Introducere în cristale lichide Studiul de cristale lichide a început în 1888 atunci când un botanist austriac Friedrich Reinitzer a observat că un material cunoscut sub numele de cholesteryl benzoat avut două puncte distincte de topire. În experimentele sale, Reinitzer a crescut temperatura a unui eşantion solid şi am urmărit schimbarea de cristal intr-un lichid tulbure. Deoarece el a crescut temperatura în continuare, materialul a schimbat din nou într-un lichid clar, transparent. Din acest motiv muncă mai devreme, Reinitzer este deseori creditat cu descoperirea unei noi faze a materiei - cu cristale lichide faza. Materiale cu cristale lichide sunt unice în proprietăţile lor şi utilizările. Deoarece cercetarea în acest domeniu continuă şi în noi aplicaţii sunt dezvoltate, cristale lichide va juca un rol important in tehnologie moderna. Acest tutorial ofera o introducere în domeniul ştiinţei şi al cererilor de aceste materiale. Care sunt Cristale lichide? Materiale cu cristale lichide au, în general, câteva caracteristici comune. Printre acestea se numără o structura moleculara tija-cum ar fi, rigidness a axei lungi, puternice şi dipoli şi / sau substituenţi pur polarizable. Caracteristica distinctiv al statului cristalină lichid este tendinţa de molecule ( mesogens ) la punctul de-a lungul unei axe comune, numit director . Acest lucru este în contrast cu molecule în faza lichidă, care nu au nici o ordine intrinsecă. În stare solidă, moleculele sunt foarte ordonate si au puţină libertate de translaţie. Ordinea orientational caracteristică a statului cu cristale lichide este între fazele tradiţionale solide şi lichide şi acest lucru este originea statului mesogenic termen, folosit ca sinonim cu cristale lichide de stat. Notă alinierea medie a moleculelor pentru fiecare etapă în următoarea diagramă. Uneori este dificil de a determina dacă un material este într-o stare de cristal cristal sau lichide. Cristalin materiale pentru a demonstra pe distanţe lungi periodice în trei dimensiuni. Prin definiţie, un izotropic lichid nu are nici o comandă orientational. Substanţele care nu sunt la fel de ordonate ca un solid, dar au un anumit grad de aliniere sunt corect numite cristale lichide.
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Introducere în cristale lichide
Studiul de cristale lichide a început în 1888 atunci când un botanist austriac Friedrich Reinitzer a
observat că un material cunoscut sub numele de cholesteryl benzoat avut două puncte distincte
de topire. În experimentele sale, Reinitzer a crescut temperatura a unui eşantion solid şi am
urmărit schimbarea de cristal intr-un lichid tulbure. Deoarece el a crescut temperatura în
continuare, materialul a schimbat din nou într-un lichid clar, transparent. Din acest motiv muncă
mai devreme, Reinitzer este deseori creditat cu descoperirea unei noi faze a materiei - cu cristale
lichide faza.
Materiale cu cristale lichide sunt unice în proprietăţile lor şi utilizările. Deoarece cercetarea în
acest domeniu continuă şi în noi aplicaţii sunt dezvoltate, cristale lichide va juca un rol important
in tehnologie moderna. Acest tutorial ofera o introducere în domeniul ştiinţei şi al cererilor de
aceste materiale.
Care sunt Cristale lichide?
Materiale cu cristale lichide au, în general, câteva caracteristici comune. Printre acestea se
numără o structura moleculara tija-cum ar fi, rigidness a axei lungi, puternice şi dipoli şi / sau
substituenţi pur polarizable.
Caracteristica distinctiv al statului cristalină lichid este tendinţa de molecule ( mesogens ) la
punctul de-a lungul unei axe comune, numit director . Acest lucru este în contrast cu molecule în
faza lichidă, care nu au nici o ordine intrinsecă. În stare solidă, moleculele sunt foarte ordonate si
au puţină libertate de translaţie. Ordinea orientational caracteristică a statului cu cristale lichide
este între fazele tradiţionale solide şi lichide şi acest lucru este originea statului mesogenic
termen, folosit ca sinonim cu cristale lichide de stat. Notă alinierea medie a moleculelor pentru
fiecare etapă în următoarea diagramă.
