Tečni kristali predstavljaju stanje agregacija molekula ... · izgrañujući elementi štapićasti-kalimatici ... Ove grupe osciluju i dovode do topljenja supstancije. Tečni kristali

Tečni kristali predstavljaju stanje agregacija molekula koji imaju molekulski red kao u kristalima ali se ponašaju i kao viskozne tečnosti.

Sinonimi: tečni kristali, kristalne tečnosti, anizotropne tečnosti, para kristali, mezofaze ili mezomorfno stanje

Osobine tečnosti: površinski napon i viskoznost

Osobine čvrstog: optička anizotropija-dvojno prelamanjei interferencija polarizovane svetlosti

Širina temepratrskog intervala u kome se javlja:od 0,01 do 1000CJavljaju se pri temperaturana od –20 do 4000C

Istorija tečnih kristala

Prva opažanja

1850 W. Heintz je opazio da se stearin topi u zamagljenutečnost na 52°C, menjajući se na 58°C u mutnu i na62.5°C u bistru tečnost.

1877 Otto Lehmann je dao naziv ovom stanju i izumeomikroskop sa postoljem koje se greje i njime je ispitivao fazne prelaze različitih supstancija pomoćupolarizacionog mikroskopa sa postoljem koje se greje.

do 1888 Istraživači u različitim oblastima hemije, biologije, medicine i fizike opažali su da izvesni biološkimaterijali pokazuju mutno tečno stanje izmeñukristalnog stanja i tečnog stanja. Jedinjenjasintetizovana od holesterola takoñe pokazuju plavuboju kada se hladi njihov izotropni rastop.

(1855-1922)

Tečne kristale ili mezofaze otkrio Rajnicer

Friedrich Reinitzer (1857-1927)

Thanks to Toby Donaldson

Holesterol benzoat

Thanks to Toby Donaldson

Kristal 145.5 °C PT 178.5°C TT

Nova faza materije

1888 Austrijski botaničar Friedrich Reinitzer, koji se interesovao za biološku funkcijuholesterola kod biljaka, posmatrao je ponašanje pri topljenju organskihsupstancija sličnih holesterolu (holesterolbenzoat). Opazio je kao i W. Heintz 38 godina ranije sa stearinom da se suspatncija topi u oblačastu tečnost na145.5°C a postaje bistra na 178.5°C. Ponovio je i ranije opažanje da prihlañenju bistre tečnosti se javlja nagloplava boja na prelaznoj temperaturi a dase pred kristalizaciju javljaplavoljubičasta boja. Diskutujući saLemanom i drugima došao je do zaključka da je identifikovana nova faza materije koja je nazvana tečnomkristalnom fazom.

Polarizacioni mikroskop

Thanks to Toby Donaldson

Izotropna tečnostHolesterični tečni kristalKristal

Rana otkrića

1890 Prvi sintetički tečni krstal, p-azoksianizol, napravili su Gatterman iRitschke.

(1900) D. Vorlaender i saradnici su sintesisali mnoga termotropna smektičkajedinjenja. Vorlaender je publikovao rad o detaljnim pravilima u vezi sahemijskom strukturom ovih jedinjenja. Ta pravila su bazirana naosobinama više od 170 jedinjenja koje je on sintetizovao u svojojlaboratoriji. Prema ovim pravilima koja su kasnije dovela do statističkoteorijskih opisa ponašanja ovih materijala, tečno kristalno stanje je formirano od molekula približno linearnog oblika. Vorlaender je takoñe zapamćen po detekciji polimorfizma kod tečnih kristala, jer je on sintetisao jedinjenje u tečno kristalnom stanju sa nematičnim i dvasmektička oblika.

N

N OMe

MeO

O

1922 George Freidel je izvršio klasifikaciju tečnih kristala baziranu narazličitoj molekulskoj ureñenosti svake supstancije:

• nematični,

• smektični i

• holesterični.

Takoñe je objasnio orijentacioni efekat električnog polja i prisustvodefekata u tečnim kristalima.

Carl Oseen i Zöcher su razvili matematičku osnovu za ispitivanje tečnihkristala i uveli Parametar ureñenosti S za opisivanje srednjeorijentacije tečnih kristala. Carl Oseen and F.C. Frank je razvio teorijukontinuuma izvedenu iz rada Oseen-a o elastičnim osobinama tečnihkristala.

