Folyékony kristály - Liquid crystal

A folyadékkristályos nematikus fázis Schlieren textúrája

A folyékony kristályok olyan halmazállapotok, amelyek tulajdonságai a hagyományos folyadékok és a szilárd kristályok tulajdonságai között vannak . Például a folyadékkristály folyhat, mint a folyadék, de molekulái kristályszerûen orientálódhatnak. Sok különböző típusú folyadékkristályos fázis létezik , amelyek különböző optikai tulajdonságaik (például textúrák ) alapján megkülönböztethetők . A textúrák kontrasztos területei azoknak a területeknek felelnek meg, ahol a folyadékkristályos molekulák különböző irányokba orientálódnak. Egy tartományon belül azonban a molekulák jól rendezettek. Az LC-anyagok nem mindig lehetnek folyadékkristályos halmazállapotúak (ahogy a víz jéggé vagy vízgőzzé is válhat).

A folyékony kristályok termotróp , lyotróp és metallotróp fázisokra oszthatók . A termotróp és liotróp folyadékkristályok többnyire szerves molekulákból állnak , bár néhány ásvány is ismert. A termotróp LC-k fázisátmenetet mutatnak a folyadékkristályos fázisba, amikor a hőmérséklet változik. A lyotróp LC-k fázisátmeneteket mutatnak mind a hőmérséklet, mind a folyadékkristályos molekulák koncentrációja függvényében oldószerben (jellemzően vízben). A metallotróp LC -k szerves és szervetlen molekulákból állnak; folyadékkristályos átmenetük nemcsak a hőmérséklettől és a koncentrációtól függ, hanem a szervetlen-szerves összetétel arányától is.

A folyékony kristályokra példák megtalálhatók mind a természeti világban, mind a technológiai alkalmazásokban. A széles körben elterjedt folyadékkristályos kijelzők folyadékkristályokat használnak. A liotróp folyadékkristályos fázisok bőségesek az élő rendszerekben, de megtalálhatók az ásványi világban is. Például sok fehérje és sejtmembrán folyadékkristály. A folyadékkristályokra más jól ismert példák a szappan és a különböző tisztítószerek oldatai , valamint a dohánymozaik-vírus és néhány agyag .

Történelem

1888-ban, osztrák botanikai fiziológus Friedrich Reinitzer , dolgozik a Karl-Ferdinands-Universität , megvizsgálta a fiziko-kémiai tulajdonságai különböző származékok a koleszterin amely most osztályába tartoznak az anyagok ismert koleszterikus folyadékkristályok. Korábban más kutatók különböző színhatásokat figyeltek meg, amikor a koleszterinszármazékokat közvetlenül a fagypont fölé hűtötték , de nem társították azt új jelenséghez. Reinitzer úgy vélte, hogy a koleszteril -benzoát származék színváltozása nem a legkülönösebb tulajdonság.

A koleszteril -benzoát molekula kémiai szerkezete

Megállapította, hogy a koleszteril -benzoát nem olvad ugyanúgy, mint más vegyületek, de két olvadáspontja van . 145,5 ° C -on (293,9 ° F) felhős folyadékká olvad, 178,5 ° C -on (353,3 ° F) ismét olvad, és a zavaros folyadék átlátszóvá válik. A jelenség visszafordítható. Fizikustól segítséget kérve, 1888. március 14 -én levelet írt Lehmann Ottónak , aki akkoriban az aacheni Privatdozent volt . Levelet és mintát cseréltek. Lehmann megvizsgálta a közbenső zavaros folyadékot, és arról számolt be, hogy kristályokat látott . Reinitzer bécsi kollégája, von Zepharovich is jelezte, hogy a köztes "folyadék" kristályos. A levélváltás Lehmann -nal április 24 -én véget ért, sok megválaszolatlan kérdésre. Reinitzer 1888. május 3 -án a Bécsi Vegyi Társaság ülésén ismertette eredményeit Lehmannnak és von Zepharovichnak.

Addigra Reinitzer felfedezte és leírta a koleszterikus folyadékkristályok három fontos jellemzőjét (ezt a nevet Otto Lehmann alkotta meg 1904 -ben): két olvadáspont megléte, a körkörösen polarizált fény visszaverődése és a polarizációs irány elforgatásának képessége. könnyű.

Véletlen felfedezése után Reinitzer nem folytatta a folyékony kristályok tanulmányozását. A kutatást Lehmann folytatta, aki rájött, hogy új jelenséggel találkozott, és abban a helyzetben van, hogy megvizsgálja: posztdoktori éveiben a kristálytudomány és a mikroszkópia területén szerzett szakértelmet. Lehmann szisztematikus vizsgálatba kezdett, először a koleszteril-benzoátról, majd a kettős olvadás jelenségét mutató rokon vegyületekről. Képes volt megfigyeléseket végezni polarizált fényben, és mikroszkópja fel volt szerelve egy forró színpaddal (mintatartó fűtőberendezéssel), amely lehetővé tette a magas hőmérséklet megfigyelését. A közbenső felhős fázis egyértelműen fenntartotta az áramlást, de más jellemzők, különösen a mikroszkóp alatti aláírás, meggyőzték Lehmannt, hogy szilárd anyaggal van dolga. 1889. augusztus végére publikálta eredményeit a Zeitschrift für Physikalische Chemie -ben .

Otto Lehmann

Lehmann munkáját Daniel Vorländer német kémikus folytatta és jelentősen bővítette , aki a 20. század elejétől egészen 1935 -ös nyugdíjba vonulásáig az ismert folyadékkristályok nagy részét szintetizálta. A folyékony kristályok azonban nem voltak népszerűek a tudósok körében, és az anyag körülbelül 80 évig tiszta tudományos kíváncsiság maradt.

A második világháború után az európai egyetemi kutatólaboratóriumokban újrakezdték a folyékony kristályok szintézisével kapcsolatos munkát. George William Gray , a folyadékkristályok kiemelkedő kutatója, az 1940 -es évek végén kezdte vizsgálni ezeket az anyagokat Angliában. Csoportja sok új anyagot szintetizált, amelyek a folyadékkristályos állapotot mutatják, és jobban megértették az állapotot mutató molekulák tervezésének módját. Molekuláris szerkezete és a folyékony kristályok tulajdonságai című könyve útmutató kézikönyv lett a témában. Az egyik első amerikai vegyész, aki folyékony kristályokat tanulmányozott, Glenn H. Brown volt, 1953 -ban a Cincinnati Egyetemen, majd a Kent State Egyetemen . 1965 -ben megszervezte az első nemzetközi konferenciát a folyékony kristályokról az ohiói Kentben, amelyen a világ 100 legjobb folyadékkristály -tudósa vett részt. Ez a konferencia egy világméretű erőfeszítés kezdetét jelentette ezen a területen végzett kutatások elvégzésére, ami hamarosan az egyedi anyagok gyakorlati alkalmazásainak kifejlesztéséhez vezetett.

A folyékony kristályos anyagok 1962 -től kezdődően az RCA Laboratories -ban a síkképernyős elektronikus kijelzők fejlesztésének kutatásának középpontjába kerültek . Amikor Richard Williams fizikai kémikus 125 ° C -on elektromos mezőt alkalmazott egy nematikus folyadékkristály vékony rétegére , megfigyelte a szabályos mintázat kialakulását, amelyet tartományoknak nevezett (ma Williams Domains néven). Ez arra késztette kollégáját, George H. Heilmeier-t , hogy folytasson kutatásokat egy folyadékkristály alapú síkképernyős kijelzőn, amely helyettesíti a televíziókban használt katódsugaras vákuumcsövet. A Williams és Heilmeier által használt para-azoxi-anizol azonban csak 116 ° C fölött mutatja a nematikus folyadékkristályos állapotot, ami miatt nem volt célszerű kereskedelmi kijelzős termékben használni. Egy olyan anyagra volt szükség, amely szobahőmérsékleten működtethető.