Uneori este dificil de a determina dacă un material este într-o stare de cristal cristal sau lichide.
Cristalin materiale pentru a demonstra pe distanţe lungi periodice în trei dimensiuni. Prin
definiţie, un izotropic lichid nu are nici o comandă orientational. Substanţele care nu sunt la fel
de ordonate ca un solid, dar au un anumit grad de aliniere sunt corect numite cristale lichide.
Pentru a cuantifica exact cat de mult este prezent pentru a într-un material, un parametru de
comandă (S) este definit. În mod tradiţional, parametrul ordine este dat, după cum urmează:
în cazul în care theta este unghiul dintre regizor şi axa lungă de fiecare moleculă. Paranteze
indica o medie de peste tot din molecule din eşantion. Într-un lichid izotrop, medie a termenilor
cosinus este zero, şi, prin urmare, pentru parametrul este egală cu zero. Pentru un cristal perfect,
pentru parametrul evalueaza la unu. Valorile tipice pentru parametrul de comandă a unei game
cristale lichide, între 0,3 şi 0,9, cu valoarea exactă funcţie de temperatură, ca rezultat al mişcării
moleculare cinetice. Acest lucru este ilustrat mai jos, pentru un material nematic cu cristale
lichide (care urmează să fie discutate în secţiunea următoare).
Tendinţa de a moleculelor cu cristale lichide de la punctul de-a lungul director conduce la o stare
cunoscută sub numele de anizotropie . Acest termen înseamnă că proprietăţile unui material
depinde de directia in care acestea sunt măsurate. De exemplu, este mai uşor să taie o bucată de
lemn de-a lungul cereale decât împotriva sa. Natura anisotropic de cristale lichide este
responsabil pentru proprietăţile unice optice exploatate de către oamenii de ştiinţă şi ingineri într-
o varietate de aplicaţii.
Caracterizarea Cristale lichide
Următorii parametri descrie structura cu cristale lichide:
Pozitional comenzii
Orientational comenzii
Bond Orientational comenzii
Fiecare dintre aceşti parametri descrie măsura în care proba de cristal lichid este comandat.
Pentru pozitional se referă la măsura în care o moleculă medie sau un grup de molecule prezinta
simetrie de translaţie (după cum o arată cristalin material). Orientational ordine, aşa cum sa
discutat mai sus, reprezintă o măsură de tendinţa de a moleculelor pentru a alinia de-a lungul
directorului pe o bază pe distanţe lungi. comenzii Bond Orientational descrie o linie care uneşte
centrele de cel mai apropiat vecin-molecule, fără a necesita o distanţă regulat de-a lungul acelei
linii. Astfel, un relativ rază lungă de acţiune, pentru cu privire la linia de centre, dar numai pentru
intervalul scurt de poziţie de-a lungul acelei linii. (A se vedea discuţia din faze hexatic într-un
text, cum ar fi Chandrasekhar, Cristale lichide)
Cei mai mulţi compuşi cu cristale lichide prezintă polimorfism , sau o afecţiune în cazul în care
mai mult de o fază se observă în stare cristalină lichid. Termenul mesophase este folosit pentru a
descrie "subphases" de materiale cu cristale lichide. Mesophases sunt formate prin schimbarea
valorii de ordine în eşantion, fie prin impunerea ordinea în doar una sau două dimensiuni, sau
permiţând moleculelor să aibă un grad de mişcarea de translaţie. Secţiunea următoare descrie
mesophases de cristale lichide mai în detaliu.
Fazele cu cristale lichide
De stat cu cristale lichide este o etapă distinctă a materiei observate între cristalin (solid) şi
izotrop (lichid) state. Există mai multe tipuri de lichide state cristal, în funcţie de cantitatea de
ordinea în material. Această secţiune va explica şi comportamentul de fază de materiale de cristal
lichid.
Fazele Nematic
Nematic faza de cristal lichid este caracterizat prin molecule care nu au nici pentru poziţional,
dar tind să punct în aceeaşi direcţie (de-a lungul director). În diagrama de mai jos, observaţi că
punctul de moleculele sunt aranjate vertical, dar cu nici o ordine anume.
