XVI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2024

Понятие и классификация жидких кристаллов

Жидкий кристалл - это специфическое агрегатное состояние вещества, в котором оно проявляет одновременно свойства кристалла и жидкости. Сразу надо оговориться, что далеко не все вещества могут находиться в жидкокристаллическом состоянии. Большинство веществ может находиться только в трех, всем хорошо известных агрегатных состояниях: твердом или кристаллическом, жидком и газообразном. Оказывается, некоторые органические вещества, обладающие сложными молекулами, кроме трех названных состояний, могут образовывать четвертое агрегатное состояние - жидкокристаллическое. Это состояние осуществляется при плавлении кристаллов некоторых веществ. При их плавлении образуется жидкокристаллическая фаза, отличающаяся от обычных жидкостей. Эта фаза существует в интервале от температуры плавления кристалла до некоторой более высокой температуры, при нагреве до которой жидкий кристалл переходит в обычную жидкость. Чем же жидкий кристалл отличается от жидкости и обычного кристалла и чем похож на них? Подобно обычной жидкости, жидкий кристалл обладает текучестью и принимает форму сосуда, в который он помещен. Этим он отличается от известных всем кристаллов. Однако, несмотря на это свойство, объединяющее его с жидкостью, он обладает свойством, характерным для кристаллов. Это - упорядочение в пространстве молекул, образующих кристалл. Правда, это упорядочение не такое полное, как в обычных кристаллах, но, тем не менее, оно существенно влияет на свойства жидких кристаллов, чем и отличает их от обычных жидкостей. Неполное пространственное упорядочение молекул, образующих жидкий кристалл, проявляется в том, что в жидких кристаллах нет полного порядка в пространственном расположении центров тяжести молекул, хотя частичный порядок может быть. Это означает, что у них нет жесткой кристаллической решетки. Поэтому жидкие кристаллы, подобно обычным жидкостям, обладают свойством текучести. Обязательным свойством жидких кристаллов, сближающим их с обычными кристаллами, является наличие порядка пространственной ориентации молекул. Такой порядок в ориентации может проявляться, например, в том, что все длинные оси молекул в жидкокристаллическом образце ориентированы одинаково. Эти молекулы должны обладать вытянутой формой. Кроме простейшего названного упорядочения осей молекул, в жидком кристалле может осуществляться более сложный ориентационный порядок молекул. Наряду с термином "жидкие кристаллы" для названия вновь открытого состояния материи на протяжении многих лет употребляют и другие термины: текучие кристаллы, мезоморфное состояние. Однако чаще всего наряду с термином жидкий кристалл применяется название анизотропная жидкость, а чтобы более детально подчеркнуть тип жидкого кристалла, употребляют следующие термины: нематическая, 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. Жидкие кристаллы можно разделить на две группы: термотропные жидкие кристаллы и лиотропные. Термотропные жидкие кристаллы образуются в результате нагревания твердого вещества. Они существуют в определенном интервале температур и давлений. Лиотропные жидкие кристаллы представляют собой двух- или более компонентные системы, образующиеся в смесях амфифильных молекул и воды или других полярных растворителей, заменяющих воду. Классификация жидких кристаллов предложена Леманном, затем расширена Фриделем. По этой классификации выделяются три типа 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. Рассмотрим каждый тип подробнее.

1. Смектическое мезоморфное состояние впервые наблюдалось в мылах ("смегма" - по-гречески мыло). Внутренние и внешние поверхности пленок и есть, собственно, смектические слои разделенные в пузырях водной прослойкой. 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, они могут легко скользить один по одному, обусловливая текучесть жидкого кристалла. 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.[3] При дальнейшем понижении температуры появляется кристаллическая структура, т.е. может образоваться твердый кристалл с простейшей молекулярной структурой. Смектические жидкие кристаллы часто называют смектиками.

2. Нематические жидкие кристаллы:

("нема" - по-гречески нить) характеризуются наличием микроструктур в виде нитей, концы которых либо свободны, либо связаны со стенкой емкости, в которой находится изучаемое вещество. 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. Нематические жидкие кристаллы называются также нематиками.

Свойства жидких кристаллов:

1. Вязкость и плотность жидких кристаллов. Впервые вязкость веществ, способных находиться в жидкокристаллическом состоянии, была измерена Шенком. Капиллярный метод позволил измерить вязкость холестерилбензоата и n-азоксианизола. Опыт показал, что вязкость мезофазы уменьшается с повышением температуры, однако при температурах, близких к переходу нематической фазы в изотропное состояние, она быстро возрастает, достигая максимума. При дальнейшем повышении температуры в изотропном состоянии вязкость монотонно уменьшается. Более поздние работы с другими веществами также показали внезапное возрастание вязкости вблизи изотропно-нематического и изотропно-холестерического переходов. Вид кривых оказывается различным. В одних случаях максимум на кривой симметричен, в других вязкость после достижения максимального значения изменяется очень плавно. Вязкость нематической фазы, например n-азоксианизола, оказалась очень низкой, лишь немногим выше, чем у воды при комнатной температуре. Величина вязкости смектической фазы значительно выше, чем у нематической и холестерической.[3] К сожалению, работ, относящихся к этому типу мезофаз, опубликовано очень мало. Известно, что в смектической фазе, имеющей слоистое строение, вязкость в двух направлениях (вдоль слоев и перпендикулярно слоям) оказывается различной. Прерывистость в изменении вязкости наблюдается и при переходах внутри жидкокристаллической фазы

