Reja: 1 Suyuq kristallarni kashf etish tarixi

Suyuq kristallar va ularning xususiyatlari
Reja:
1 Suyuq kristallarni kashf etish tarixi
2 Suyuq kristallar. Suyuq kristallar. Liotropik suyuq kristallar
3 Fizik xususiyatlarning anizotropiyasi - suyuq kristallarning asosiy xususiyati

Suyuq kristallar(qisqartirilgan LC) - bu ba'zi moddalar ma'lum sharoitlarda (harorat, bosim, eritmadagi konsentratsiya) o'tadigan fazaviy holat. Suyuq kristallar ikkala suyuqlikning (akışkanlık) va ham kristallarning (anizotropiya) xususiyatlariga ega. Strukturaviy ravishda, LClar bu suyuqlikning butun hajmi davomida ma'lum bir tartibda tartiblangan, cho'zilgan yoki disk shaklidagi molekulalardan tashkil topgan yopishqoq suyuqliklardir. LClarning eng xarakterli xususiyati ularning elektr maydonlari ta'sirida molekulalarning yo'nalishini o'zgartirish qobiliyatidir, bu ularni sanoatda qo'llash uchun keng imkoniyatlar ochadi. Turlari bo'yicha LClar odatda ikkita katta guruhga bo'linadi: nematika va smektika. O'z navbatida nematiklar o'z-nematik va xolesterinli suyuq kristallarga bo'linadi.

Suyuq kristallarni kashf etish tarixi

Suyuq kristallarni 1888 yilda avstriyalik botanik F.Raynitser kashf etgan. U xolesteril benzoat va xolesteril asetat kristallari ikkita erish nuqtasiga va shunga mos ravishda ikki xil suyuq holatga ega ekanligini bulutli va shaffof ekanligini payqadi. Biroq, olimlar ushbu suyuqliklarning g'ayrioddiy xususiyatlariga katta e'tibor berishmadi. Uzoq vaqt davomida fiziklar va kimyogarlar, asosan, suyuq kristallarni tan olmaydilar, chunki ularning mavjudligi materiyaning uchta holati nazariyasini yo'q qildi: qattiq, suyuq va gazsimon. Olimlar suyuq kristallarni kolloid eritmalarga yoki emulsiyalarga bog'lashdi. Ilmiy dalil Karlsrue universiteti professori Otto Lemmann (nemis) tomonidan taqdim etilgan. Otto Lehmann) ko'p yillik izlanishlardan so'ng, lekin 1904 yilda uning "Suyuq kristallar" kitobi paydo bo'lganidan keyin ham kashfiyot ishlatilmadi.

1963 yilda amerikalik J. Fergyuson (ing.). Jeyms fergason) suyuq kristallarning eng muhim xususiyatidan foydalangan - harorat ta'sirida rangni o'zgartirish - ko'zga ko'rinmas termal maydonlarni aniqlash uchun. U ixtirosi uchun patent olganidan so'ng (AQSh Patenti 3 114 836), suyuq kristallarga qiziqish keskin oshdi.

1965 yilda, birinchi xalqaro konferentsiya suyuq kristallarga bag'ishlangan. 1968 yilda amerikalik olimlar axborotni namoyish qilish tizimlari uchun tubdan yangi ko'rsatkichlarni yaratdilar. Ularning ishlash printsipi suyuq kristallarning molekulalari elektr maydonida aylanib, yorug'likni turli yo'llar bilan aks ettirishiga va uzatishga asoslangan. Ekranga lehimlangan o'tkazgichlarga tatbiq etilgan kuchlanish ta'siri ostida unda mikroskopik nuqtalardan iborat tasvir paydo bo'ldi. Va shunga qaramay, faqat 1973 yildan so'ng, Jorj Grey (inglizcha) boshchiligidagi ingliz kimyogarlari guruhi. Jorj Uilyam kulrang) nisbatan arzon va tayyor xomashyodan suyuq kristallarni oldi, bu moddalar turli xil qurilmalarda keng qo'llaniladi.

Suyuq kristallarning turlari

Termotrop LCD , qattiq haroratni isitish natijasida hosil bo'lgan va ma'lum harorat va bosim oralig'ida mavjud.