Cristale lichide sunt anizotrope materiale, precum şi proprietăţile fizice ale sistemului variază în
funcţie de alinierea medie cu directorul. Dacă alinierea este mare, materialul este foarte
anizotrop. În mod similar, în cazul în care alinierea este mic, materialul este aproape izotrop.
Tranziţia de fază a unui cristal lichid nematic este demonstrată în filmul următor, cu condiţia de
Dr. Mary Neubert, LCI-KSU. Faza de nematic este văzută ca textura marmorat. Uita-te ca
temperatura a materialelor este ridicată, determinând o tranziţie către lichid negru, izotrop.
O clasă specială de cristale lichide nematic se numeşte nematic chirale. chirale se refera la
abilitatea unica de a reflecta selectiv o componentă a luminii polarizate circular. Nematic
Termenul chiral este folosit alternativ cu cholesteric. Se referă la secţiunea privind cristale
lichide cholesteric pentru mai multe informaţii despre această mesophase.
Fazele Smectic
Cuvântul "smectic" este derivat din cuvântul grecesc pentru săpun. Această origine aparent
ambigue se explică prin faptul că substanţa gros, alunecos adesea găsite la partea de jos a vasului
sapun este de fapt un tip de cristale lichide smectic.
Smectic de stat este un alt mesophase distinct de substanţe cu cristale lichide. Moleculele în
această fază arată un grad de ordine translatie nu sunt prezente în nematic. În starea smectic,
moleculele menţine ordinea generală orientational de nematics, dar, de asemenea, tind să se
alinieze în straturi sau avioane. Propunerea se limitează la cadrul acestor avioane, avioane
separate, şi sunt respectate pentru a fluxului de trecut unul pe altul. Pentru a crescut înseamnă că
statul smectic este mai "solid-like" decât nematic.
Poză de o fază de smectic
(Folosind microscop de polarizare)
Mulţi compuşi sunt respectate pentru a forma mai mult de un tip de faze smectic. Aşa cum mulţi
ca 12 din aceste variante au fost identificate, însă numai fazele cele mai distincte sunt discutate
aici.
În smectic-A mesophase, directorul este perpendicular pe planul smectic, şi nu există nici o
ordine anume poziţional în strat. În mod similar, orientează smectic-B mesophase cu regizorul
perpendicular pe planul smectic, dar moleculele sunt aranjate într-o reţea de hexagoane în cadrul
stratului. În smectic-C mesophase, moleculele sunt aranjate ca în smectic-A mesophase, dar
directorul este la un unghi de înclinare constantă măsurat în mod normal, cu planul smectic.
Imagine a smectic o fază Fotografie din smectic o fază
(Folosind microscop de polarizare)
Imagine a fazei smectic C Fotografie din faza smectic C
(Folosind microscop de polarizare)
Ca şi în nematic, smectic-C mesophase are o stare chiral desemnat C *. În concordanţă cu
smectic-C, regizorul face un unghi de înclinare cu privire la stratul de smectic. Diferenţa este că
acest unghi se roteşte de la un strat la formând o spirala. Cu alte cuvinte, director al smectic-C *
mesophase nu este paralelă sau perpendiculară pe straturi, şi se roteşte de la un strat la altul. Notă
răsucire a directorului, reprezentat de săgeţi verzi, în fiecare strat în următoarea diagramă.
O reprezentare schematică a unui smectic C * fază (stânga), şi o vedere la aceeaşi fază, dar
de-a lungul axei (dreapta).
În unele mesophases smectic, moleculele sunt afectate de diferitele straturi de mai sus şi mai jos
le. Prin urmare, o cantitate mică de trei ordine dimensional este observat. Smectic-G este un
exemplu care să demonstreze acest tip de aranjament.
