Курсовая работа: Рідкі кристали

Дуже часто на практиці необхідно розширити температурний діапазон мезофази або збільшити різницю Т_пр – Т₀ між температурою просвітління або плавлення рідкого кристала. З цією цілю різні рідкі кристали перемішують в таких пропорціях, щоб утворилась евтектична суміш. Температура плавлення Т₀ такої суміші має різко виражений мінімум, який нижче температури плавлення кожного з компонентів. Величина температури просвітління буде проміжною між температурами просвітління кожного з компонентів суміші (рис. 3.1.3).

Рисунок 3.1.3 – Фазова діаграма для двох речовин, що дають подібні мезоморфні фази

Якщо суміш утворена речовинами, молекули яких мають однакову будову та якщо ці речовини утворюють ідеальні розчини, то склад евтектичної суміші можна дуже точно обчислити за допомогою рівняння Шредера-Ван Лаара. Для суміші, що складається з ι компонентів, температури плавлення яких Т₀₁ , ..., Т_0ι , а температури просвітління відповідно Т_пр1 , ..., Т_прι , якщо зміни мольної ентальпії при плавленні цих речовин складають ΔН₁ , ΔН₂ , ..., ΔН_ι , то рівняння Шредера-Ван Лаара для цих компонентів будуть мати вид

lnx_ι = ΔH₁ /R(1/T₀ – 1/T₀₁ ),

lnx_ι = ΔH_ι /R(1/T₀ – 1/T_0ι ) (3.1.1)

Тут Т₀ – температура плавлення суміші; R – газова постійна; х₁ , …, х_ι – мольна доля окремих компонентів суміші.

Температури просвітління такої рідкокристалічної суміші Т_пр можна обчислити з простої лінійної залежності

Т_пр = Σх_ι Т_прι , (3.1.2)

де Т_пр1 ...Т_прι – температури просвітління окремих компонентів суміші.

Рівняння Шредера-Ван Лаара не можна застосовувати в тому випадку, коли один з компонентів суміші має будову, що значно відрізняється від будови інших компонентів, або ж якщо він не утворює мезофазу. Але навіть якщо компоненти суміші схожі, температури Т₀ та Т_пр , що обчисленні теоретично, треба перевірити експериментально.

3.2 Електричні та магнітні властивості рідких кристалів

Явлення, що викликанні дією на рідкі кристали електричного поля, різноманітні й до сих пір немає однозначної їх орієнтації.

Електричні властивості рідких кристалів вивчаються найчастіше в тонких шарах, і, мабуть, експериментальні результати слід віднести до всієї системи, що складається з рідкокристалічного шару та електродів, які одночасно є й поверхнями, що несуть. Перш за все слід враховувати вплив цих поверхонь, що орієнтується, інжекцію електродами носіїв зарядів, а також адсорбцію іонів на електродах, що є причиною гістерезису для багатьох електричних явищ і утрудняє розподіл поля в зразку внаслідок утворення електричного подвійного шару.

Електричні явища в рідких кристалах мають найчастіше нелінійний характер, пов’язаний з термічною та електричною передісторією зразку.

Простішим типом прибору для електричних досліджень рідких кристалів є вічка типа «сендвіч». Дві плоскі скляні пластини (рис. 3.2.4) з нанесеним на них прозорим провідним шаром SnO₂ або InO₂ розділяються прокладками з слюди, тефлону або іншого діелектричного матеріалу. Зазор між пластинами вагається від 5 до 200мкм.

Рисунок 3.2.4 – Вічка типу «сендвіч». 1 – рідкий кристал, 2 – скляна пластина, 3 – провідний шар, 4 – прокладка, 5 – висновки

3.3 Оптичні та електрооптичні властивості рідких кристалів

Спонтанна орієнтація молекул в рідких кристалах наводить до того, що ці речовини проявляють оптичні двопроменезаломлювання, властиве деяким твердим кристалам. Світло, що проходить через однорідно-упорядковані шари рідких кристалів, розпадається на два проміння: незвичайний, напрямок поляризації якого співпадає з напрямком оптичної осі рідкого кристала, й, звичайний, з напрямком поляризації, перпендикулярним цій осі. Кристал вважається оптично позитивним, якщо n_e -n₀ >0, й оптично негативним, якщо n_e -n₀ <0; n_e та n₀ – коефіцієнти переломлення незвичайного й звичайного промінів.

