пре­де­ле­ния темп-ры по по­верх­но­сти разл. тел. Этот ме­тод при­ме­ня­ет­ся, напр., в мед. ди­аг­но­сти­ке вос­па­ли­тель­ных про­цес­сов, не­раз­ру­шаю­щем кон­тро­ле элек­трон­ных при­бо­ров и ви­зуа­ли­за­ции мик­ро­вол­но­во­го и те­п­ло­во­го из­лу­че­ний. Ис­поль­зо­ва­ние жид­кок­ри­стал­лич. со­стоя­ний иг­ра­ет су­ще­ст­вен­ную роль в тех­но­ло­гии сверх­проч­ных по­ли­мер­ных во­ло­кон.

Биологические аспекты

Слож­ные био­ло­ги­че­ски ак­тив­ные мо­ле­ку­лы (напр., ДНК), ви­ру­сы и др. так­же мо­гут на­хо­дить­ся в жид­кок­ри­стал­лич. со­стоя­нии. Ус­та­нов­ле­на роль Ж. к. в ря­де ме­ха­низ­мов жиз­не­дея­тель­но­сти че­ло­ве­че­ско­го ор­га­низ­ма. Не­ко­то­рые бо­лез­ни (ате­ро­скле­роз, желч­но­ка­мен­ная бо­лезнь), свя­зан­ные с по­яв­ле­ни­ем в ор­га­низ­ме твёр­дых кри­стал­лов, про­хо­дят че­рез ста­дию воз­ник­но­ве­ния жид­кок­ри­стал­лич. со­сто­я­ний. Осо­бую роль иг­ра­ет жид­ко­кри­стал­лич. со­стоя­ние био­ло­гич. мем­бран, в ча­ст­но­сти в про­цес­сах ион­но­го транс­пор­та, ме­ха­низ­мах фо­то­син­те­за и зре­ния, в про­цес­сах са­мо­ор­га­ни­за­ции био­ло­гич. струк­тур.

Источник: bigenc.ru

ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ. Жидкокристаллическим (мезоморфным) состоянием вещества называется такое состояние, свойства которого являются промежуточными между свойствами твердого кристалла и жидкости. Согласно законам термодинамики, агрегатные состояния веществ подразделяются на три вида: твердое, жидкое и газообразное, однако такое разделение не отражает внутреннее строение вещества, степень упорядоченности его частиц. Некоторые вещества (стекла, смолы) обладают свойствами характерными и для твердых, и для очень вязких переохлажденных жидкостей. В частности, некоторые органические материалы переходят из твердого состояния в жидкое, испытывая ряд переходов, включающих образование новой фазы, которую называют жидкокристаллическим состоянием (жидким кристаллом).

Впервые образование новой, необычной фазы было замечено австрийским ботаником Рейнитцером в 1888, когда он определял свойства полученного им нового органического вещества – холестерилбензоата. Это вещество плавится в две стадии: сначала образуется мутный расплав, а дальнейшее повышение температуры превращает этот расплав в прозрачную жидкость. При исследовании оптических свойств этого вещества было обнаружено, что при нагревании оно переходит из кристаллической фазы в жидкую через промежуточную форму с анизотропными оптическими свойствами. Интервал этого перехода достаточно велик и составляет 34°С.

Однако холестерилбензоат не уникальное вещество. Было найдено еще много таких же веществ и было предложено дать им название жидкие кристаллы (ЖК), а саму анизотропную фазу назвать мезофазой (от греческого слова мезос – промежуточный).

Долгое время жидкие кристаллы оставались экзотическими объектами исследований физиков и химиков, но в 1963 в США был запатентован метод регистрации ИК (инфракрасного) и СВЧ (сверхвысокочастотного) излучений с помощью тонкой пленки жидкого кристалла, который изменял цвет с нагреванием. Этот метод позволил создатьь производство надежных и экономичных цифровых и буквенных индикаторов, основанных на том, что тонкий слой жидкого кристалла помещается в соответствующую плоскую ячейку с прозрачными электродами. Под влиянием электрического поля, подаваемого на электроды, ЖК изменяет свой цвет и тем самым вызывает индикацию. С этих пор ЖК находят все новые и зачастую неожиданные практические применения. В последнее время установлено, что ЖК имеют большое значение также и для решения фундаментальных проблем в биологии и медицине.