1922-39

Zatišje

1939-45 II svetski rat

1949 Onsager je prikazao svoj rad o faznom prelazu izmeñuizotropnog i nematičnog stanja (Onsager-Teorija).

1945-48 Potopuno zatišje u oblasti ispitivanja tečnih kristala. Mislilo se da je sve poznato o njima i nije se očekivalonikakvo novo otkriće i još gore nisu uvršćeni u udžbenike i literaturu.

Ponovno

oživljavanje

1950-te Rad Brown-a u SAD, Chistiakoff-a u SSSR-u kao i Gray-a iFrank-a u Engleskoj doveli su do oživljavanja interesa zatečne kristale. Frank i kasnije Leslie i Ericksen razvili suteoriju kontinuuma za statičke i dinamičke sisteme.

1958 Alfred Saupe, koji je kasnije radio na Kent univerzitetu, razvio je u dvom diplomskom radu zajedno sa svojimmentoromWilhelm Maier-om molekularnu teoriju tečnihkristala ne uključujući permanantne dipole kao u Max Born‘-ovoj teoriji. Ovaj rad je doveo do Maier-Saupe Teorije, druge dobro poznate teorije tečnih kristala.

1960s Prvo jedinjenje koje je pokazivalo nematičnu fazu nasobnoj temperaturi je bilo čuveno MBBA.

1968 Demonstriran je prvi displej na bazi tenog kristala- liquid crystal display (LCD).

Nuka o tečnim kristalima postaje egzaktna nauka

De Gennes je proširioLandauovu teoriju faznih prelazakod tečnih kristala. Dobio je Nobelovu nagradu 1991 zadoprinos razumevanju tečnihkristala i polimera (soft matter physics-fizika mekih materijala). Landau - de Gennes-ova teorija, koja daje fenomenološkiopis molekularnog reda kodrazličitih tečno kristalnih faza, prelaza izmeñu njih, elastične i hidrodinamičke osobine, dokazane su kao krajnjeuspešne.

Tečni kristali�Temperatura na kojoj se supstancija topi u mutnuviskoznu tečnost se zove prelaznom temperaturom i nanju pritisak utiče zavisno od specifičnih zapremina jedne i druge faze (slično polimorfnim faznim transformacijama). �Temperatura pri kojoj mutna tečnost prelazi u pravu, bistru tečnost (koja je izotropna) je tačka topljenja. Postoje supstancije koje imaju više prelaznih tački.

•Postoje supstancije koje imaju više prelaznih tački:

Čvrst Smektični B Smektični C Smektični A

Nematični Izotropno

• Asimetričan i izdužen oblik molekula

NC OCnH2n+1

Kalamitični tečni kristal

OR

RO

RO

OR

OR

OR

Diskotični tečni kristal

Koji tipovi molekula pokazuju stanje tečnih kristala?

izgrañujući elementi

štapićasti-kalimatici

u obliku diska-diskotici

Primeri diskotičnih tečnih kristala

R

R

RR

R

RO

O

R

R

R

R

R

R

COOH17C8O

CO

O

OC

8 H17

CO

O

OC 8

H17

O O

C12 H

25

C 12H 25

C 12H 25

C12 H

25

H3 C

OO

OO

CH 3

OOCH3

OO

CH

3H 3C

OO

H3COO

N

N

N

NH

HN

N

N

N

R

R

R

R

RR

RRR R R

RR

R

COOR = C7H15 COOR = C7H15

R =C8 H19COOCH2OC12H25R =

213

4 5

6 7

1 hexa-n-alkanoates of benzene; 2 hexa-substituted anthraquinones; 3 tri-substituted benzenes; 4 bipyrene derivates; 5 scyllo-inosithe hexa-acetate; 6 octa-substituted phthalocyanine derivates; 7 hexa-substituted tribenzocyclononene.

CH CHOlefin

C CAcetilen

CH NAzometin

(Šifove baze)

CH N

ONitro grupe

O C

OEster

N N

OAzoksi

N N

Azo

CH3

CH3

�5-Steroid

CO

OHC

O

OH....