2. Оптические и электрооптические свойства Спонтанная ориентация молекул в жидких кристаллах приводит к тому, что эти вещества проявляют оптическое двулучепреломление, свойственное некоторым твердым кристаллам. Свет, проходя через однородно-упорядоченные слои жидких кристаллов, распадается на два луча: необыкновенный, направление поляризации которого совпадает с направлением оптической оси жидкого кристалла, и обыкновенный, с направлением поляризации, перпендикулярным этой оси. Кристалл считается оптически положительным, если ne-n0>0, и оптически отрицательным, если пе-n0<0; пе и n0 - коэффициенты преломления необыкновенного и обыкновенного лучей.[3] Нематические и смектические жидкие кристаллы оптически положительны и направление длинных осей молекул совпадает с направлением оптической оси. Холестерические жидкие кристаллы, в которых длинные оси молекул перпендикулярны оси холестерической спирали, которая, в свою очередь, параллельна оптической оси образца, - оптически отрицательны. Эта особенность часто служит критерием отличия холестерических жидких кристаллов от смектических. Знак двулучепреломления и направление оптической оси в жидкокристаллическом образце, как и в твердом кристалле, можно определить при наблюдении в микроскопе в сходящемся свете. Ориентированные слои жидкокристаллических холестериков, нематиков и смектиков А оптически одноосны, т. е. для жидких кристаллов характерно только одно направление, в котором свет проходит с одинаковой скоростью независимо от состояния поляризации. В смектиках С имеются два таких направления, они двуосны[3]. Двуосное состояние можно получить деформацией холестерических и нематических жидких кристаллов.

3. Эффект памяти Состояние помутнения, вызванное наличием ионного тока в жидком кристалле (явление динамического рассеяния света) исчезает примерно через 100 мс после снятия поля. Хейльмейер и Голдмахер заметили, что смеси нематиков с отрицательной диэлектрической анизотропией с несколькими массовыми долями эфиров холестерина сохраняют состояние помутнения достаточно долго после снятия поля. Время, в течение которого образец рассеивает свет, колеблется от нескольких часов до нескольких недель. Очень важным является то обстоятельство, что состояние молочного помутнения тонкого слоя можно легко и быстро погасить, приложив к образцу переменное напряжение с частотой от 500 до 2000 Гц. Это явление было названо эффектом памяти. Схема работы элемента с памятью: этот элемент составлен из двух параллельных пластин, покрытых проводящим слоем, между которыми помещается жидкокристаллическая смесь. Ориентированный и прозрачный вначале слой жидкого кристалла становится молочно-белым при наложении поля. Такое состояние ("запись") сохраняется в ячейке после снятия поля в течение нескольких дней и даже месяцев. Переменное напряжение акустической частоты стирает запись. Запись в ячейках с памятью осуществляется с помощью переменного напряжения низкой частоты либо постоянного напряжения, равного 20-30 В.[4] Стирающее напряжение акустической частоты имеет тот же порядок. Частота стирающего переменного напряжения должна быть выше некоторой критической величины, выше которой не образуются электрогидродинамические нестабильности. Величина критической частоты пропорциональна электропроводности жидкого кристалла.

4. Диамагнитные свойства Магнитное поле является превосходным средством ориентации молекул нематической структуры. Его действие сказывается непосредственно почти на всем пространстве, занятом полем. Молекулы органических веществ чаще всего диамагнитны. Возникающий в них в магнитном поле H магнитный момент направлен противоположно H . Этот эффект особенно заметен у ароматических соединений, содержащих бензольные кольца. Если плоскость кольца перпендикулярна направлению магнитного поля, то атомы углерода, расположенные в вершинах шестиугольника, ведут себя подобно проводящему витку, в котором под действием поля Н индуцируется противодействующий ток. Остановимся на некоторых явлениях в жидких кристаллах в постоянном магнитном поле. Бозе рассматривал нематическую фазу, состоящую из большого числа групп молекул, вследствие чего в объеме она выглядела мутной.[3] Он показал, что анизальдазин в магнитном поле становится прозрачным.   Моген, наблюдая двойное лучепреломление в n-азоксианизоле и n-азоксифенетоле, установил, что действие магнитного поля достаточной напряженности вызывает ориентацию молекул, в результате чего их оси приобретают направление, параллельное силовым линиям поля. Учитывая эти результаты при изучении изменения e и проводимости в магнитном поле. Каст обнаружил диэлектрическую анизотропию в жидких кристаллах и зависимость диэлектрической проницаемости n-асксианизола от напряженности магнитного поля. Дальнейшее развитие работ привело к выводу, что ориентирующее воздействие магнитного поля на мезофазу следует искать не в магнитных моментах молекул (или их роев), а в анизотропии их диамагнитных свойств.[3]