По своим общим свойствам ЖК можно разделить на две большие группы: 1) термотропные ЖК, образующиеся в результате нагревания твердого вещества и существующие в определенном интервале температур и давлений и 2) лиотропные ЖК, которые представляют собой двух- или более компонентные системы, образующиеся в смесях стержневидных молекул данного вещества и воды (или других полярных растворителей). Эти стержневидные молекулы имеют на одном конце полярную группу, а большая часть стержня представляет собой гибкую гидрофобную углеводородную цепь. Такие вещества называются амфифилами (амфи – по гречески означает с двух концов, филос – любящий, благорасположенный). Примером амфифилов могут служить фосфолипиды.

Амфифильные молекулы, как правило, плохо растворяются в воде, склонны образовывать агрегаты таким образом, что их полярные группы на границе раздела фаз направлены к жидкой фазе. При низких температурах смешивание жидкого амфифила с водой приводит к расслоению системы на две фазы. Одним из вариантов амфифилов со сложной структурой может служить система мыло-вода. Здесь имеется алифатический анион СН3–(СН2)n–2–СО2 (где n ~ 12–20) и положительный ион Nа+, К+, NН4+ и др. Полярная группа СО2– стремится к тесному контакту с молекулами воды, тогда как неполярная группа (амфифильная цепь) избегает контакта с водой. Это явление типично для амфифилов.

Термотропные ЖК подразделяются на три больших класса:

1. Нематические жидкие кристаллы. В этих кристаллах отсутствует дальний порядок в расположении центров тяжести молекул, у них нет слоистой структуры, их молекулы скользят непрерывно в направлении своих длинных осей, вращаясь вокруг них, но при этом сохраняют ориентационный порядок: длинные оси направлены вдоль одного преимущественного направления. Они ведут себя подобно обычным жидкостям. Нематические фазы встречаются только в таких веществах, у молекул которых нет различия между правой и левой формами, их молекулы тождественны своему зеркальному изображению (ахиральны). Примером вещества, образующего нематический ЖК, может служить N-(пара-метоксибензилиден)-пара-бутиланилин:

Виды жидких кристаллов

Рис.1

2. Смектические жидкие кристаллы имеют слоистую структуру, слои могут перемещаться друг относительно друга. Толщина смектического слоя определяется длиной молекул (преимущественно, длиной парафинового «хвоста»), однако вязкость смектиков значительно выше чем у нематиков и плотность по нормали к поверхности слоя может сильно меняться. Типичным является терефтал-бис(nара-бутиланилин):

Виды жидких кристаллов

Рис.2

3. Холестерические жидкие кристаллы – образуются, в основном, соединениями холестерина и других стероидов. Это нематические ЖК, но их длинные оси повернуты друг относительно друга так, что они образуют спирали, очень чувствительные к изменению температуры вследствие чрезвычайно малой энергии образования этой структуры (порядка 0,01 Дж/моль). В качестве типичного холестерика можно назвать амил-пара-(4-цианобензилиденамино)- циннамат

Виды жидких кристаллов

Рис.3

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

Во всех приведенных типах ЖК характерным является ориентация дипольных молекул в определенном направлении, которое определяется единичным вектором Виды жидких кристаллов называемым «директором».

В недавнее время открыты так называемые колончатые фазы, которые образуются только дискообразными молекулами, расположенными слоями друг на друге в виде многослойных колонн, с параллельными оптическими осями. Часто их называют «жидкими нитями», вдоль которых молекулы обладают трансляционными степенями свободы. Этот класс соединений был предсказан академиком Л.Д.Ландау, а открыт лишь в 1977 Чандрасекаром. Схематично характер упорядоченности жидких кристаллов названных типов представлен на рисунке.

СХЕМАТИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ а) нематической, б) смектической, в) холестерической и г) колончатой фаз.