Fazele Cholesteric
Cholesteric (sau chiral nematic) lichide faza de cristal este de obicei compus din molecule
nematic mesogenic care conţin un centru chiral care produce forţe intermoleculare care
favorizează alinierea între molecule, la un unghi uşor unul de altul. Acest lucru conduce la
formarea unei structuri care pot fi vizualizate ca un teanc de foarte subtire 2-D nematic-ca
straturi cu directorul în fiecare strat răsucite cu privire la cele de mai sus şi mai jos. În această
structură, directorii de fapt, forma într-un model elicoidal continuu despre strat normal după cum
este ilustrat de săgeată neagră în figura următoare şi animaţie. Săgeată neagră în animaţie
reprezintă orientarea director în succesiunea de straturi de-a lungul stivă.
Moleculele prezentate sunt doar reprezentări ale mesogens multe chiral nematic situată în plăci
de grosime infinitezimal cu o distribuţie de orientare în jurul valorii de director. Acest lucru nu
trebuie să fie confundată cu aranjament planar găsite în mesophases smectic.
O caracteristică importantă a mesophase cholesteric este teren . Smoală, p, este definită ca
distanţa este nevoie pentru regizorul pentru a roti o rotire completă în helix cum este ilustrat în
animaţie de mai sus. Un produs secundar a structurii elicoidale a fazei nematic chiral, este
capacitatea sa de a reflecta selectiv lumina de lungimi de undă egală cu lungimea terenului, astfel
încât o culoare va fi reflectata atunci când pas este egală cu lungimea de undă corespunzătoare de
lumină în spectrul vizibil. Efectul se bazează pe dependenţa de temperatură a, la schimbarea
treptată în orientare director între straturi succesive (ilustrat mai sus), care modifică lungimea pas
duce la o modificare de lungimea de undă a luminii reflectate in functie de temperatura. Unghiul
la care modificările directorul pot fi făcute mai mari, şi, astfel, strângeţi pas, prin cresterea
temperaturii de molecule, prin urmare, oferindu-le mai multă energie termică. În mod similar, în
scădere de temperatură a moleculelor creste lungimea pas de cristal lichid nematic chirale. Acest
lucru face posibil de a construi un termometru cu cristale lichide, care afişează temperatura
mediului său de culoare reflectată. Amestecuri de diferite tipuri de aceste cristale lichide sunt
adesea folosite pentru a crea senzori cu o mare varietate de răspunsuri la schimbările de
temperatură. Astfel de senzori sunt utilizate pentru termometre de multe ori sub forma de filme
sensibile la căldură pentru a detecta defectele în conexiunile placă de circuit, modele de fluid de
curgere, starea de baterii, prezenţa de radiaţii, sau în noutati, cum ar fi "starea de spirit" inele.
În fabricarea de filme, deoarece punerea chiral cristale lichide nematic direct pe un fond negru ar
duce la degradarea şi, probabil, contaminare, cristalele sunt micro-incapsulate in particule de
dimensiuni foarte mici. Particulele sunt apoi tratate cu un material cu caracter obligatoriu, care
va contracta la intarire, astfel încât pentru a aplatiza microcapsules şi produce cele mai bune de
aliniere pentru culori mai luminoase. O cerere a unei clase de cristale lichide chiral nematic, care
sunt sensibile din punct de temperatură mai este crearea de materiale cum ar fi haine, păpuşi,
cerneluri şi vopsele.
Lungime de undă a luminii reflectate poate fi, de asemenea, controlate prin ajustarea compoziţia
chimică, deoarece cholesterics poate consta fie exclusiv din molecule chirali sau de molecule
nematic cu un dopant chirală dispersate pe întreg. În acest caz, concentraţia dopant este folosit
pentru a ajusta chiralitate şi, astfel, pe teren.
Fazele piloane
Piloane cristale lichide sunt diferite de tipurile anterioare, deoarece acestea sunt in forma de
discuri in loc de tije lungi. Acest mesophase se caracterizează prin coloane aşezate de molecule.
Coloanele sunt ambalate împreună pentru a forma un tablou bidimensional cristalină.
Aranjament a moleculelor în cadrul coloanele şi de amenajare a coloanelor se duce la
mesophases noi.
Faza de tranziţie de simulare
Simularea următoare demonstrează comportamentul de fază de materiale de cristal lichid. Aşa
cum sa arătat, temperatura determină faza a materialului.