1966-ban Joel E. Goldmacher és Joseph A. Castellano, az RCA Heilmeier csoportjának vegyészei felfedezték, hogy a kizárólag nematikus vegyületekből álló keverékek, amelyek csak a szénatomok számában különböznek a terminális oldalláncokban, szobahőmérsékletű nematikus folyadékot eredményezhetnek kristályok. A Schiff -bázis vegyületek háromszoros keveréke olyan anyagot eredményezett, amelynek nematikus tartománya 22–105 ° C volt. A szobahőmérsékleten történő működtetés lehetővé tette az első praktikus megjelenítő eszköz elkészítését. A csapat ezután számos nematikus vegyület keverékét készítette el, amelyek közül soknak sokkal alacsonyabb az olvadáspontja. Ez a nematikus vegyületek széles üzemi hőmérsékleti tartomány elérése érdekében történő keverésének technikája végül az iparág szabványává vált, és továbbra is használják az anyagok testreszabásához, hogy megfeleljenek a konkrét alkalmazásoknak.

Az N- (4-metoxibenzilidén) -4-butil-anilin (MBBA) molekula kémiai szerkezete

1969 -ben Hans Kelkernek sikerült szintetizálnia egy olyan anyagot, amelynek szobahőmérsékleten nematikus fázisa volt, az MBBA -t , amely a folyadékkristály -kutatás egyik legnépszerűbb tárgya. A folyadékkristályos kijelzők kereskedelmi forgalomba hozatalának következő lépése George Gray további kémiailag stabil anyagok (cianobifenilek) alacsony olvadáspontú szintézise volt . Ez a Ken Harrisonnal és az Egyesült Királyságban működő MOD -vel ( RRE Malvern ) 1973 -ban végzett munka új anyagok tervezéséhez vezetett, ami a kisméretű LCD -k gyors alkalmazását eredményezte az elektronikus termékekben.

Ezek a molekulák rúd alakúak, némelyik laboratóriumban jött létre, és néhány spontán módon jelenik meg a természetben. Azóta két új típusú LC molekulát szintetizáltak: korong alakú ( Sivaramakrishna Chandrasekhar Indiában 1977-ben) és kúp vagy tál alakú (Lui Lam 1982-ben Kínában megjósolta, és 1985-ben Európában szintetizálták).

1991-ben, amikor a folyadékkristályos kijelzők már jól megalapozottak voltak , a Paris-Sud Egyetemen dolgozó Pierre-Gilles de Gennes megkapta a fizikai Nobel-díjat. anyagból, különösen folyadékkristályokból és polimerekből ".

Folyadékkristályos anyagok tervezése

Ismeretes, hogy nagyszámú kémiai vegyület egy vagy több folyadékkristályos fázist mutat. A kémiai összetétel jelentős különbségei ellenére ezeknek a molekuláknak közös tulajdonságaik vannak a kémiai és fizikai tulajdonságokban. Háromféle termotróp folyadékkristály létezik: diszkotikus, kúpos (bowlicus) és rúd alakú molekulák. A diszkók korongszerű molekulák, amelyek szomszédos aromás gyűrűk lapos magjából állnak, míg a kúpos LC magja nem lapos, hanem rizses tál alakú (háromdimenziós tárgy). Ez lehetővé teszi a kétdimenziós oszlopos rendezést, mind a diszkotikus, mind a kúpos LC -khez. A rúd alakú molekulák hosszúkás, anizotróp geometriájúak, amely lehetővé teszi a preferenciális igazítást egy térbeli irány mentén.

A molekuláris alaknak viszonylag vékonynak, laposnak vagy kúposnak kell lennie, különösen merev molekuláris keretek között.
A molekulahossznak legalább 1,3 nm-nek kell lennie, összhangban a hosszú alkilcsoport jelenlétével sok szobahőmérsékletű folyadékkristályon.
A szerkezet nem lehet elágazó vagy szögletes, kivéve a kúpos LC -t.
Előnyös az alacsony olvadáspont a metastabil, monotróp folyadékkristályos fázisok elkerülése érdekében. Az alacsony hőmérsékletű mezomorf viselkedés általában technológiailag hasznosabb, és az alkil-terminális csoportok ezt elősegítik.

Úgy tűnik, hogy a folyadékkristályos viselkedés fő kritériuma a kiterjesztett, szerkezetileg merev, erősen anizotróp forma, és ennek eredményeként sok folyadékkristályos anyag benzolgyűrűkön alapul.

Folyadékkristályos fázisok

A különböző folyadékkristályos fázisokat (az úgynevezett mezofázisokat ) a rendezés típusával lehet jellemezni. Meg lehet különböztetni a helyzeti sorrendet (hogy a molekulák bármilyen rendezett rácsban vannak-e elrendezve) és az orientációs sorrendet (hogy a molekulák többnyire ugyanabba az irányba mutatnak-e), ráadásul a sorrend lehet akár rövid hatótávolságú is (csak egymáshoz közeli molekulák között) vagy nagy hatótávolságú (kiterjed nagyobb, néha makroszkopikus méretekre). A legtöbb termotróp LC izotróp fázissal rendelkezik magas hőmérsékleten. Ez azt jelenti, hogy a melegítés végül egy hagyományos folyékony fázisba sodorja őket, amelyet véletlenszerű és izotróp molekuláris rendezés jellemez (kevés vagy egyáltalán nem nagy hatótávolságú sorrend) és folyadékszerű áramlási viselkedés. Más körülmények között (például alacsonyabb hőmérsékleten) az LC egy vagy több olyan fázist élhet meg, amelyek jelentős anizotróp orientációs struktúrával és rövid hatótávolságú orientációs renddel rendelkeznek, miközben továbbra is képesek áramolni.

A folyékony kristályos fázisok sorrendje kiterjedt a molekuláris skálán. Ez a sorrend kiterjed a teljes tartományméretre, amely lehet mikrométer nagyságrendű, de általában nem terjed ki a makroszkópos skálára, mint a klasszikus kristályos szilárd anyagoknál gyakran előfordul . Azonban bizonyos technikák, mint például a határok használata vagy az alkalmazott elektromos mező , használhatók egyetlen rendezett tartomány kikényszerítésére egy makroszkopikus folyadékkristály mintában. A folyadékkristályok orientációs sorrendje csak az egyik dimenzió mentén terjedhet ki , és az anyag lényegében rendezetlen a másik két irányban.

Termotróp folyadékkristályok

A termotróp fázisok azok, amelyek egy bizonyos hőmérsékleti tartományban fordulnak elő. Ha a hőmérséklet -emelkedés túl magas, a hőmozgás tönkreteszi az LC -fázis kényes együttműködési sorrendjét, és az anyagot egy hagyományos izotróp folyadékfázisba taszítja. Túl alacsony hőmérsékleten a legtöbb LC anyag hagyományos kristályt képez. Sok termotróp LC különböző fázisokat mutat a hőmérséklet változásakor. Például hevítéskor egy bizonyos típusú LC molekula ( mezogén ) különböző smektikus fázisokat mutathat, majd a nematikus fázis és végül az izotróp fázis a hőmérséklet emelkedésével. A termotróp LC viselkedést mutató vegyületekre példa a para-azoxi-anizol .

Nematikus fázis

Igazodás nematikus fázisban

Fázisátmenet a nematikus (bal) és a szmektikus A (jobb) fázisok között, a keresztezett polarizátorok között . A fekete szín megfelel az izotróp közegnek.

Az egyik leggyakoribb LC fázis a nematikus. A szó nematic származik a görög νήμα ( görög : nema ), amely azt jelenti: „menet”. Ez a kifejezés a nematikusoknál megfigyelt szálszerű topológiai hibákból ered , amelyeket formálisan „ diszciplínációknak ” neveznek . A nematikusok úgynevezett "sündisznó" topológiai hibákat is mutatnak. Nematikus fázisban a kalamitos vagy rúd alakú szerves molekuláknak nincs pozicionális sorrendjük, de önállóan igazodnak ahhoz, hogy hosszú távú irányú sorrendjük legyen, nagy tengelyükkel nagyjából párhuzamosan. Így a molekulák szabadon áramolhatnak, és tömegközéppontjuk véletlenszerűen oszlik el, mint egy folyadékban, de továbbra is megtartják a nagy hatótávolságú irányrendszert. A legtöbb fonalféreg egytengelyű: egy tengelyük van (direktrix), amely hosszabb és előnyösebb, a másik kettő egyenértékű (hengerek vagy rudak lehet hozzávetőlegesen). Néhány folyadékkristály azonban kéttengelyes fonalféreg , ami azt jelenti, hogy a hosszú tengelyük tájolása mellett egy másodlagos tengely mentén is tájékozódnak. A nematikusok folyékonysága hasonló a közönséges (izotróp) folyadékokéhoz, de könnyen beállíthatók külső mágneses vagy elektromos mezővel. Az igazított fonalférgek optikai tulajdonságai az egytengelyű kristályok, és ezért rendkívül hasznosak a folyadékkristályos kijelzőkben (LCD).