У ЖК необычные оптические свойства. Нематики и смектики оптически одноосные кристаллы. Холестерики вследствие периодического строения в видимой области спектра сильно отражают свет в видимой области спектра. Поскольку в нематиках и холестериках носителями свойств является жидкая фаза, то она легко деформируется под влиянием внешнего воздействия, а так как шаг спирали в холестериках очень чувствителен к температуре, то, следовательно, и отражение света резко меняется с температурой, приводя к изменению цвета вещества.

Эти явления широко используются в различных приложениях, например, для нахождения горячих точек в микроцепях, локализации переломов и опухолей у человека, визуализации изображения в инфракрасных лучах и др.

Характеристики многих электрооптических устройств, работающих на лиотропных ЖК, определяются анизотропией их электропроводности, которая, в свою очередь, связана с анизотропией электронной поляризуемости. Для некоторых веществ вследствие анизотропии свойств ЖК удельная электропроводность изменяет свой знак. Например, для н-октилоксибензойной кислоты она проходит через нуль при температуре 146° С и связывают это со структурными особенностями мезофазы и с поляризуемостью молекул. Ориентация молекул нематической фазы, как правило, совпадает с направлением наибольшей проводимости.

Все формы жизни так или иначе связаны с деятельностью живой клетки, многие структурные звенья которой похожи на структуру жидких кристаллов. Обладая замечательными диэлектрическими свойствами, ЖК образуют внутриклеточные гетерогенные поверхности, они регулируют взаимоотношения между клеткой и внешней средой, а также между отдельными клетками и тканями, сообщают необходимую инертность составным частям клетки, защищая ее от ферментативного влияния. Таким образом, установление закономерностей поведения ЖК открывает новые перспективы в развитии молекулярной биологии.

Роберт Салем

Источник: www.krugosvet.ru

История открытия

В 1888-м году австрийский ботаник Фридерих Рейнитцер выяснил, что у некоторых типов кристаллов имеется две точки плавления, из чего следует, что существует два различных жидких состояния, в одном из которых вещество прозрачное, а в другом – мутное.

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:

  1. Термотропные – образовываются вследствие разогрева твердого вещества. Способны существовать в условиях определенной температуры и давления. Их разделяют на три типа, в зависимости от расположения молекул:
    1. Смектические – такие ЖК имеют слоистую структуру, слои которой способны перемещаться друг относительно друга. Плотность слоя с приближением к поверхности может меняться. Кроме того, «смектики» обладают относительно высокой вязкостью. Наиболее обширный класс ЖК.
    2. Нематические – не обладают слоистой структурой, а их вытянутые молекулы непрерывно скользят вдоль своих длинных осей, при этом вращаясь вокруг них. Такие ЖК подобны жидкостям. К этому агрегатному состоянию способны прийти только те вещества, молекулы которых имеют форму, при которой они не отличаются от своего зеркального отражения.
    3. Холистерические – образовываются в соединениях различных стероидов, например, холестерина. Во многом схожи с нематическими ЖК, за исключением расположения молекул. Длинные оси молекул холистерических ЖК повернуты друг относительно друга таким образом, что молекулы образуют спирали. Основная особенность такого типа жидких кристаллов – его молекулы сверхчувствительны к любому изменению температуры и в зависимости от нее – меняют свою ориентацию, а значит и саму спираль. Примечательно, что в зависимости от шага спирали холистерических ЖК также меняют свой цвет. В связи с двумя указанными свойствами, такие жидкие кристаллы нашли широкое применение в различных сферах человеческой деятельности.
  1. Лиотропные – образовываются в смесях, состоящих из стержневидных молекул данного вещества и полярных растворителей (например, воды).

Применение жидких кристаллов

ЖК-дисплеи

Прежде всего следует отметить не наиболее полезное, но наиболее известное применения ЖК – жидкокристаллические дисплеи. Иногда они называются LCD-дисплеи, что есть сокращением английского «liquid crystal display». В век гаджетов такие дисплеи присутствуют практически в любом электронном устройстве: телевизоры, мониторы компьютеров, цифровые фотоаппараты, навигаторы, калькуляторы, электронные книги, планшеты, телефоны, электронные часы, плееры и др.

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.

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.

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

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.

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.

Виды жидких кристаллов

Источник: SpaceGid.com


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.