Нематичні та смектичні рідкі кристали оптично позитивні й напрямок довгих осей молекул співпадає з напрямком оптичної осі. Холестерині рідкі кристали, в яких довгі осі молекул перпендикулярні осі холестеричної спіралі, яка, в свою чергу, паралельна оптичній осі зразка, - оптично негативні. Ця особливість часто служить критерієм відмінності холестеричних рідких кристалів від смектичних.

Знак двопроменезаломлювання та напрямок оптичної осі в рідкокристалічному зразку, як і в твердому кристалі, можна визначити при спостеріганні в мікроскопі в світлі, що сходиться.

Орієнтовані шари рідкокристалічних холестериків, нематиків і смектиків А оптично одноосні, тобто для рідких кристалів характерний тільки один напрямок, в якому світло проходить з однаковою швидкістю незалежно від стану поляризації. В смектиках С є два таких напрямки, вони двохосні. Двохосний стан можна отримати деформацією холестеричних і нематичних рідких кристалів.

Двопроменезаломлювання нематиків монотонно убуває з ростом температури й різко падає до нуля в точці фазового переходу в ізотропну рідину. Коефіцієнт заломлення для незвичайного проміння n_e різко зменшується з ростом температури, а коефіцієнт заломлення звичайного проміння n₀ повільно росте. Показано, що термічна залежність двопроменезаломлювання нема тиків визначається дисперсійними силами й силами відштовхування.

Надзвичайними оптичними властивостями володіють системи типу «закручений нематик». Таку систему можна отримати наступним чином: рідкий кристал поміщають між двома скляними пластинками, поверхні яких оброблені таким чином, щоб шар нематика орієнтувався пленарно, й пластини закручують відносно один одного на 90^о . В результаті повороту пластин оптична ось нематика деформується (рис. 3.3.5). Шар закрученого нематика в паралельних поляроїдах дає темне поле зору, оскільки напрямок поляризації світла, що проходить через шар кристала, повертається на π/2. Більш ретельний експеримент Гука й Таррі показав, що світло, яке проходить через шар закрученого нематика, поляризований по еліпсу – поле зору затемнене не повністю.

Рисунок 3.3.5 – Спосіб отримання закрученого нематика

Смектичні рідкі кристали типу А, молекули в яких збудовані перпендикулярно смектичним плоскостям, оптично одноосні. Кристали смектичні типу С, для яких характерна орієнтація молекул нахилена до плоскості шарів, оптично двохосні.

Найбільш цікаві оптичні властивості мають холестерині рідкі кристали. Холестерини, в відмінності від нематиків й смектиків, оптично негативні. Вони одноосні. Їх надзвичайними оптичними властивостями, що характерні для твердих кристалів в діапазоні рентгенівського випромінювання, є дуже сильна здібність обертати плоскість поляризації, круговий дихроїзм і селективне відображення світла. Ці виключні оптичні властивості рідких кристалів холестеричного типа – слідство їх спіральної структури й того, що довжина шага холестеричної спіралі порівняна з довжиною хвилі видимого світла. [3]

4. ТЕРМОТРОПНІ РІДКІ КРИСТАЛИ

Класифікація рідких кристалів запропонована Леманном потім розширена Фріделем. За цією класифікацією виділяють три типи або групи рідких кристалів: смектичні, нематичні й холестеричні. Рідкі кристали, що входять в кожну з цих груп, розрізняються фізичними, й, перш за все, оптичними властивостями. Ці відміни слідують з їх структурної різниці.

Смектичний мезоморфний стан вперше спостерігали в милах (“смегма” – з греч. мило). В таких кристалах витягнуті молекули в формі сигар або веретен розташовані паралельно своїми довгими осями й утворюють шари однакової товщини, близької довжині молекул. Ці, так названі смектичні шари лежать один над іншим на однаковій відстані (рис. 4.6). Молекулярні шари в типових смектичних рідких кристалах рухомі, легко переміщується паралельно друг другу. Температура фазового переходу в мезоморфний стан досить висока. Вона повинна бути такою, щоб розрушити зв’язок між рядами, але не порушить зв’язок між молекулами, які розташовані на близькій відстані. Якщо зв’язок між молекулами в окремому шарі частково порушен, то речовина в межі шару поводить себе як двомірна рідина. По мірі зниження температури упорядкування в шарах збільшується, а при достатньо низьких температурах спостерігається упорядкування не тільки молекул в шарах, але й самих шарів і відповідно їх взаємне прилягання. При подальшому зниженні температури з’являється кристалічна структура, тобто може утворюватись твердий кристал з найпростішою молекулярною структурою.