A tudósok felfedezték, hogy az elektronok egyesülve nagy mágneses mezőkben áramolhatnak, és létrehozhatnak egy "elektronikus nematikus" anyagformát.

Sminkes fázisok

Az összehangolás vázlata a smektikus fázisokban. A smektikus A fázis (balra) molekulák rétegekbe rendeződnek. A smektikus C fázisban (jobbra) a molekulák a rétegek belsejébe dőlnek.

A nematikusnál alacsonyabb hőmérsékleten előforduló smektikus fázisok jól körülhatárolható rétegeket képeznek, amelyek a szappanhoz hasonló módon csúszhatnak egymás felett. A "smektikus" szó a latin "smecticus" szóból ered, ami tisztítást vagy szappanszerű tulajdonságokat jelent. A smektikumok így egy irányban vannak elhelyezve. A Smectic A fázisban a molekulák a normál réteg mentén orientálódnak, míg a Smectic C fázisban elfordulnak tőle. Ezek a fázisok folyadékszerűek a rétegeken belül. Sok különböző smektikus fázis létezik, mindegyiket különböző típusú és fokú helyzeti és orientációs rend jellemzi. A szerves molekulákon kívül szmektikus elrendeződésről is beszámoltak a 2-D anyagok vagy nanolapok kolloid szuszpenzióiban.

Királis fázisok vagy csavart nematikusok

A királis folyadékkristályos fázisokban történő rendelés vázlata. A királis nematikus fázis (bal oldalon), más néven koleszterikus fázis, és a smektikus C* fázis (jobb oldalon).

A királis nematikus fázis kiralitást (kézfogást) mutat . Ezt a fázist gyakran koleszterikus fázisnak nevezik, mert először a koleszterin -származékok esetében figyelték meg . Csak királis molekulák adhatnak ilyen fázist. Ez a fázis a molekulák irányra merőleges csavarodását mutatja, a molekuláris tengely párhuzamos a rendezővel. A szomszédos molekulák közötti véges csavarási szög aszimmetrikus csomagolásuknak köszönhető, ami hosszabb hatótávolságú királis sorrendet eredményez. A smektikus C* fázisban (a csillag egy királis fázist jelöl) a molekulák helyzeti sorrendje réteges szerkezetben van (mint a többi smektikus fázisban), a molekulák véges szögben dőlnek a normál réteghez képest. A kiralitás véges azimutális csavart indukál az egyik rétegből a másikba, ami a molekuláris tengely spirális csavarodását eredményezi a normál réteg mentén.

Királis nematikus fázis; p a királis hangmagasságra utal (lásd a szöveget)

A királis hangmagasság , p, azt a távolságot jelenti, amelyen az LC-molekulák teljes 360 ° -os csavarodást szenvednek (de vegye figyelembe, hogy a királis nematikus fázis szerkezete minden félpályán megismétlődik, mivel ebben a fázisirányítóban 0 ° és ± 180 ° ° egyenértékűek). A hangmagasság, p, általában megváltozik, amikor a hőmérséklet megváltozik, vagy ha más molekulákat adnak az LC -gazdaszervezethez (egy királis LC -gazdaszervezet királis fázist képez, ha királis anyaggal adjuk hozzá), lehetővé téve egy adott anyag hangmagasságát. ennek megfelelően hangolva. Néhány folyadékkristályos rendszerben a hangmagasság megegyezik a látható fény hullámhosszával . Ez azt eredményezi, hogy ezek a rendszerek egyedi optikai tulajdonságokkal rendelkeznek, mint például a Bragg-visszaverődés és az alacsony küszöbű lézerkibocsátás , és ezeket a tulajdonságokat számos optikai alkalmazásban kihasználják. A Bragg-visszaverődés esetében csak a legalacsonyabb rendű visszaverődés megengedett, ha a fény a spirális tengely mentén esik, míg a ferde beesés esetén a magasabb rendű visszaverődés válik lehetővé. A koleszterin folyadékkristályok azt az egyedülálló tulajdonságot is mutatják, hogy körkörösen polarizált fényt tükröznek, amikor a spirális tengely mentén esik, és elliptikusan polarizált, ha ferdén jön be.

Sík sejt, optikailag aktív Tröger -bázis analóggal adalékolt, akirális LC -gazdával töltött párhuzamos (A) és keresztezett (B) lineáris polarizátorok közé. Ez az adalékolt mezogén fázis önszerveződő spirális felépítményeket képez, amelyek lehetővé teszik a meghatározott hullámhosszú fény áthaladását a keresztezett polarizátorokon, és szelektíven tükrözi a fény egy adott hullámhosszát.

A kék fázisok folyadékkristályos fázisok, amelyek a királis nematikus fázis és az izotróp folyadékfázis közötti hőmérséklet -tartományban jelennek meg . Kék fázisokhoz van egy szabályos háromdimenziós köbös szerkezete hibák a rácsos időszakok több száz nanométer, és így szelektíven hatnak Bragg reflexiók hullámhossz-tartományban a látható fény megfelelő köbös rács . Elméletileg 1981 -ben megjósolták, hogy ezek a fázisok ikozaéder szimmetriával rendelkezhetnek, mint a kvazikristályok .

Bár a kék fázisok érdekesek a gyors fénymodulátorok vagy a hangolható fotonikus kristályok számára , nagyon szűk hőmérséklet -tartományban léteznek, általában kevesebb, mint néhány kelvin . A közelmúltban bizonyították a kék fázisok stabilizálódását 60 K feletti hőmérséklettartományban, beleértve a szobahőmérsékletet (260–326 K). A szobahőmérsékleten stabilizált kék fázisok lehetővé teszik az elektro-optikai kapcsolást, ^10–4 másodperces válaszidővel . 2008 májusában kifejlesztették az első kék fázisú LCD panelt.

A kék fázisú kristályok, mint periodikus köbös szerkezet, sávszélességgel a látható hullámhossztartományban, 3D fotonikus kristályoknak tekinthetők . Az ideális kék fázisú kristályok nagy mennyiségben történő előállítása továbbra is problémás, mivel az előállított kristályok általában polikristályosak (vérlemezkeszerkezet), vagy az egykristályok mérete korlátozott (mikrométer tartományban). A közelmúltban a nagy térfogatban ideális 3D fotonikus kristályokként kapott kék fázisokat stabilizálták és különböző szabályozott kristályrács -orientációkkal állították elő.

Diskotikus fázisok

A korong alakú LC molekulák a diszkotikus nematikus fázis néven ismert rétegszerű módon tájékozódhatnak. Ha a korongok halomba rakódnak , a fázist diszkotikus oszlopnak nevezik . Az oszlopok téglalap vagy hatszögletű tömbökbe rendezhetők. Ismertek a királis nematikus fázishoz hasonló királis diszkotikus fázisok is.

Kúpos fázisok

A kúpos LC molekulák, akárcsak a diszkók, oszlopos fázisokat képezhetnek. Más fázisokat, például a nem poláros nematikus, a poláris nematikus, a madárfa, a fánk és a hagyma fázisokat is előre jelezték. A kúpos fázisok a poláros nematikusok kivételével poláris fázisok.

Liotróp folyadékkristályok

A lyotrop folyadékkristály szerkezete. A felületaktív anyagmolekulák vörös fejei vízzel érintkeznek, míg a farok olajba merül (kék): kettősréteg (bal) és micella (jobb).