Lyotropik LCD, bu ma'lum bir moddaning va suvning (yoki boshqa qutbli erituvchilarning) tayoqcha shaklidagi molekulalari aralashmalarida hosil bo'lgan ikki yoki undan ortiq komponentli tizimdir. Ushbu novda shaklidagi molekulalar bir uchida qutb guruhiga ega va tayoqning katta qismi egiluvchan gidrofob uglevodorod zanjiridir. Bunday moddalarga amfifillar deyiladi.

Termotropik LCD-lar uchta katta sinfga bo'linadi:

1, Nematik suyuq kristallar. Ushbu kristallarda molekulalarning tortishish markazlarining joylashishida uzoq masofa tartibi mavjud emas, ular qatlamli tuzilishga ega emas, ularning molekulalari uzoq o'qlari yo'nalishi bo'yicha doimiy ravishda sirg'alib, atrofida aylanadi, lekin shu bilan birga vaqt yo'naltirish tartibini saqlab qoladi: uzun o'qlar bitta ustun yo'nalish bo'yicha yo'naltiriladi. Ular odatdagi suyuqlik kabi harakat qilishadi. Nematik fazalar faqat molekulalari o'ng va chap shakllari o'rtasida farq qilmaydigan moddalarda uchraydi, ularning molekulalari ko'zgu tasviri bilan bir xil (axiral). Nematik yog 'kislotasini hosil qiluvchi moddaning misoli N- (para-metoksibenziliden) -para-butilanilindir.

2, smektik suyuqlik kristallari qatlamli tuzilishga ega, qatlamlar bir-biriga nisbatan harakatlanishi mumkin. Smektik qatlamning qalinligi molekulalarning uzunligi bilan belgilanadi (asosan, parafin "quyruq" uzunligi bilan), shu bilan birga smektikning yopishqoqligi nematniklarga qaraganda ancha yuqori va zichlik normal sirtga qatlam juda katta farq qilishi mumkin. Tereftal bis (para-butilanilin) ​​odatiy hisoblanadi:

3, xolesterin suyuq kristallari - asosan xolesterin va boshqa steroidlar birikmalaridan hosil bo'ladi. Ular nematik LC'lar, lekin ularning uzun o'qlari bir-biriga nisbatan aylantirilib, ular ushbu strukturaning shakllanishining juda past energiyasi (0,01 J / mol bo'yicha) tufayli harorat o'zgarishiga juda sezgir bo'lgan spirallarni hosil qiladi. Oddiy xolesterin sifatida amil-para- (4-siyanobenzilideneamino) - cinnamat

Ushbu turdagi tuzilmalar termotropik suyuqlik kristallari deb ataladi, ularning paydo bo'lishi faqat moddaga issiqlik ta'sirida (isitish yoki sovutish) amalga oshiriladi. Shakl. Suyuq kristallarning uchta tuzilgan modifikatsiyasida novda va disk shaklidagi molekulalarning joylashishi ko'rsatilgan.

LCD xususiyatlari

Suyuq kristal ham suyuq, ham kristalning xususiyatlariga ega:

Oddiy suyuqlik singari, suyuq kristal suyuqlikdir va u joylashtirilgan idish shaklini oladi.

U kristallarga xos xususiyatga ega - kristal hosil qiluvchi molekulalarning fazoda tartiblanishi.

Ularda qattiq kristalli panjara yo'q.

Molekulalarning fazoviy yo'nalishi tartibining mavjudligi

Molekulalarning kristallarga qaraganda ancha murakkab yo'nalish tartibini amalga oshirish.

Suyuq kristalning elastikligi

Optik kuzatuvlar suyuq kristal fazasining xususiyatlari to'g'risida tushunishga va tavsiflashga muhtoj bo'lgan muhim faktlarni taqdim etdi. Kirish qismida aytib o'tilganidek, suyuq kristallarning xususiyatlarini tavsiflashdagi birinchi yutuqlardan biri bu suyuq kristallarning elastikligi nazariyasini yaratishdir. Zamonaviy ko'rinishida, u asosan ingliz olimi F. Frank tomonidan ellikinchi yillarda shakllangan.

