Курсовая работа: Рідкі кристали

Перелік посилань

ВСТУП

В наш час, час науково-технічної революції, дослідження науки так стрімко упроваджуються в матеріальне виробництво та життя, що іноді складаються парадоксальні ситуації. А саме яке-небудь фізичне явище, що послужило основою нового виду виробництва, інтенсивно впроваджуються в техніку та побут, однак знання про це явище та його відомість в широких колах явно недостатньо.

Подібна ситуація складається з рідкими кристалами та знаннями про них. Зараз пристрої, що засновані на основі рідких кристалів, стрімко впроваджуються в техніку відображення інформації. Почалось масове впровадження пристроїв, що містять рідкі кристали, в побут. Перспективи масового впровадження рідких кристалів в наше життя ще більш багатообразні та масштабні: від термометрів до телевізорів. Процес впровадження наукових досліджень в практику та масове виробництво йде тут настільки швидко, що відповідні досягнення та відомості не знайшли поки що належного відображення навіть в програмах вузів. Тим часом рідкі кристали, або рідкокристалічний стан речовини, з фізичної точки зору є самостійний фазовий стан, не менш важливий і цікавий, ніж усім добре відомий стан речовини: твердий, рідкий та газоподібний. В деяких відносинах, в пізнавальному аспекті, воно є навіть цікавішим.

Наука та її досягнення активно впливають на наше життя, тому, як правило, підвищений науковий інтерес до того чи іншого об'єкту чи явища означає, що цей об'єкт чи явище представляє великий практичний інтерес. В цьому відношенні не є виключенням й рідкі кристали. Цікавість до них перш за все обумовлена можливостями їх ефективного застосування в ряді галузей виробничої діяльності. Впровадження рідких кристалів означає економічну ефективність, простоту, зручність. В даній роботі розглянемо структуру рідких кристалів, їх властивості та застосування їх в нашому житті.

1. ВІДКРИТТЯ РІДКИХ КРИСТАЛІВ

У 1888 році ботанік Рейнитцер опублікував свої спостереження про поведінку при зміні температури синтезованого ним холестерілбензоата. Кристали цієї речовини плавились при температурі 145,5^о С, переходячи в мутну рідину. Ця рідина при подальшому нагріванні становилась прозорою при 178,5^о С та с подальшим підвищенням температури залишалась незмінною. В процесі охолодження в рідині з’являлось блакитне офарблення при 178,5^о С, яке швидко зникало, й рідина мутніла. Коли температура досягала 145,5^о С, знову з’являлось таке фарбування, після чого наступала кристалізація.

Зразки Рейнитцера досліджував фізик Леманн у поляризованому мікроскопі та встановив, що рідина яку досліджували в мутному стані проявляє оптичну анізотропію. Дослідженні ним п-азоксифенетол, п-азоксианизол, олсат амонію, етиловий ефір п-азоксибензойної кислоти в певних температурних інтервалах мали, з одного боку, властивості рідини, а з другого, в зв’язку з оптичною анізотропією, що переконало його в тому, що цей новий, до цього часу невідомий стан речовини, який він назвав рідкокристалічним. Спочатку Леманн помилково вважав, що речовини в такому стані мають дуже рухому об’ємну кристалічну решітку. Одні експериментатори, які вивчали ці речовини, вважали, що мають справу з емульсіями, які сильно розсіювали світло, інші – що в речовинах утворюються мікрокристали, що оточенні плівкою рідини, або, навпаки, краплі рідини, оточенні мікрокристалічною оболонкою.

Сутність знов відкритого стану речовини могли пояснити тільки додаткові експериментальні факти. Результати подальших робіт Леманна та Шенка дозволили встановити, що мова йде про новий, до цього часу невідомий термодинамічний стан речовини, який відрізняється від звичайних рідин не тільки оптичними, але й іншими фізичними властивостями, наприклад електричними та магнітними. Форлендер незабаром синтезував багато з рідкокристалічних речовин і встановив, що це, в основному, органічні молекули витягнутої форми. [1]

2. МЕТОДИ ВИВЧЕННЯ СТРУКТУРИ РІДКИХ КРИСТАЛІВ

2.1 Метод ІЧ спектроскопії

Для вивчення рідких кристалів застосовуються стандартні спектроскопічні методи.

В період інтенсивного дослідження мезоморфного стану різних речовин виконаний ряд робіт методами ІЧ спектроскопії. Найважливіші з них – роботи Раулінса й Тейлора, Ташека й Вільямса, Майєра й Заупе, Майєра й Енглерта. Дослідження проводились в широкому спектральному діапазоні – від 650 до 10000 см^-1 . При виконані більшості вказаних робіт речовини, що вивчаються підверглись дії електричного й магнітного полів. Було використано також поляризоване ІЧ випромінювання.