....Kiseli dimer

Uobičajene cenetralne grupe u molekulima

Preko ovih grupa se ostvaruju bočne veze izmeñu molekula

Uobičajene krajnje grupe u molekulu

CH3 (CH2)

RO

CRO

O

CR

O

O

F, Cl, Br, I

CN

NO2

R2N

ALKiL- mogu biti granate

ALKILOKSI; takoñeETRI

ALKILKARBOKSI

ALKILKARBONATi

HALOGENi

CIJANO

NITRO

AMINO

R može bitiH

Ove grupe osciluju i dovode dotopljenja supstancije

Tečni kristali

OSOBINE TEČNIH KRISTALA

TEČNI KRISTALI-MEZOFAZEčvrsto tečno

kristali izotropno

MezofazeSa porastom temperature može se videti kako neredtaste.

Termotropni tečni kristali su indukovanitemperaturom.

Liotropni tečni kristali nastaju rastvaranjem u odgovarajućim rastvaračima, najčešće polarnim

Osobine tečnih kristala

• Glavna osobina tečnih kristala je da su krajnje osetljivi na spoljašnje poremećaje kao što su električno polje, magnetno polje i svetlost. Ova njihova osobina se koristi u ureñajima sa tečnim kristalima.

• LC orijentisani paralelno površini a električno polje primenjeno normalnona ćeliju Električno

polje

• Optičke osobine

Dvojno prelamanje ����

Neke oblasti su svetle neke tamne

�ne-niformnodvojno prelamanje

Smektična faza

(a) smektična faza – od grčke reči sapun, σµεγµασµεγµασµεγµασµεγµα

A C

Slojevi su sačuvani ali red izmeñu slojeva je izgubljen

Najsličniji čvrstom stanju i imaju najveću viskoznost

Smektični tečni kristali

Pored orijentacione ureñenostipostoji i izvesno pozicioni red

Polimeri

ProteiniDNA

itd…

Smektici

Thanks to Toby Donaldson

Nematična faza

(b) nematična faza – od grčke reči za nit, νεµοσνεµοσνεµοσνεµοσ

Slojevi ne postoje ali je zadržana paralelna orijentacija izmeñu molekula. Ako ih posmatramo u tom pravcu izgledaju kao tečnost.

Električno i magnetno polje utiče na nematike

Nematična faza, N

Thanks to Toby Donaldson

haotičnorasporeñeniali orijentisani

indeks prelamanjavarira zavisno odorijentacije

Primena nematičnih tečnih kristala

• Električno polje utiče na nematične tečne kristale kojipostaju zamagljeni, poluprovidni ili menjaju boju. Pritome s obzirom da oni reflektuju upadnu svetlost, a ne stvaraju je, troše malo energije zbog čega je njihovokorišćenje veoma ekonomično.

• Primena malih napona (3−5 V) dovodi do promenepravca duže ose čime se menja indeks prelamanjaodnosno boja. Primena većih napona (5−20 V) dovodido razaranja ureñene strukture tečnog kristala dovodećido stvaranja mikroskopskih vrtloga koji intenzivnorasejavaju upadnu svetlost usled čega nematik gubitransparentnost i postaje mlečno beo.

• indikatori brojeva i slova• optičke reze i modulatori

Tečno kristalni Displeji

• Niz tankih segmenata poznatih kao PIXEL-iOsnovna strukturna jedinica se sastoji od dvestaklene pločice sa tečnim kristalomizmeñu njih

Prednosti• Troše manje snage odkatodnih cevi• Mogu koristitisvetlost sredine(semkod kompjuterskihmonitora)

Nedostaci• Ugao posmatranja• Kontrast• Vreme odgovora

Osnovna jedinica

• Tečni kristali su izmeñu dve staklene pločice.

– Kristalni sloj je debljine nekoliko mikrona.

Polarizator

Sloj tečnog kristala

Stakleni sloj

Provodnik (Sn ili In2O)

• Providan električni provodnikse nanosi na unutrašnju

stranu stakla.

• Ukršteno orijentisanipolarizatori su postavljeni preko spoljne strane svake staklene pločice

•Pravac polarizacije

Ravni Panel Displeji-monitori-koriste nematične tečne kristale

• Kako rade?– Kada je napon isključen:

• Tečni kristal je u relaksiranom stanju i molekuli su usmereni (tj. orijentisani paralelno jedni drugima).

• Polarizovana svetlost koja prolazi kroz prvi polarizator je nepromenjena usmerenim kristalima i blokirana je drugim(ukrštenim) polarizatorom.