Modificări în faza de cristale lichide
Vezi macroscopic
Microscopie optica de polarizare este un instrument standard în identificarea fazelor cu cristale
lichide şi tranziţii de fază, dar necesită o experienţă considerabilă, în special în studiul de noi
materiale şi mai puţin familiare.
Filmul următor, cu condiţia de Dr. Mary Neubert, LCI-KSU, prezintă o vedere de o tranziţie de
fază de cristal lichid real. Uita-te ca material, iniţial în stare nematic, schimbă brusc în forma
cristalină solide ca temperatura este scăzută.
X-Rays oferi un mijloc mult mai definitive pentru identificarea de mesophases, dar nu ne alege
pentru a discuta despre aceste metode aici.
Calorimetrie de scanare diferenţială
Calorimetria de scanare diferenţială (DSC) este un instrument util care completează metodelor
optice în studiul tranziţiilor de fază lichid cristal. Utilizarea acestuia în determinarea energiei
termice furnizate sau extrase în timpul unui proces, cum ar fi o tranziţie de fază este discutată în
proprietatile termice ale polimerilor.
În următoarele două cifre, amenajate de către Prof. Charles Rosenblatt (Departamentul de Fizica,
Case Western Reserve University), DSC urme obţinute cu un eşantion mic de 8 OCB (octyloxy
cyanobyphenyl), la o rată de ° C / min sunt afisate la ilustra utilizarea sa cu cristale lichide.
Curba de jos din figura (a) corespunde unui proces de încălzire. Aceasta este urmată de un proces
de răcire, reprezentată în curba superioară.
O diagramă bară fază care ilustrează procesul de încălzire este amplasat chiar deasupra axei de
temperatura (la o presiune atmosferă). Aceasta include un cristal de cristale lichide (smectic A)
de tranziţie la ° C, urmată de o smectic abia detectabil de tranziţie de la A la nematic la ° C
şi, în final trecerea la nematic izotropică (NI), în apropiere de ° C. De sus, curba de răcire,
prezinta o deplasare uşoară a tranziţiei NI, parţial din cauza histerezis supraracirea şi parţial
instrumentale atribuite la rata de scanare de temperatură. Smectic de tranziţie de la A la cristal
este puternic deprimat din cauza supraracirea de smectic o fază. Astfel, diagrama de faza pentru
procesul de răcire nu ar fi identică cu cea pentru încălzire.
Figura (a): complot DSC cu diagrama de fază
Figura (b) este o repetare a acestui termen, începe să termic la o temperatură mai mare de cristal
pentru a smectic O tranziţie, astfel încât o mai mare sensibilitate ar putea fi angajat. Acest lucru
face ca A smectic de tranziţie pentru a nematic mai vizibile şi ilustrează capacitatea de a metodei
DSC este detectarea efecte subtile.
Figura (b): DSC complot
Influenţe externe asupra cristale lichide
Oamenii de ştiinţă şi inginerii sunt capabili de a folosi cristale lichide într-o varietate de aplicatii,
deoarece externe perturbare poate cauza modificări semnificative în proprietăţile macroscopice
ale sistemului de cristale lichide. Ambele câmpuri electrice şi magnetice pot fi utilizate pentru a
induce aceste modificări. Magnitudinea de domenii, precum şi viteza cu care moleculele de
aliniere sunt importante caracteristici ocupă cu industria. În cele din urmă, tratamente speciale de
suprafaţă pot fi utilizate în dispozitive cu cristale lichide pentru a forţa orientările specifice ale
directorului .
Efectele câmpului electric şi magnetic
Răspunsul a moleculelor de cristal lichid pentru a un câmp electric este caracteristică majoră
utilizate în aplicaţii industriale. Capacitatea de a directorului pentru a alinia de-a lungul unui
câmp extern este cauzat de natura electrica a moleculelor. Dipolii Permanent electric rezultat
atunci când un capăt al unei molecule are o taxa de net pozitiv, în timp ce celălalt capăt are o
taxa de net negativ. Atunci când un câmp electric extern este aplicat cu cristale lichide,
moleculele de dipol tind să se orienteze pe direcţia de pe câmp. În următoarea diagramă, Sagetile
negre reprezinta vectorul câmp electric şi săgeţi roşii arată cele vigoare electrice pe molecula.
