 |
|
Способи одержання рідких кристалів
РОЗДІЛ 1. РІДКІ КРИСТАЛИ — НОВИЙ СТАН РЕЧОВИНИ
Навіщо потрібні РК
У буденному житті ми стикаємося з годинниками, термометрами на рідких кристалах. Інтерес до них перш за все обумовлений можливостями їх ефективного застосування у ряді галузей виробничої діяльності. Впровадження рідких кристалів означає економічну ефективність, простоту, зручність.
Рідкий кристал — це специфічний агрегатний стан речовини, в якій воно проявляє одночасно властивості кристала і рідини. Далеко не всі речовини можуть знаходитися в рідкокристалічному стані. Більшість речовин можуть знаходитися тільки в трьох, всім добре відомих агрегатних станах: твердому або кристалічному, рідкому і газоподібному. Деякі органічні речовини, що володіють складними молекулами, окрім трьох названих станів, можуть утворювати четвертий агрегатний стан — рідкокристалічне. Цей стан здійснюється при плавленні кристалів деяких речовин. При їх плавленні утворюється рідкокристалічна фаза, що відрізняється від звичайних рідин. Ця фаза існує в інтервалі від температури плавлення кристала до деякої вищої температури, при нагріві до якої рідкий кристал переходить в звичайну рідину. Подібно звичайній рідині, рідкий кристал володіє текучістю і приймає форму посудини, в яку він поміщений. Цим він відрізняється від відомих всім кристалів. Проте не дивлячись на цю властивість, об'єднуючу його з рідиною, він володіє властивістю, характерною для кристалів. Це — впорядкування в просторі молекул, утворюючих кристал. Правда, це впорядкування не таке повне, як в звичайних кристалах, проте воно істотно впливає на властивості рідких кристалів, чим і відрізняє їх від звичайних рідин. Неповне просторове впорядкування молекул, утворюючих рідкий кристал, виявляється в тому, що в рідких кристалах немає повного порядку в просторовому розташуванні центрів тяжіння молекул, хоча частковий порядок може бути. Це означає, що у них немає жорсткої кристалічної решітки. Тому рідкі кристали, подібно до звичайних рідин, володіють властивістю плинності.
Обов'язковою властивістю рідких кристалів, що зближує їх із звичайними кристалами, є наявність порядку просторової орієнтації молекул. Такий порядок в орієнтації може виявлятися, наприклад, в тому що всі довгі осі молекул в рідкокристалічному зразку орієнтовані однаково. Ці молекули повинні володіти витягнутою формою. Окрім простого названого впорядкування осей молекул, в рідкому кристалі може здійснюватися складніший орієнтаційний порядок молекул.
Трохи історії
Не володіючи сучасною величезною інформацією про будову матерії, дуже важко повірити, що такі, здавалося б, властивості, що взаємно виключають один одного, можуть виявлятися у однієї речовини. Тому, ймовірно, дослідники вже дуже давно стикалися з рідкокристалічним станом, але не віддавали собі в цьому звіту. Проте існування рідких кристалів було встановлене дуже давно, майже сторіччя тому, а саме в 1888 році.
Першим, хто виявив рідкі кристали, був австрійський учений-ботанік Рейнітцер . Він виявив, що при температурі 145°С кристали цієї речовини плавляться. При продовженні нагріву після досягнення температури 179°С рідина починає поводитися в оптичному відношенні, як звичайна рідина, наприклад вода. Це означає, що показник заломлення світла, тобто швидкість світла в цій фазі, залежить від поляризації.
У той час існування рідких кристалів представлялося якимсь курйозом, і ніхто не міг припустити, що їх чекає майже через сто років велике майбутнє в технічних застосуваннях. Тому після деякого інтересу до рідких кристалів відразу після їх відкриття про них через деякий час практично забули.
Проте вже в перші роки було з'ясовано багато інших дивовижних властивостей рідких кристалів. Так, деякі види рідких кристалів володіли незвично високою оптичною активністю.
Оптичною активністю називають здатність деяких речовин обертати площину поляризації світла, що проходить через них. Це означає, що лінійно поляризоване світло, розповсюджуючись в таких середовищах, змінює орієнтацію площини поляризації. Причому кут повороту площини поляризації прямо пропорційна шляху L, пройденому світлом, де кут повороту на одиничному шляху і називається питомою обертальною здатністю.
Дивовижними були також й інші властивості, такі, як сильна температурна залежність названих характеристик, їх дуже висока чутливість до зовнішніх магнітних і електричних полів.