Встановлено, що інфрачервоні спектри нематичних і холестеричних рідин мало відрізняються від спектрів ізотропних рідин, отже, суттєвих змін в міжмолекулярній взаємодії ближнього порядку при переході речовини з ізотропного стану в мезоморфне не спостерігається. Для смектичних рідин, навпаки, відмічені зрушення піків, що вказує на зміни в цьому випадку міжмолекулярних сил ближнього порядку.

Майєр і Енглерт, проводячи дослідження в поляризованому інфрачервоному світі, підтвердили наявність суттєвих змін в спектрах поглинання. Ці зміни залежать від орієнтації плоскості поляризації світла, що падає на рідкий кристал по відношенню к орієнтації молекул в нематиках, що вивчають.

Форлендер намагався знайти відмінність між спектрами ізотропної рідини й рідких кристалів, застосовуючи для цього кварцовий спектроскоп, однак для досліджених зразків цієї відмінності не було виявлено.

2.2 Метод рентгеноструктурного аналізу

Аналіз рідких кристалів, проведений Линденом і Хюккелем одразу ж після відкриття явлення дифракції рентгенівських променів, не дав задовільних результатів. Не спостерігалась різниця між дифракційною картиною рідкого кристала й відповідної рентгенограмою ізотропної рідини. Замість чітких і вузьких дифракційних кілець, що звичайно отримують на рентгенограмах кристалічних порошків, були отримані широкі розмиті кільця. Декілька пізніше Кац і Каст також не виявили суттєвої відміни в дифракційних картинах ізотропної рідини і рідких кристалів. Каст повідомив тоді, що розподіл інтенсивності на знімку в залежності від кута дифракції для нематичної фази декілька зрушено по зрівнянню з аналогічним розподілом для тієї ж речовини в кристалічному стані.

Суттєва відміна в рентгенограмах рідких кристалів і звичайних рідин отримана Кастом і Стюартом при дослідженні зразків в електричному й магнітному полях. Дифракційні кільця на знімках рідких кристалів були розділені на серпи, а на знімках звичайних рідин залишались незмінними. Цей факт автори пояснювали результатом орієнтації довгих осей молекул рідкокристалічних речовин в напрямку до зовнішнього поля. Незначна різниця в знімках рідких кристалів і ізотропній рідини спостерігали також Гламанн і інші, а Стюарт спостерігав невелике збільшення інтенсивності затемнення в головному максимумі на дифракційній картині нематичної рідини по зрівнянню з ізотропною рідиною.

Герман, досліджуючи рідкі кристали на приборах, що дозволяють виконувати оптичні спостереження й одночасно отримувати рентгенівські знімки при певних стабілізованих температурах, отримав на рентгенограмах нематичних рідких кристалів розмиті кільця, що нічим не відрізняються від кілець на знімках ізотропної рідини. Навпаки, на знімках смектичних рідких кристалів він отримав два типи дифракційних картин: одну – з розмитими зовнішніми й вузькими внутрішніми кільцями, а другу – з чіткими зовнішніми кільцями й менш чіткими внутрішніми. Перший тип дифракційної картини був їм отриманий при більш високій температурі. Така температурна залежність дифракційної картини вказує на залежність ступені порядку молекул от температури речовини.

Фрідель і де Бройль досліджували смектичні рідкі кристали. Вони підтвердили припущення, зроблене з оптичних спостерігань, що речовини в смектичному стані мають шарувату структуру. По Фріделю, товщина цих шарів порядку 199нм. Для кристалічного стану товщина шарів в цих речовинах складає величину порядку 162нм. Причину цієї відмінності Фрідель пояснив тим, що в твердому стані осі молекул нахилені до плоскості шарів, а в мезоморфному – осі орієнтовані перпендикулярно до плоскості шарів.

Берна і Кроуфорд вивчали цим методом кристалічні речовини, що дають при нагріванні мезофазу. Були дослідженні наступні нематогени: п-азоксианізол, п-азоксіфенетол, 1,5-ді- (п-метоксібензилиден) аміно-нафталін. Установлено, що молекули в кристалах орієнтовані не в шарі, а збудовані паралельно своїм осям і їх центри зміщені відносно один одного так, що утворюють лускату структуру. Вочевидь, що ступінь порядку молекул в мезоморфному стані нижче, ніж в твердому кристалі.

Для вивчення атомної структури речовини методом рентгеноструктурного аналізу отримують дифракційну картину рентгенівського випромінювання, розсіяного речовиною, що вивчається. Ця картина представляє собою дифузні кільця. Положення й інтенсивність кілець дозволяють визначити будову речовини, що розсіює рентгенівське випромінювання. Для виконання рентгенівських знімків рідкі кристали застосовують спеціальні термокамери.