A liotróp folyadékkristály két vagy több komponensből áll, amelyek bizonyos koncentrációtartományokban folyadékkristályos tulajdonságokkal rendelkeznek. A liotróp fázisokban az oldószermolekulák kitöltik a vegyületek körüli teret, hogy folyékony legyen a rendszer. A termotróp folyadékkristályokkal ellentétben ezeknek a liotrópoknak egy másik fokú koncentrációs szabadsága van, amely lehetővé teszi számukra, hogy különböző fázisokat indukáljanak.

Amfifil molekulának nevezzük azt a vegyületet, amelynek két nem elegyedő hidrofil és hidrofób része van ugyanabban a molekulában. Sok amfifil molekula lyotrop folyadékkristályos fázisszekvenciákat mutat a hidrofil és a hidrofób rész közötti térfogatmérlegektől függően. Ezek a szerkezetek két inkompatibilis komponens nanoméretű skálájának mikrofázisú elkülönítésével jönnek létre. A szappan a liotróp folyadékkristályok mindennapi példája.

A víz vagy más oldószermolekulák tartalma megváltoztatja az önállóan összeállított szerkezeteket. Nagyon alacsony amfifilkoncentráció esetén a molekulák véletlenszerűen szétszóródnak, minden rendezés nélkül. Kicsit magasabb (de még mindig alacsony) koncentráció esetén az amfifil molekulák spontán módon micellákba vagy vezikulákba gyűlnek össze . Ezt úgy kell elvégezni, hogy az amfifil hidrofób farkát „elrejtse” a micellamag belsejében, és hidrofil (vízben oldódó) felületet tesz ki vizes oldatnak. Ezek a gömb alakú objektumok azonban nem rendeződnek megoldásban. Nagyobb koncentráció esetén a szerelvények rendezetté válnak. Egy tipikus fázis egy hatszögletű oszlopos fázis, ahol az amfifilek hosszú hengereket képeznek (ismét hidrofil felülettel), amelyek nagyjából hatszögletű rácsba rendeződnek. Ezt nevezik középső szappanfázisnak. Még nagyobb koncentrációban egy lamelláris fázis (tiszta szappanfázis) alakulhat ki, ahol az amfifilek kiterjedt lapjait vékony vízrétegek választják el. Egyes rendszereknél köbös (más néven viszkózus izotróp) fázis létezhet a hatszögletű és a lamelláris fázis között, ahol gömbök képződnek, amelyek sűrű köbös rácsot hoznak létre. Ezek a gömbök is összekapcsolhatók egymással, és egy folytonos köbös fázist képeznek.

Az amfifilek által létrehozott tárgyak általában gömb alakúak (mint a micellák esetében), de lehetnek tárcsaszerűek (bicellák), rúdszerűek vagy kéttengelyűek (mindhárom micellatengely megkülönböztethető). Ezek az anizotróp, önállóan összeállított nano-struktúrák majdnem ugyanúgy megrendelhetik magukat, mint a termotróp folyadékkristályok, és minden termotróp fázis nagyméretű változatát képezik (például rúd alakú micellák nematikus fázisát).

Egyes rendszereknél nagy koncentrációban fordított fázisok figyelhetők meg. Vagyis létre lehet hozni egy fordított hatszögletű oszlopos fázist (amfifilekkel bezárt vízoszlopok) vagy egy fordított micelláris fázist (ömlesztett folyadékkristályos minta gömb alakú vízüregekkel).

A fázisok általános előrehaladása, az alacsony amfifil koncentrációtól a magasig, a következő:

Folyamatos köbös fázis ( micelláris köbös fázis)
Hatszögletű fázis (hatszögletű oszlopos fázis) (középső fázis)
Lamelláris fázis
Kétfázisú köbös fázis
Fordított hatszögletű oszlopos fázis
Inverz köbös fázis (Inverz micelláris fázis)

Még az azonos fázisokon belül is összeállított szerkezetük hangolható a koncentráció alapján: például a lamelláris fázisokban a rétegtávolságok az oldószer térfogatával nőnek. Mivel a lyotrop folyadékkristályok az intermolekuláris kölcsönhatások finom egyensúlyára támaszkodnak, szerkezetük és tulajdonságaik elemzése nehezebb, mint a termotróp folyadékkristályoké.

Hasonló fázisok és jellemzők figyelhetők meg a nem elegyedő kétblokkos kopolimerekben .

Metallotróp folyadékkristályok

Folyadékkristályos fázisok is alapulhat alacsony olvadáspontú szervetlen fázisok, mint ZnCI ₂ , amelyek szerkezete kialakítva kapcsolódó tetraéderek és könnyen formában szemüveget. A hosszú láncú szappanszerű molekulák hozzáadása új fázisok sorozatához vezet, amelyek változatos folyadékkristályos viselkedést mutatnak mind a szervetlen-szerves összetétel arányának, mind a hőmérséklet függvényében. Ezt az anyagosztályt metallotrópnak nevezték el.

A mezofázisok laboratóriumi elemzése

A termotróp mezofázisokat két fő módszerrel detektálják és jellemzik, az eredeti módszer a termikus optikai mikroszkóp alkalmazása volt, amelyben az anyag kis mintáját két keresztezett polarizátor közé helyezték; a mintát ezután felmelegítettük és lehűtöttük. Mivel az izotróp fázis nem befolyásolja jelentősen a fény polarizációját, nagyon sötétnek tűnik, míg a kristály és a folyadékkristály fázisok egyenletesen polarizálják a fényt, ami fényerőhöz és színátmenetekhez vezet. Ez a módszer lehetővé teszi az adott fázis jellemzését, mivel a különböző fázisokat meghatározott sorrendjük határozza meg, amelyet be kell tartani. A második módszer, a differenciális pásztázó kalorimetria (DSC) lehetővé teszi a fázisátmenetek és az átmeneti entalpiák pontosabb meghatározását. A DSC -ben egy kis mintát úgy hevítenek, hogy az idő függvényében nagyon pontos hőmérsékletváltozást generáljon. A fázisváltások során megváltozik a fűtési vagy hűtési sebesség fenntartásához szükséges hőáram. Ezek a változások megfigyelhetők és különböző fázisátmeneteknek tulajdoníthatók, például kulcsfontosságú folyadékkristályos átmeneteknek.

A lyotróp mezofázisokat hasonló módon elemzik, bár ezek a kísérletek némileg összetettebbek, mivel a mezogén koncentrációja kulcsfontosságú tényező. Ezeket a kísérleteket különböző mezogén koncentrációkban végzik , hogy elemezzék ezt a hatást.

Biológiai folyadékkristályok

A lyotrop folyadékkristályos fázisok bőségesek az élő rendszerekben, amelyek tanulmányozását lipid polimorfizmusnak nevezik . Ennek megfelelően a liotróp folyadékkristályok különös figyelmet vonzanak a biomimetikus kémia területén. Különösen a biológiai membránok és a sejtmembránok a folyadékkristályok egy formája. Az alkotó molekulák (pl. Foszfolipidek ) merőlegesek a membrán felületére, de a membrán rugalmas. Ezek a lipidek különböző alakúak (lásd a lipid polimorfizmusról szóló oldalt ). Az alkotó molekulák könnyen összekeveredhetnek, de nem hajlamosak elhagyni a membránt a folyamat nagy energiaigénye miatt. A lipidmolekulák átfordulhatnak a membrán egyik oldaláról a másikra, ezt a folyamatot flippázok és flopázok katalizálják (a mozgás irányától függően). Ezek a folyadékkristályos membránfázisok fontos fehérjéket is befogadhatnak, például a membránon belül vagy részben kívül szabadon "lebegő" receptorokat, például CCT -t.

Sok más biológiai szerkezet folyadékkristályos viselkedést mutat. Például a koncentrált fehérjeoldat , amelyet egy pók extrudál, hogy selymet termeljen , valójában folyadékkristályos fázis. A molekulák pontos elrendezése selyemben kritikus fontosságú annak ismert erejéhez. A DNS és sok polipeptid , beleértve az aktívan hajtott citoszkeletális szálakat is, folyadékkristályos fázisokat képezhet. Leírták, hogy a hosszúkás sejtek egyrétegű rétegei folyadékkristályos viselkedést mutatnak, és a kapcsolódó topológiai hibák biológiai következményekkel járnak, beleértve a sejthalált és az extrudálást. A folyékony kristályok ezen biológiai alkalmazásai együttesen a jelenlegi tudományos kutatás fontos részét képezik.