Nema propuštene

svetlosti

Ravni Panel Displeji-monitori

• Kako rade?– Kada je napon uključen:

• provodnici prenose električno polje koje izaziva uvijanje kristala

• kada su kristali prisiljeni da se uvijaju isto je i sa pravcem polarizovane svetlosti

• nešto ili sva polarizovana svetlost prolazi kroz drugi polarizator.

Svetlost propuštena

Ravni Panel Displeji-monitori

• Kako rade?– Veličina napona kontroliše orijentaciju kristala tj.

koliko će se oni uvijati:• Maksimalna količina svetlosti je propuštena kada su prvi i

poslednji tečni kristal normalni jedan na drugi.

• Minimalna količina svetlsoti je propuštena kada su prvi i poslednji kristal paralelni jedan sa drugim.

• Srednja količina svetlosti je propuštena kada su prvi i poslednji kristal orijentisani pod nekim drugim uglom.

Ravni Panel Displeji-monitori

Holesterični tečni kristali

.

xqn

xqn

n

z

y

x

0

0

sin

cos

0

=

=

=

Grade ih derivati holesterola. Slojevita struktura, aliparalelno orijentisani molekuli u sledećem sloju zarotirani za mali ugao. Spiralna struktura sakorakom spirale koji odgovara talasnoj dužinividljive svetlosti. Korak spirale a time i elektronska strultura i boja se menjaju sa:• temperaturom, • hemijskim dejstvom • mehaničkim dejstvom.

• Promena boje prouzrokovana temperaturskim efektimakoristi se za registrovanje prostorne temperaturskeraspodele ne samo u direktnom kontaktu već i na daljinu(lasersko IC zračenje i temp. profili delova tela ili organa).

• Promena boje može biti izazvana i hemijskim efektimaraznih toksičnih gasova i para, bilo njihovim reverzibilnimapsorbovanjem bilo ireverzibilnom reakcijom sa tečnimkristalom. Promena boje je brza i javlja se pri vrlo niskimkoncentracijala (ppm) toksičnog agensa.

• Mehanička dejstva (smicanja, pritiska ili savijanja) mogutakoñe da dovedu do promene u strukturi, a time i bojitečnog kristala. Tečni holesterični kristali se stoga koristeza ispitivanje mehaničke otpornosti različitih konstrukcijai otkrivanje nepouzdanih delova ili mesta u njima.

Holesterični tečni kristali

OSOBINE STAKLAStaklasto stanje kao prelazno, karakteriše se osobinama i tečnog i čvrstog stanja. Osobine čvrstog: čvrstoća, krutost, otpornost na silesmicanja kao kristaliOsobine tečnog: optička propustljivost, izotropnostOsobine stakla: pri zagrevanju nemaju oštru tačku topljenja već omekšavaju, imaju mali termički koeficijent širenja, veliku viskoznost i pri stajanju iskristavljuju (vitrifikacija).

Sinonim: amorfna čvrsta stanja i prehlañene tečnosti

Zauzimaju oblik

suda u kome se

nalaze zavisno od

svoje zapremine

Zadržavaju oblik i

vraćaju se u

originalni oblik posle

prestanka dejstva

poremećaja

Zadržavaju oblik i vraćaju se

u originalni oblik posle

prestanka dejstva

poremećaja

Ograničena

pokretljivost

čestica

Veoma mala

pokretljivost

čestica

Veoma mala pokretljivost

čestica

Ne trpe sile

smicanja

Lome se po krivoj

površiniLome se po ravnoj površini

Ureñenost

kratkog dometa

Ureñenost kratkog

dometaUreñenost dugog dometa

tečnostakloČvrsto

Stakla imaju zajedničke osobine sa čvrstim i tečnim stanjem.

Stakla

• Stakla: prehlañene tečnosti…

• Nema stvarnog saznanja koje su vrste interakcija koje omogućavaju grañenje stakla

• Očigledno je da brzo hlañenje može da dovede do stvaranja stakla

Amorfno čvrsto

Mnoga čvrsta stanja nemaju kristalnu strukturutj. nemaju ureñenost dugog dometa.Takva stanja su amorfna čvrsta stanja. Staklase mogu smatrati takvim stanjem.

Kristalni SiO2 Amorfni SiO2-staklo

Molekulska ureñenostu kristalu

Molekulska ureñenost u staklu

• Kvarc je kristalni

SiO2:

Si4+

Na+

O2-

• Osnovna jedinica:

Si04 tetrahedron4-

Si4+

O2-

• Staklo je amorfno

• Amorfna strukturase javlja pri dodavanju nečistoća(Na+,Mg2+,Ca2+, Al3+)

• Nečistoće:interferuju formirajući više ili

manje kristalnu strukturu.