Рисунок 2.2.1 – Температурна рентгенівська камера для дослідження рідких кристалів

Камера 1 має подвійний шар теплоізоляції: із текстоліту та азбесту. В кришку 2 камери вмонтовані два термометра: ртутний 7 та контрольний, на рисунку не показаний. Всередині камери в спеціальному невеликому сосуді 3 знаходиться зразок, який досліджують, на який падає пучок рентгенівського випромінювання через коліматор 6. Сосуд зі зразком зроблений з латуні та бакеліту. Разом із зразком він обертається на 30^о відносно вертикальної плоскості. В нижній частині сосуду розташовано пристосування 4 для нагрівання зразку. Вся камера, що представляє свого роду термостат, нагрівається блоком 5. Точність нагрівання зразку складає 0,2^о С. Фазові переходи зразку можна спостерігати в скляному віконці 8, через яке проходить також дифрагіруване на зразку рентгенівське випромінювання. Товщина зразку складає, як правило, 0,5мм. [2]

3. ВЛАСТИВОСТІ РІДКИХ КРИСТАЛІВ

Загальна для всіх типів рідких кристалів властивість – подвійне заломлення світла, характерне для більшості твердих кристалів, за допомогою якої можна ідентифікувати мезоморфний стан.

Другою властивістю, характерною для холестеричних рідких кристалів, є обертання плоскості поляризації. Якщо пропускати лінійно-поляризоване світло через шар холестеричної мезофази перпендикулярно молекулярним шарам, то напрямок колихань електричного вектора світової хвилі буде повернуто вліво або вправо. Плоскість колихань світла також повертається вліво або вправо. Кут оберту пропорційний товщині шару речовини. Кут обертання плоскості поляризації для цих речовин порядку кількох десятків градусів на 1мм шляху світлового сигналу, в той час як холестерині рідкі кристали, які мають сильну оптичну активність, обертають плоскість поляризації світла навіть до 18000^о на 1мм шляху.

Освітленні пучком поляризованого білого світла, холестеричні рідкі кристали мають райдужне офарблення, яке залежить від природи речовини, температури та кута падіння світла. Досягнувши поверхні рідкого кристала, світ диспергує на дві складові з круговою поляризацією в напрямках, зворотних повороту електричних векторів. Одна з складових проникає в глибину кристала, в той час як інша відображається від його поверхні, що викликає появлення характерного офарблення рідкокристалічного зразка.

Наявність в рідких кристалах дальнього порядку в орієнтації молекул викликає анізотропію електричних і магнітних властивостей, притаманну твердим кристалам. Однак, у відмінності від твердих тіл, сили міжмолекулярної взаємодії тут значно слабкіші. Енергія деформації рідких кристалів мала, тому їх молекулярну структуру легко змінити під дією електричного та магнітного полів невеликої потужності. Для зміни структури достатні також незначні температурні колихання або механічний вплив на рідкі кристали. Структурним змінам рідких кристалів супроводжує зміна їх оптичних властивостей, так як вторинними ефектами зміни орієнтації молекул є зміни ступеня пропускання та відображення світла, кругового дихроїзму, оптичної активності та офарблення. Звідси випливає, що ці властивості легко управляються, особливо в випадку холестеричних рідких кристалів. Зміна офарблення холестеричних рідких кристалів проходить під дією мінімальних температурних колихань.

3.1 Термічні властивості

Рідкокристалічну фазу можна отримати двома шляхами: плавленням відповідної кристалічної речовини – тоді річ іде про термотропні рідкі кристали, або розчиненням речовини, здатної давати ліотропні рідкі кристали.

Нагрівання речовини, що знаходиться при нормальних умовах в кристалічному стані, до мезоморфного приводять до ряду фазових переходів при температурах Т₀ , Т₁ , Т₂ , ..., Т_пр , де Т₀ – температура плавлення кристалів з утворенням мезоморфної фази, а Т_пр – температура просвітління або зникнення рідкокристалічної фази та переходу її в ізотропну рідину. Температури Т₁ , Т₂ ... – точки можливих полімезоморфних перетворень всередині рідкокристалічної фази.

Температури фазових переходів для однієї й той же речовини розрізняються в залежності від напрямку температурних змін, тобто для нагрівання та охолодження (рис. 3.1.2). В зв’язку з легкістю переохолодження мезоморфної фази особливо помітна різниця в температурі Т₀ при нагріванні та охолодженні. Послідовність перетворень, яку перетерплює речовина при нагріванні та охолодженні, також не завжди співпадає. Фазові перетворення в речовинах, що утворюють мезоморфний стан тільки при охолодженні, називаються монотропними, в відмінності від енантіотропних перетворень, що спостерігаються як при нагріванні, так і при охолодженні речовини. Ряд поліморфних перетворень всередині мезофази може мати також монотропний характер.