5. Диэлектрические свойства При наложении электрического или магнитного поля жидкий кристалл подвергается своеобразной упругой деформации. Деформация мезофазы в целом неоднородна, так как края жидкости прилегающие к стеклу и крепко сцепленные со стенками, деформации не подвергаются. Наиболее же удаленная от стенок сосуда часть мезофазы подвергается наибольшей деформации. Своеобразие ее состоит в том, что каждый отдельный элемент, например молекула, подвергается в первую очередь вращению, а уже затем, может быть, и перемещению, ускользающему от наблюдения, так как обычно оно проводится с помощью поляризованного света. Исследование диэлектрических свойств жидких кристаллов позволяет обнаружить общие закономерности, обусловленные действием электрических полей. Однородно ориентированный препарат жидкого кристалла ведет себя как одноосный кристалл, в котором обнаруживается, за небольшим исключением, оптическая и диэлектрическая анизотропия. [3]Для нематических и смектических фаз (кроме группы D смектической модификации) оптическая ось совпадает с преимущественным направлением молекулярных осей и одновременно является направлением максимальной поляризуемости. В нематическом состоянии ориентированные жидкие кристаллы обладают диэлектрической анизотропией, которая является результатом наложения положительной поляризации смещения (вдоль длины молекулы) с отрицательной поляризацией ориентации (перпендикулярно оптической оси).

6. Акустооптические свойства Развитие акустической кристаллографии жидкокристаллического состояния только начато. Дальнейший предмет этой науки - связь таких явлений , как распространение и поглощение упругих волн в широком спектре механических колебаний - от инфразвуковых до гиперзвуковых, с микроскопическими взаимодействиями составляющих жидкий кристалл частиц и происходящими в нем кинетическими процессами. Своеобразные явления в поле упругой волны обусловлены подвижностью молекул и анизотропией жидких кристаллов. Основой многих экспериментальных исследований является ячейка, содержащая тонкий слой жидкого кристалла между двумя параллельными прозрачными пластинками, помещенными между скрещенными поляроидами. Поверхности пластин часто обрабатываются так, что в отсутствие внешних воздействий молекулы образуют гомеотропный слой. [3]Такой слой между скрещенными николями не пропускает света. При возбуждении колебаний различного типа в одной из пластин в слое создается вязкая волна. Градиент скорости в вязкой волне приводит к повороту молекул слоя, в результате чего часть светового потока проходит через систему. Эффективность такого акусто- оптического устройства связана с тем, что ввиду малости длины вязкой волны градиенты, возникающие в слое, велики. Камертон, приведенный в колебания, помещался на столик или на печь, где находился препарат. Под действием упругой волны в гомеотропном слое появляется интерференционная картина из двух пересекающихся прямых, а также двух гипербол, вид которой зависит от точки приложения камертона и степени его нажима на столик. Интервал частот, в котором наблюдается интерференция,- от 200 до 600 Гц. Наиболее резкая фигура видна при 300Гц.

Список литературы:

1. Блинов Л. М., Пикин С. А. Жидкие кристаллы // Большая российская энциклопедия. – Том 10. – Москва, 2008. – С. 67–69.

2. Блинов Л. М. Жидкие кристаллы: Структура и свойства. – М.: Книжный дом «Либриком», 2013. – 480 с.

3. Г. Браун Дж. Уолкен Жидкие кристаллы и биологические структуры. – Пер. с англ. под ред. Я. М. Варшавского. – М.: Мир, 1982. – С. 198.

4. Пикин С. А., Блинов Л. М. Жидкие кристаллы / Под ред. Л. Г. Асламазова. – Москва: Наука, 1982. – 208 с.

5. Томилин М. Г. Взаимодействие жидких кристаллов с поверхностью. – Санкт-Петербург: Политехника, 2001. – 325 с.

6. Томилин М. Г., Невская Г. Е. Дисплеи на жидких кристаллах – СПб: СПбГУ ИТМО, 2010. – 108 с.

7. Цветков В. А., Гребенкин М. Ф. Жидкие кристаллы в оптоэлектронике // Жидкие кристаллы / под ред. С. И. Жданова. — М.: Химия, 1979. – С. 160–215.

8. Шибаев В. П. Необычные кристаллы или загадочные жидкости // Соросовский образовательный журнал. – 1996. – № 11. – С. 37–46.