Ásványi folyadékkristályok

Az ásványi világban is találunk példákat folyékony kristályokra, legtöbbjük liotróp. Az első felfedezés a vanádium (V) -oxid volt , Zocher 1925 -ben. Azóta csak keveseket fedeztek fel és tanulmányoztak részletesen. Létezik egy igazi nematikus fázis esetében a szmektitcsoport agyagok család által emelt Langmuir 1938, de maradt nyitott kérdés egy nagyon hosszú idő, és csak megerősítette a közelmúltban.

A nanotudományok rohamos fejlődésével és sok új anizotróp nanorészecske szintézisével az ilyen ásványi folyadékkristályok száma gyorsan növekszik, például szén nanocsövek és grafén segítségével. Még egy lamellás fázist is felfedeztek, H ₃ Sb ₃ P ₂ O ₁₄ , amely az interlamelláris távolságra vonatkozóan ~ 250 nm -ig terjedő hiperduzzadást mutat.

Mintaképződés folyadékkristályokban

A folyadékkristályok anizotrópiája olyan tulajdonság, amelyet más folyadékokban nem figyelnek meg. Ez az anizotrópia a folyadékkristályok áramlásától eltérően viselkedik, mint a hagyományos folyadékok. Például egy folyadékkristály -fluxus befecskendezése két közeli párhuzamos lemez közé ( viszkózus ujjlenyomatolás ) a molekulák orientációját az áramlással való párosításhoz okozza, és ennek következtében dendritikus mintázatok jelennek meg. Ez az anizotrópia a különböző folyadékkristályos fázisok közötti határfelületi energiában ( felületi feszültség ) is megnyilvánul . Ez az anizotrópia határozza meg az egyensúlyi alakot az együttélési hőmérsékleten, és olyan erős, hogy általában megjelennek az oldalak. A hőmérséklet megváltoztatásakor az egyik fázis növekszik, és a hőmérsékletváltozástól függően különböző morfológiákat képez. Mivel a növekedést a hő diffúziója szabályozza, a hővezető képesség anizotrópia kedvez a meghatározott irányú növekedésnek, ami szintén hatással van a végső alakra.

Folyadékkristályok elméleti kezelése

A folyadékfázisok mikroszkópos elméleti kezelése meglehetősen bonyolultá válhat a nagy anyagsűrűség miatt, ami azt jelenti, hogy az erős kölcsönhatásokat, a kemény magok taszítását és a sok test közötti összefüggéseket nem lehet figyelmen kívül hagyni. Folyadékkristályok esetében az anizotrópia ezen kölcsönhatások mindegyikében tovább bonyolítja az elemzést. Számos meglehetősen egyszerű elmélet létezik azonban, amelyek legalább megjósolhatják a folyadékkristályos rendszerek fázisátmeneteinek általános viselkedését.

Rendező

Amint azt fentebb már láttuk, a nematikus folyadékkristályok rúdszerű molekulákból állnak, a szomszédos molekulák hosszú tengelye megközelítőleg egymáshoz igazítva. Ahhoz, hogy leírja ezt anizotrop szerkezetéről, egy dimenzió nélküli egység vektor n úgynevezett rendező , kerül bevezetésre, hogy képviselje az irányt előnyös orientációja molekulák szomszédságában bármely pontján. Mivel az irányító tengely mentén nincs fizikai polaritás, n és -n teljesen egyenértékűek.

Rendelési paraméter

A helyi nematikus irányítót , amely egyben a helyi optikai tengely is , a hosszú molekuláris tengelyek térbeli és időbeli átlaga adja.

A folyadékkristályok leírása magában foglalja a sorrend elemzését. A nematikus folyadékkristály orientációs sorrendjének leírására egy második rangú szimmetrikus, nyomtalan tenzorrend paramétert használnak, bár a skaláris sorrend paramétere általában elegendő az egytengelyű nematikus folyadékkristályok leírásához. Ennek a mennyiségi meghatározásához általában egy orientációs sorrendi paramétert határoznak meg a második Legendre polinom átlaga alapján :

{\ displaystyle S = \ langle P_ {2} (\ cos \ theta) \ rangle = \ left \ langle {\ frac {3 \ cos ^{2} (\ theta) -1} {2}} \ right \ rangle }

hol van a szög a folyadékkristályos molekuláris tengely és a helyi irányító között (amely a folyadékkristályos minta térfogatelemének „preferált iránya”, amely egyben a helyi optikai tengelyt is jelenti ). A zárójelek időbeli és térbeli átlagot is jelölnek. Ez a definíció kényelmes, mivel egy teljesen véletlenszerű és izotróp minta esetében S = 0, míg egy tökéletesen igazított mintánál S = 1. Egy tipikus folyadékkristályos mintánál az S 0,3-0,8 nagyságrendű, és általában csökken a hőmérséklet emelkedésével. Különösen a rendelési paraméter éles csökkenése figyelhető meg 0 -ra, amikor a rendszer fázisátmeneten megy keresztül az LC fázisból az izotróp fázisba. A rendelési paraméter kísérleti úton többféle módon mérhető; például diamagnetizmus , kettős törés , Raman -szórás , NMR és EPR használható az S. meghatározására. ${\ displaystyle \ theta}$

A folyadékkristályok sorrendjét más páros Legendre polinomok használatával is jellemezhetjük (az összes páratlan polinom átlag nullára, mivel a rendező két anti -párhuzamos irányba mutathat). Ezek a magasabb rendű átlagok nehezebben mérhetők, de további információkat szolgáltathatnak a molekuláris sorrendről.

A helyzeti sorrend paramétere a folyadékkristályok sorrendjének leírására is szolgál. Jellemzője a folyadékkristályos molekulák tömegközéppontjának sűrűsége egy adott vektor mentén. A z -tengely mentén elfoglalt helyzetváltozás esetén a sűrűséget gyakran a következők adják meg: ${\ displaystyle \ rho (z)}$

{\ displaystyle \ rho (\ mathbf {r}) = \ rho (z) = \ rho _ {0}+\ rho _ {1} \ cos (q_ {s} z- \ varphi)+\ cdots \,}

A komplex pozicionálási sorrend paramétere az és az átlagos sűrűség. Általában csak az első két kifejezés marad meg, és a magasabb rendű kifejezéseket figyelmen kívül hagyják, mivel a legtöbb fázis megfelelően leírható a szinuszos függvényekkel. A tökéletes nematikus és smektes fázishoz komplex értékeket vesz fel. Ennek a sorrendi paraméternek a bonyolult jellege számos párhuzamot tesz lehetővé a nematikus és a szmektikus fázisátmenetek, valamint a vezető és a szupravezető közötti átmenet között. ${\ displaystyle \ psi (\ mathbf {r}) = \ rho _ {1} (\ mathbf {r}) e^{i \ varphi (\ mathbf {r})}}$ ${\ displaystyle \ rho _ {0}}$ ${\ displaystyle \ psi = 0}$ ${\ displaystyle \ psi}$

Onsager keménypálcás modell

Megoldatlan probléma a fizikában :

Univerzális fázisátmenetként jellemezhető -e a folyadékkristályos állapotokban a nematikus -szmektikus (A) fázisátmenet?

(több megoldatlan probléma a fizikában)

Egy egyszerű modell, amely megjósolja a lyotróp fázisátmeneteket, a Lars Onsager által javasolt keménypálcás modell . Ez az elmélet az egyik idealizált henger tömegközéppontjából kizárt térfogatot tekinti a másikhoz közeledve. Pontosabban, ha a palackok egymással párhuzamosan vannak elhelyezve, akkor nagyon kevés térfogat van kizárva a közeledő henger tömegközéppontjából (egészen közel kerülhet a másik hengerhez). Ha azonban a palackok bizonyos szögben vannak egymással, akkor a hengert nagy térfogat veszi körül, amelybe a közeledő henger tömegközéppontja nem tud belépni (a két idealizált tárgy közötti keményrúd-taszítás miatt). Így ez a szögletes elrendezés csökkenti a közeledő henger nettó helyzeti entrópiáját (kevesebb állapot áll rendelkezésére).