В кінці ХІХ — початку ХХ століття багато дуже авторитетних вчених вельми скептично відносилися до відкриття Рейнітцера і Лемана. Річ у тому, що не тільки описані суперечливі властивості рідких кристалів представлялися багатьом авторитетам вельми сумнівними, але і в тому, що властивості різних рідкокристалічних речовин виявлялися істотно різними. Так, одні рідкі кристали володіли дуже великою в'язкістю, у інших в'язкість була невелика. Одні рідкі кристали проявляли із зміною температури різку зміну забарвлення, так що їх колір пробігав всі тони веселки, інші рідкі кристали такої різкої зміни забарвлення не проявляли. У одному випадку в полі мікроскопа могли бути видні утворення, схожі на нитки, в другому — спостерігалися зображення, схожі на гірський рельєф, а в третьому — картина нагадувала відбитки пальців.
Сучасний етап вивчення рідких кристалів, який почався в 60-і роки і додав науці про РК сьогоднішні форми, методи досліджень, широкий розмах робіт сформувався під безпосереднім впливом успіхів в технічних додатках рідких кристалів, особливо в системах відображення інформації. В цей час зрозуміло і практично доведено, що в наше століття мікроелектроніки, що характеризується впровадженням мікромініатюрних електронних пристроїв, споживаючих нікчемні потужності енергії для пристроїв індикації інформації, тобто зв'язки приладу з людиною, найбільш відповідними виявляються індикатори на РК. Річ у тому, що такі пристрої відображення інформації на РК природним чином вписуються в енергетику і габарити мікроелектронних схем. Вони споживають нікчемну кількість потужності і можуть бути виконані у вигляді мініатюрних індикаторів або плоских екранів. Все це зумовлює масове впровадження рідкокристалічних індикаторів в системи відображення інформації, свідками якого ми є в теперішній час. Щоб усвідомити цей процес, досить пригадати годинник або мікрокалькулятори з рідкокристалічними індикаторами. Але це тільки початок. На зміну традиційним і звичним пристроям йдуть рідкокристалічні системи відображення інформації. Частобуває, технічні потреби не тільки стимулюють розробку проблем, пов'язаних з практичними застосуваннями, але і часто примушують переосмислити загальне відношення до відповідного розділу науки. Так відбулося і з рідкими кристалами. Зараз зрозуміло, що це найважливіший розділ фізики стану, що конденсує.
Основні поняття
Рідкі кристали – це рідини, для яких характерним є певний порядок розміщення молекул і, як наслідок цього, анізотропія механічних, електричних, магнітних та оптичних властивостей. І хоч рідкі кристали поєднують у собі властивості твердого тіла та ізотропної рідини, електро- і магнітооптичні явища в них досить специфічні і, як правило, не мають відповідних аналогів у твердій та ізотропній рідкій фазах. Якщо немає зовнішніх дій, в рідких кристалах має місце анізотропія діелектричної проникності, магнітної сприйнятливості, електропровідності та теплопровідності. У них спостерігається подвійне заломлення світлових променів та дихроїзм. [4]
Способи одержання рідких кристалів
Необхідною умовою прояву мезоморфізму є існування геометричної анізотропії молекул. Які повинні бути довгими і порівняно вузькими. Залежно від геометрії молекул система може проходити через одну або кілька мезофаз до переходу в ізотропну рідину. Переходи в ці проміжні стани можуть спричинятися суто термічними процесами (термотропний мезоформізм) або впливом розчинника (ліотропний мезоформізм).
У рідких кристалів після досягнення певної температури руйнується тривимірна гратка, але вони після цього не переходять у рідкий ізотропний стан, а зберігають дво- або одновимірну впорядкованість внаслідок анізотропії молекул. Відкриття рідких кристалів було пов’язано з тим, що при плавленні деяких речовин замість прозорого розплаву утворюється мутний. Мутність його зумовлена невпорядкованим подвійним променезаломленням подібно до кристалів кварцу та ісландського шпату. З підвищенням температури у таких речовин спостерігається перехід до звичайного ізотропного прозорого розплаву.
Як уже зазначалося, за способом одержання рідкі кристали поділяють на термотропні і ліотропні. Термотропні рідкі кристали утворюються при нагріванні твердих кристалів або охолодженні ізотропної рідини і існують у певному інтервалі температур. Ліотропні рідкі кристали утворюються при розчиненні твердих органічних речовин у різних розчинниках, наприклад у воді. Термотропні і ліотропні рідкі кристали мають кілька модифікацій рідкокристалічних фаз, кожній з яких на фазовій діаграмі відповідає певна область. Температурний інтервал існування рідкокристалічних фаз залежить від речовини і може знаходитись як при низьких (до -60°С), так і при високих температурах (до 400°С).