Chiar dacă o moleculă nu formează o dipol permanent, acesta poate fi încă influenţate de un
câmp electric. În unele cazuri, domeniul produce uşoară re-aranjament a electronilor şi protonilor
în molecule astfel că rezultatele induse de dipol electric. Deşi nu la fel de puternic ca dipoli
permanent, cu orientare în domeniul extern încă apare.
Efectele câmpurilor magnetice asupra moleculelor cu cristale lichide sunt similare la câmpuri
electrice. Deoarece câmpurile magnetice sunt generate de deplasarea sarcinilor electrice, dipolii
permanent magnetice sunt produse de electroni se deplasează despre atomi. Atunci când un câmp
magnetic este aplicat, moleculele vor tinde să se alinieze cu sau împotriva domeniu. (A se vedea
Chandrasekhar, 1992, pentru discuţii ulterioare)
Preparate de suprafaţă
În absenţa unui câmp extern, director al unui cristal lichid este liber să punct în orice direcţie.
Este posibil, totuşi, pentru a forţa directorul de la punctul într-o anumită direcţie prin
introducerea unui agent din afara sistemului. De exemplu, atunci când un strat subtire polimer
(de obicei, o poliimidă) se intinde pe un substrat de sticla si frecat într-o singură direcţie, cu o
cârpă, se observă faptul că moleculele de cristale lichide în contact cu această suprafaţă alinia cu
direcţia de frecare. Mecanismul prezent Acceptăm pentru acest lucru este considerat a fi o
creşterea epitaxială a straturilor de cristale lichide pe lanţurile de polimer parţial aliniat în
straturile superficiale aproape de poliimidă.
Freedericksz de tranziţie
Concurenţa între orientarea către produse de suprafaţă şi ancorarea de efecte de câmp electric
este adesea exploatat în dispozitive cu cristale lichide. Luaţi în considerare în cazul în care
moleculele de cristale lichide sunt aliniate paralel cu suprafaţa şi un câmp electric este aplicat
perpendicular pe celulă ca în diagrama de mai jos. La început, după cum câmpul electric creşte în
mărime, nici o schimbare în aliniere apare. Cu toate acestea, la o magnitudine prag de câmp
electric, deformare apare. Deformare are loc în cazul în care directorul schimbă orientarea de la
o molecula la alta. Apariţia unei astfel de schimbare de la un aliniat la un deformat de stat se
numeşte de tranziţie Freedericksz şi pot fi, de asemenea, produs prin aplicarea unui câmp
magnetic suficient de puternic.
De tranziţie Freedericksz este fundamentală pentru funcţionarea afişează mai multe cristale
lichide, deoarece orientarea regizorul (şi, prin urmare proprietăţile) poate fi controlat cu uşurinţă
prin aplicarea unui câmp. Consultaţi Aplicaţii secţiunea pentru mai multe informaţii despre
cristale lichide folosite în afişează.
Lumina si Polarizarea
Această secţiune va introduce unele dintre conceptele de bază care sunt importante în înţelegerea
comportamentului optic de cristale lichide. Acest lucru nu este deloc o discuţie completă a
subiectului, este destinat numai pentru a fi utilizate în contextul lichide comportament optice cu
cristale. Vă rugăm să consultaţi Jenkins şi alb pentru un tratament detaliate.
Lumina si Polarizarea
Lumina poate fi reprezentat ca o unda electromagnetica transversal alcătuit din reciproc
perpendiculare, câmpuri electrice şi magnetice fluctuante. Partea stângă a Următoarea diagramă
arată câmpul electric în planul XY, câmpul magnetic în planul XZ şi propagarea undei în direcţia
x. Jumătatea din dreapta prezinta o linie de depistarea a vectorului câmp electric ca o propagă. În
mod tradiţional, numai vectorul câmp electric este tratată cu componenta, deoarece câmpul