Az alapvető felismerés itt az, hogy míg az anizotróp objektumok párhuzamos elrendezése az orientációs entrópia csökkenéséhez vezet, addig a helyzeti entrópia növekszik. Így bizonyos esetekben a nagyobb helyzeti rend entrópiailag kedvező lesz. Ez az elmélet tehát azt jósolja, hogy a rúd alakú tárgyak oldata megfelelő koncentrációban fázisátmeneten megy keresztül nematikus fázisba. Bár ez a modell fogalmi szempontból hasznos, matematikai megfogalmazása számos feltételezést tesz, amelyek korlátozzák alkalmazhatóságát a valós rendszerekre.

Maier – Saupe mezei elméletet jelent

Ez az Alfred Saupe és Wilhelm Maier által javasolt statisztikai elmélet magában foglalja a vonzó intermolekuláris potenciál hozzájárulását a szomszédos rúdszerű folyadékkristályos molekulák közötti indukált dipólusmomentumból. Az anizotróp vonzás stabilizálja a szomszédos molekulák párhuzamos igazodását, és az elmélet ezt követően figyelembe veszi a kölcsönhatás átlagmezőjének átlagát. Az önállóan megoldott elmélet a kísérletnek megfelelően termotróp nematikus-izotróp fázisátmeneteket jósol. A Maier-Saupe középmező-elmélet kiterjed a nagy molekulatömegű folyadékkristályokra is a molekulák hajlító merevségének beépítésével és a polimer tudomány útintegrál módszerének használatával .

McMillan modellje

A McMillan -modell, amelyet William McMillan javasolt, a Maier – Saupe középmező -elmélet kiterjesztése, amelyet a folyadékkristály nematikusról szmaktikus A fázisra történő átmenetének leírására használnak. Azt jósolja, hogy a fázisátmenet lehet folyamatos vagy nem folyamatos, a molekulák közötti rövid hatótávolságú kölcsönhatás erősségétől függően. Ennek eredményeként hármas kritikus pontot tesz lehetővé, ahol a nematikus, izotróp és smektikus A fázis találkozik. Bár megjósolja a hármas kritikus pont létezését, nem jósolja meg sikeresen az értékét. A modell két sorrendi paramétert használ, amelyek leírják a folyadékkristály orientációs és helyzeti sorrendjét. Az első egyszerűen a második Legendre polinom átlaga, a második rendű paramétert pedig a következő adja:

{\ displaystyle \ sigma = \ left \ langle \ cos \ left ({\ frac {2 \ pi z_ {i}} {d}} \ right) \ left ({\ frac {3} {2}} \ cos ^ {2} \ bal (\ theta _ {i} \ jobb)-{\ frac {1} {2}} \ jobb) \ jobb \ rangle}

A z _i , θ _i és d értékek a molekula helyzete, a molekuláris tengely és a rendező közötti szög, valamint a rétegtávolság. Egy molekula feltételezett potenciális energiáját a következők adják meg:

{\ displaystyle U_ {i} (\ theta _ {i}, z_ {i}) =-U_ {0} \ left (S+\ alpha \ sigma \ cos \ left ({\ frac {2 \ pi z_ {i}) } {d}} \ jobb) \ jobb) \ bal ({\ frac {3} {2}} \ cos ^{2} \ bal (\ theta _ {i} \ jobb)-{\ frac {1} { 2}} \ jobb)}

Itt az α konstans számszerűsíti a szomszédos molekulák közötti kölcsönhatás erősségét. A potenciált ezután a rendszer termodinamikai tulajdonságainak levezetésére használják fel, feltételezve a termikus egyensúlyt. Két önkonzisztencia-egyenletet eredményez, amelyeket numerikusan kell megoldani, amelyek megoldásai a folyadékkristály három stabil fázisa.

Rugalmas kontinuum elmélet

Ebben a formalizmusban a folyékony kristályos anyagot kontinuumként kezelik; A molekuláris részleteket teljesen figyelmen kívül hagyják. Ez az elmélet inkább a feltételezett orientált minta zavarait veszi figyelembe. A folyadékkristály torzulásait általában a Frank szabad energiasűrűsége írja le . Háromféle torzítást lehet azonosítani, amelyek egy orientált mintában előfordulhatnak: (1) az anyag csavarásai , amikor a szomszédos molekulákat egymáshoz képest kell szögbe állítani, nem pedig igazítani; (2) az anyag kiömlése , ahol a hajlítás merőleges a rendezőre; és (3) az anyag hajlítása , ahol a torzítás párhuzamos az irányító és a molekuláris tengelyekkel. Mindhárom ilyen típusú torzítás energiabüntetést von maga után. Ezek torzulások, amelyeket a tartományfalak vagy a zárótartály peremfeltételei idéznek elő. Az anyag reakciója ezután a háromféle torzításnak megfelelő rugalmas állandók alapján tagolható tagokra. Az elasztikus kontinuum elmélet hatékony eszköz a folyadékkristályos eszközök és a lipid kettősrétegek modellezésére.

Külső hatások a folyadékkristályokra

A tudósok és a mérnökök képesek különféle alkalmazásokban folyékony kristályokat használni, mivel a külső zavarok jelentős változásokat okozhatnak a folyadékkristályos rendszer makroszkopikus tulajdonságaiban. Elektromos és mágneses mezők egyaránt alkalmazhatók ezeknek a változásoknak a kiváltására. A mezők nagysága, valamint a molekulák igazodási sebessége fontos jellemzői az iparnak. A folyadékkristályos készülékekben speciális felületi kezelések alkalmazhatók az igazgató meghatározott irányainak kényszerítésére.

Elektromos és mágneses mező hatások

Az igazgató azon képességét, hogy egy külső mező mentén igazodjon, a molekulák elektromos jellege okozza. Az állandó elektromos dipólusok akkor keletkeznek, ha a molekula egyik végén nettó pozitív töltés van, míg a másik végén nettó negatív töltés. Ha egy külső elektromos mezőt alkalmaznak a folyadékkristályra, akkor a dipólmolekulák hajlamosak a mező iránya felé orientálódni.

Még ha egy molekula nem is alkot állandó dipólust, akkor is befolyásolhatja az elektromos mező. Bizonyos esetekben a mező az elektronok és a protonok enyhe átrendeződését eredményezi a molekulákban úgy, hogy indukált elektromos dipólus keletkezik. Bár nem olyan erős, mint az állandó dipólusok, a külső mezővel való tájékozódás továbbra is előfordul.

Bármely rendszer válasza egy külső elektromos mezőre az

{\ displaystyle D_ {i} = \ epsilon _ {0} E_ {i}+P_ {i}}

ahol , és a komponensek az elektromos mező, elektromos eltolás és polarizációs sűrűség. A rendszerben tárolt térfogatra jutó elektromos energia ${\ displaystyle E_ {i}}$ ${\ displaystyle D_ {i}}$ ${\ displaystyle P_ {i}}$

{\ displaystyle f _ {\ text {elec}} =-{\ frac {1} {2}} D_ {i} E_ {i}}

(összegzés a kétszer megjelenő index felett ). A nematikus folyadékkristályokban a polarizáció és az elektromos elmozdulás egyaránt lineárisan függ az elektromos tér irányától. A polarizációnak egyenletesnek kell lennie a rendezőben, mivel a folyadékkristályok invariánsok a reflexió alatt . A legáltalánosabb formában kifejezni az ${\ displaystyle i}$ ${\ displaystyle n}$ ${\ displaystyle D}$

{\ displaystyle D_ {i} = \ epsilon _ {0} \ epsilon _ {\ bot} E_ {i}+\ left (\ epsilon _ {\ parallel}-\ epsilon _ {\ bot} \ right) n_ {i } n_ {j} E_ {j}}