(Na staklo)

STRUKTURA STAKLA

Otvorena prostorna strukturanastaje kada su koordinacionipoliedri (koji se ponavljajunepravilno u prostoru gradećinekristalnu prostornu rešetku) mali, ali je naelektrisanjekatjona u poliedru veliko, takoda katjonsko odbijanje dovodido grañenja otvorene strukture.

Stakla• Termin koji se obično koristi za keramike• Grade ih neorganska jedinjenja kao što su SiO2, B2O3,

GeO2, As2O3, As2O5, P2O5, BeF2, GeS2, As2S3 , ali i organske supstancije kao što su glukoza i glicerin.

• Da bi supstancija mogla da se javi u staklastom stanjupotrebno je da može da gradi prostornu nekristalnustrukturu koja se odlikuje znatnom rastresitošću, odnosno otvorenošću. Uslov za to su mali koordinacioni poliedri sa velikim nealektrisanjem katjona u njima

• Svaki materijal koji očvršćava i postaje krut bez formiranja pravilne kristalne strukture

• Nema ureñenosti dugog dometa, mada su silikatni tetraedri i dalje meñusobno povezani

Stvaraoci stakla

• Oksidi Si, B, P, Ge, As i Be koji pomažu u stvaranjutrodimenzione rešetke i time lako prelaze u staklastostanje su stvaraoci stakla

•Oksidi Na, K, Ca, Ba sa koordinacionim brojem većim ili jednakim 6 su modifikatori stakla

•Intermedijeri su oksidi Al, Mg, Zn, Pb, Ber, Nb, Ta sa koordinacionim brojevima izmeñu 4 i 6 mogu biti i stvaraoci stakla ali i modifikatori

Modifikatori

• Silikatno staklo – čist SiO2

– Topi se na vrlo visokoj temperaturi

– Vrlo lomljivo

– Visoka viskoznost

• Teško za proizvodnju

• Modifikatori se dodaju staklu da se mreža otvori i poboljšaju osobine

Modifikatori• Struktura SiO2 stakla može narušiti dodavanjem alkalnih

oksida kao što su Na2O ili K2O. Kiseonični atomi ovihoksida prekidaju mrežu ugrañujući se na mestima gde sudva tetraedra spojena, razdvajajući ih. Svaki tetraedarima po jedan rogalj slobodan, a alkalni metal se ugrañuje

• intersticijalno u strukturu, dovodeći do gušćegpakovanja. Ova se mogućnost koristi u tehničke svrheda bi se Si-O struktura delimično narušila tako da se snizi viskozitet kao i tačka topljenja, kako bi se staklomoglo proizvoditi na nižoj temperaturi.

• Ali, ako se doda suviše alkalnog oksida, tako da se odnos O : Si dovede do 2,5 ili3,0, staklasta struktura može biti tolikonarušena da doñe do rastakljivanja.

Si4+

Na+

O2

• Specifična zapremina (1/ρ) vs Temperatura (T):

staklo(amorno čvrsto)

T

Specific volume

Tečnost(neureñenost)Prehlañena

tečnost

kristal(tj. ureñeno) čvrsto

TmTg

• Stakla: --ne kristališu

--specifična zapremina postepenovarira sa T

--Temperatura prelaza u staklasto

stanje, Tg

• Kristalni materijali: --kristališu na tački mržnjenja, Tm--imaju naglu promenu specifične

zapremine na Tm

OSOBINE STAKLA

Specifična zapremina

Temperatura prelaza stakla je temperatura na kojoj semenja nagib zavisnosti specifične zapremine od temperature.

Temperatura topljenja za kristale je temperatura na kojoj se javlja naglo, diskontinualno smanjenje specifične zapremine u funkciji temperature.

Temperatura

η, KC,KB

ηKBmax

KCmax

KC-broj kristalizacionihcentaraKB-brzina kristalizacije

Presek kompjuterskesimulacijestrukture15K2O·75SiO2(K15) stakloK je ljubičast, kiseonikcrven, SiO4

4-

tetraedar je siv

Sastav komercijalnog stakla

Obrada stakla presovanjem

Smekšana

masa

Modelovanje izduvavanjemSmekšano

staklo

Proces izvlačenja stakla