(összegzés az index felett ) és az elektromos permittivitás párhuzamos és merőleges a rendezővel . Ekkor az energia sűrűsége (figyelmen kívül hagyva azokat az állandó kifejezéseket, amelyek nem járulnak hozzá a rendszer dinamikájához) ${\ displaystyle j}$ ${\ displaystyle \ epsilon _ {\ bot}}$ ${\ displaystyle \ epsilon _ {\ parallel}}$ ${\ displaystyle n}$

{\ displaystyle f _ {{text {elec}} =-{\ frac {1} {2}} \ epsilon _ {0} \ left (\ epsilon _ {\ parallel}-\ epsilon _ {\ bot} \ right) \ bal (E_ {i} n_ {i} \ jobb)^{2}}

(összegzés vége ). Ha pozitív, akkor a minimális energia érhető el, ha és párhuzamosak. Ez azt jelenti, hogy a rendszer előnyben részesíti a folyadékkristálynak a külsőleg alkalmazott elektromos térhez való igazítását. Ha negatív, akkor a minimális energia akkor érhető el, amikor és merőlegesek (a nematikusoknál a merőleges orientáció elfajult, ami lehetővé teszi örvények megjelenését). ${\ displaystyle i}$ ${\ displaystyle \ epsilon _ {\ parallel}-\ epsilon _ {\ bot}}$ ${\ displaystyle E}$ ${\ displaystyle n}$ ${\ displaystyle \ epsilon _ {\ parallel}-\ epsilon _ {\ bot}}$ ${\ displaystyle E}$ ${\ displaystyle n}$

A különbséget dielektromos anizotrópiának nevezik, és fontos paraméter a folyadékkristályos alkalmazásokban. Vannak egyaránt és kereskedelmi folyadékkristályok. Az 5CB és az E7 folyadékkristályos keverék két általánosan használt folyadékkristály. Az MBBA egy gyakori folyadékkristály. ${\ displaystyle \ Delta \ epsilon = \ epsilon _ {\ parallel}-\ epsilon _ {\ bot}}$ ${\ displaystyle \ Delta \ epsilon> 0}$ ${\ displaystyle \ Delta \ epsilon <0}$ ${\ displaystyle \ Delta \ epsilon> 0}$ ${\ displaystyle \ Delta \ epsilon <0}$

A mágneses mezők folyadékkristályos molekulákra kifejtett hatása hasonló az elektromos mezőkhöz. Mivel a mágneses mezőket mozgó elektromos töltések generálják, az állandó mágneses dipólusokat az atomok körül mozgó elektronok hozzák létre. Mágneses mező alkalmazása esetén a molekulák hajlamosak igazodni a mezőhöz vagy azzal szemben. Az elektromágneses sugárzás, pl. UV-látható fény, befolyásolhatja a fényre érzékeny folyadékkristályokat, amelyek főleg legalább egy fotóval kapcsolható egységet hordoznak.

Felületi előkészületek

Külső mező hiányában a folyadékkristály igazgatója szabadon mutathat bármilyen irányba. Lehetséges azonban arra kényszeríteni az igazgatót, hogy egy meghatározott irányba mutasson egy külső ügynök bevezetésével a rendszerbe. Például, ha egy vékony polimer bevonatot (általában poliimidet) szétterítenek egy üvegfelületen, és egyetlen irányban dörzsölnek egy kendővel, megfigyelhető, hogy az ezzel a felülettel érintkező folyadékkristály molekulák a dörzsölési irányhoz igazodnak. Ennek jelenleg elfogadott mechanizmusa a folyadékkristályos rétegek epitaxiális növekedése, amely a poliimid közeli felületi rétegeiben lévő, részben összehangolt polimerláncokon nő.

Számos folyadékkristályos vegyi anyag is igazodik a „parancsfelülethez”, amelyet a polarizált fény elektromos mezője igazít. Ezt a folyamatot nevezzük fotoalignációnak .

Fredericks átmenet

A folyadékkristályos eszközökben gyakran kihasználják a felületi rögzítés és az elektromos térhatások által előállított orientáció közötti versenyt. Tekintsük azt az esetet, amikor a folyadékkristály molekulák a felülettel párhuzamosan vannak elhelyezve, és a cellára merőlegesen elektromos mezőt alkalmaznak. Eleinte, ahogy az elektromos mező nagyságrendileg növekszik, az igazítás nem változik. Az elektromos tér küszöbértékénél azonban deformáció következik be. A deformáció akkor következik be, amikor a rendező irányát egyik molekuláról a másikra változtatja. Az ilyen változás bekövetkeztét az igazított állapotból deformált állapotba Fredericks -átmenetnek nevezzük, és megfelelő erősségű mágneses mező alkalmazásával is előállítható.

A Fredericks -átmenet alapvető fontosságú sok folyadékkristályos kijelző működésében, mivel a rendező tájolása (és így a tulajdonságai) könnyen szabályozható egy mező alkalmazásával.

A kiralitás hatása

Amint azt már leírtuk, a királis folyadékkristályos molekulák általában királis mezofázisokat eredményeznek. Ez azt jelenti, hogy a molekulának valamilyen aszimmetriával kell rendelkeznie, általában sztereogén centrummal. További követelmény, hogy a rendszer ne legyen racém : jobb- és balkezes molekulák keveréke megszünteti a királis hatást. A folyadékkristályos rendelés együttműködési jellege miatt azonban egy kis mennyiségű királis adalékanyag egy egyébként akirális mezofázisban gyakran elegendő az egyik tartományú kéz kiválasztásához, így a rendszer összességében királis lesz.

A királis fázisok általában spirálisan csavarják a molekulákat. Ha ennek a csavarnak a hangmagassága a látható fény hullámhosszának nagyságrendje, akkor érdekes optikai interferenciahatások figyelhetők meg. A királis csavarodás, amely a királis LC fázisokban történik, a rendszert másképp reagálja, mint a jobb- és balkezes körkörösen polarizált fény. Ezek az anyagok tehát polarizációs szűrőként használhatók .

Lehetséges, hogy a királis LC molekulák lényegében akirális mezofázisokat állítanak elő. Például a koncentráció és a molekulatömeg bizonyos tartományaiban a DNS akirális vonalú hexatikus fázist képez. A közelmúlt egyik érdekes megfigyelése a királis mezofázisok képződése az akirális LC molekulákból. Konkrétan kimutatták, hogy a hajlított magú molekulák (más néven banán folyadékkristályok) királis folyadékkristályos fázisokat képeznek. Bármely adott mintában a különböző tartományok ellentétes kézzel fognak rendelkezni, de bármely tartományon belül erős királis rendezés lesz jelen. Ennek a makroszkopikus kiralitásnak a megjelenési mechanizmusa még nem teljesen világos. Úgy tűnik, hogy a molekulák rétegekben halmozódnak fel, és ferdén orientálódnak a rétegek belsejében. Ezek a folyadékkristályos fázisok lehetnek ferroelektromosak vagy anti-ferroelektromosak, mindkettő érdekes az alkalmazások szempontjából.

A kiralitás beépíthető egy fázisba királis adalékanyag hozzáadásával is , amely nem képez LC -t. A csavart nematikus vagy szupercsavart nematikus keverékek gyakran kis mennyiségben tartalmaznak ilyen adalékanyagokat.

Folyadékkristályok alkalmazása

A folyadékkristályos kijelző szerkezete: 1 - függőleges polarizációs szűrő, 2, 4 - üveg elektródákkal, 3 - folyadékkristályok, 5 - vízszintes polarizációs szűrő, 6 - reflektor

"Wikipedia" jelenik meg az LCD -n

A folyékony kristályokat széles körben használják a folyadékkristályos kijelzőkben, amelyek bizonyos folyadékkristályos anyagok optikai tulajdonságain alapulnak elektromos mező jelenlétében vagy hiányában . Egy tipikus eszközben egy folyadékkristályos réteg (jellemzően 4 μm vastagságú) helyezkedik el két polarizátor között , amelyeket kereszteznek (egymáshoz képest 90 ° -os irányban). A folyadékkristályos illesztést úgy választjuk meg, hogy nyugodt fázisa csavart legyen (lásd: Csavart nematikus mezőhatás ). Ez a csavart fázis átirányítja az első polarizátoron áthaladó fényt, lehetővé téve annak átvitelét a második polarizátoron (és visszaverődik a megfigyelőnek, ha van reflektor). A készülék így átlátszónak tűnik. Ha elektromos mezőt alkalmazunk az LC rétegre, a hosszú molekuláris tengelyek hajlamosak az elektromos mezővel párhuzamosan igazodni, így fokozatosan kicsavarodnak a folyadékkristályos réteg közepén. Ebben az állapotban az LC -molekulák nem irányítják át a fényt, így az első polarizátoron polarizált fény a második polarizátoron elnyelődik, és a készülék a feszültség növekedésével elveszíti az átláthatóságot. Ily módon az elektromos mező segítségével parancsra átlátszó vagy átlátszatlan pixelváltás végezhető. A színes LCD -rendszerek ugyanazt a technikát alkalmazzák, a színszűrőket pedig piros, zöld és kék pixelek előállítására használják. Királis smektikus folyadékkristályokat használnak a ferroelektromos LCD-kben, amelyek gyorsan kapcsolható bináris fénymodulátorok. Hasonló elvek alkalmazhatók más folyadékkristály alapú optikai eszközök gyártására is.

Folyadékkristályos hangolható szűrők használják elektrooptikai eszközök, pl, a hiperspektrális képalkotó .

A termotróp királis LC -k, amelyek hangmagassága erősen változik a hőmérséklettől függően, nyers folyadékkristályos hőmérőkként használhatók , mivel az anyag színe a hangmagasság változásával változik. Folyadékkristályos színátmeneteket használnak sok akvárium- és medencehőmérőn, valamint csecsemők vagy fürdők hőmérőin. Más folyadékkristályos anyagok megnyújtáskor vagy feszültség alatt megváltoztatják színüket. Így a folyadékkristályos lemezeket gyakran használják az iparban a forró pontok keresésére, a hőáramlás feltérképezésére, a feszültségeloszlási minták mérésére stb. Folyékony folyadékkristályokat használnak az elektromosan keletkezett forró pontok kimutatására a félvezetőipar meghibásodásának elemzéséhez .

A folyadékkristályos lencsék konvergálnak vagy eltérítik a beeső fényt a folyadékkristályos réteg törésmutatójának beállításával az alkalmazott feszültség vagy hőmérséklet függvényében. Általában a folyadékkristályos lencsék parabolikus törésmutató -eloszlást generálnak a molekuláris orientációk elrendezésével. Ezért a síkhullámot folyadékkristályos lencse alakítja át parabolikus hullámfrontra. A folyadékkristályos lencsék gyújtótávolsága folyamatosan hangolható, ha a külső elektromos mező megfelelően hangolható. A folyadékkristályos lencsék egyfajta adaptív optika . Képalkotó rendszer is részesültek a fókuszálás korrekció, képsík beállítás, vagy megváltoztatta a tartományban mélységélesség-mező vagy mélységélesség . A folyadékkristályos lencse egyike azoknak a jelölteknek, akik látásjavító eszközt fejlesztenek ki rövidlátó és presbiopia szemek számára (pl. Hangolható szemüveg és intelligens kontaktlencsék). Mivel egy optikai fázismodulátor , a folyadékkristályos lencse térváltozatú optikai úthosszal rendelkezik (azaz optikai út hossza a pupillakoordinátájának függvényében). A különböző képalkotó rendszerekben az optikai út hosszának szükséges funkciója változó. Például, hogy egy síkhullámot diffrakciós korlátozott helyre konvergáljunk, fizikailag sík folyadékkristály szerkezet esetén a folyadékkristályos réteg törésmutatójának gömb alakúnak vagy paraboloidnak kell lennie paraxiális közelítés mellett . Ami a képek vagy érzékelő objektumok kivetítését illeti, elvárható, hogy a folyadékkristályos lencse aszférikus eloszlással rendelkezzen az optikai út hosszában a kívánt nyíláson. Az elektromosan hangolható törésmutatóval rendelkező folyadékkristályos lencsék (a folyadékkristályos rétegen lévő elektromos tér különböző nagyságának figyelembevételével) potenciálisan elérik az optikai pályahossz tetszőleges funkcióját a bejövő hullámfront módosítására; A jelenlegi folyadékkristályos szabad formájú optikai elemeket a folyadékkristályos lencsékből ugyanazokkal az optikai mechanizmusokkal bővítették ki. A folyadékkristályos lencsék alkalmazásai közé tartoznak a pikoprojektorok, az előírt lencsék (szemüvegek vagy kontaktlencsék), az okostelefonok kamerája, a kibővített valóság, a virtuális valóság stb.

A folyadékkristályos lézerek külső tükrök helyett folyadékkristályokat használnak a lézeres közegben elosztott visszacsatolási mechanizmusként. A folyadékkristály periodikus dielektromos szerkezete által létrehozott fotonikus sávban történő kibocsátás alacsony küszöbű, nagy teljesítményű eszközt eredményez, stabil monokromatikus kibocsátással.

A polimer diszpergált folyadékkristályos (PDLC) lapok és tekercsek ragasztóval ellátott intelligens filmként kaphatók, amelyeket fel lehet helyezni az ablakokra, és elektromosan át lehet kapcsolni az átlátszó és az átlátszatlan között a magánélet védelme érdekében.

Sok gyakori folyadék, például szappanos víz , valójában folyadékkristály. A szappan a vízben lévő koncentrációjától függően különféle LC fázisokat képez.

A folyadékkristályos fóliák forradalmasították a technológia világát. Jelenleg a legkülönfélébb eszközökben használják, például digitális órákban, mobiltelefonokban, számológépekben és televíziókban. Lehetséges folyadékkristályos filmek használata optikai memóriaeszközökben, a CD -k és DVD -k felvételéhez és olvasásához hasonló eljárással.

Lásd még

Biaxiális nematikus
Oszlopos fázis
LCD besorolás
Folyadékkristályos kijelző -A folyadékkristályok fénymoduláló tulajdonságait használó kijelző
Folyékony kristály szilíciumon
Folyadékkristályos polimer- Rendkívül inaktív, inert és tűzálló polimerek osztálya
Folyadékkristályos hangolható szűrő
Lyotrop folyadékkristály
Mintaalkotás- Tanulmány, hogyan alakulnak ki a minták a természet önszerveződése által
Műanyag kristály
Intelligens üveg
Termokromizmus - Az anyagok tulajdonsága, hogy a hőmérséklet változása miatt színt váltanak
Termotróp kristály
Csavart nematikus mezőhatás
Nematicon
Folyadékkristályos hőmérő
Hangulatgyűrű - Gyűrű, amely termokróm elemet tartalmaz,
Aktív folyadék

Hivatkozások

Külső linkek

"Folyadékkristályok története és tulajdonságai" . Nobelprize.org . A letöltött június 6-, 2009-es .
Az alacsony moláris tömegű és polimer folyadékkristályokra vonatkozó alapvető kifejezések meghatározása (IUPAC ajánlások 2001)
Érthető bevezetés a Case Western Reserve Egyetem folyékony kristályaiba
Folyadékkristály -fizika bemutató a Colorado -i Egyetem Liquid Crystals Group -tól
Liquid Crystals & Photonics Group - Genti Egyetem (Belgium) , jó bemutató
A fény terjedésének szimulációja folyadékkristályokban , szabad program
Folyékony kristályok interaktív online
Folyadékkristály Intézet Kenti Állami Egyetem
A Liquid Crystals Taylor & Francis folyóirata
A Molecular Crystals and Liquid Crystals folyóirat Taylor & Francis
Hot-spot észlelési technikák IC-khez
Mik azok a folyadékkristályok? a svéd Chalmers Műszaki Egyetemről
Folyamat a folyadékkristályos kémiában Tematikus sorozat az Open Access Beilstein Journal of Organic Chemistry című folyóiratban
DoITPoMS tanítási és tanulási csomag- "folyékony kristályok"
Tálkás folyadékkristály a San Jose Állami Egyetemen
A térbeli fénymodulátor fáziskalibrálása

Languages

In other projects