Fizik xususiyatlarning anizotropiyasi - suyuq kristallarning asosiy xususiyati

Suyuq kristallarning asosiy tuzilish xususiyati molekulalarning anizotropik shakli tufayli orientatsion tartibning mavjudligi bo'lgani uchun ularning barcha xossalari qandaydir tarzda orientatsion tartiblash darajasi bilan belgilanishi tabiiydir. Kantitativ ravishda suyuq kristalning tartib darajasi V.I. tomonidan kiritilgan tartib S parametri bilan aniqlanadi. Tsvetkov 40-yillarda:

S = 0,5 á (3 cos 2 q - 1) ñ (2)

bu erda q - individual suyuq kristalli molekulaning o'qi va butun ansamblning afzal yo'nalishi orasidagi burchak, rejissyor n tomonidan aniqlanadi (2-rasm) (burchakli qavslar molekulalarning barcha yo'nalishlari bo'yicha o'rtacha qiymatni bildiradi). To'liq tartibsiz izotropik suyuqlik fazasida S = 0 va butunlay qattiq kristallda S = 1. ekanligini tushunish oson, suyuq kristalning tartib parametri 0 dan 1 gacha. Bu orientatsion tartibning mavjudligi suyuq kristallarning barcha fizik xususiyatlarining anizotropiyasini aniqlaydi. Shunday qilib, kalamitli molekulalarning anizotropik shakli ikki sinchkovlik (Dn) va dielektrik anizotropiya (De) ko'rinishini aniqlaydi, ularning qiymatlari quyidagicha ifodalanishi mumkin:

Dn || = n || - n ^ va De || = e || - e ^ (3)

qaerda n || , n ^ va e || , e ^ - rejissyorga nisbatan molekulalarning uzun o'qlarining parallel va perpendikulyar yo'nalishlari uchun o'lchangan navbati bilan sinish ko'rsatkichlari va dielektrik konstantalar. LC birikmalari uchun Dn qiymatlari odatda juda katta va ularning kimyoviy tuzilishiga qarab keng chegaralarda o'zgarib turadi, ba'zan esa 0,3-0,4 darajadagi qiymatlarga etadi. De ning kattaligi va belgisi molekulaning qutblanuvchanligi anizotropiyasi, doimiy dipol momenti m ning kattaligi, shuningdek, dipol momenti yo'nalishi va uzoq molekulyar o'qi orasidagi burchakka bog'liq. Ijobiy va salbiy De qiymatlari bo'lgan ikkita LC birikmasining namunalari quyida keltirilgan:

Suyuq kristalni qizdirish, uning yo'nalish tartibini pasaytirish, Dn va De qiymatlarining monotonik pasayishi bilan birga keladi, shuning uchun L pr fazasining T pr da yo'qolish nuqtasida xossalarning anizotropiyasi butunlay yo'qoladi.

Shu bilan birga, bu suyuq kristalning barcha fizik xususiyatlarining anizotropiyasi, bu birikmalarning past yopishqoqligi bilan birgalikda, ularning molekulalarining yo'nalishi (va yo'nalishi) kichikligi ta'sirida yuqori qulaylik va samaradorlikka imkon beradi. "bezovta qiluvchi" omillar (elektr va magnit maydonlar, mexanik kuchlanish), ularning tuzilishi va xususiyatlarini sezilarli darajada o'zgartiradi. Shuning uchun suyuq kristallar almashtirib bo'lmaydigan elektro-optik faol vositalar bo'lib chiqdi, buning asosida LCD indikatorlari deb nomlangan yangi avlod yaratildi.

Suyuq kristallarni qanday boshqarish kerak

Har qanday LCD indikatorining asosi deb nomlangan elektro-optik xujayra bo'lib, uning moslamasi shakl. 5. Shaffof bilan qoplangan ikkita tekis shisha plastinka amalga oshirish elektrodlar vazifasini bajaradigan qalay oksidi yoki indiy oksidi qatlami o'tkazmaydigan materialdan (polietilen, teflon) yupqa qistirmalari bilan ajralib turadi. Plitalar orasidagi bo'shliq 5 dan 50 um gacha (hujayraning maqsadiga qarab) suyuq kristal bilan to'ldiriladi va perimetr bo'ylab butun "sendvich" strukturasi plomba yoki boshqa izolyatsiya materiallari bilan "muhrlanadi" (5-rasm). Shu tarzda olingan xujayrani elektr maydon ta'sirida molekulyar orientatsiya ta'sirini kuzatish uchun polarizatsiya tekisliklari ma'lum bir burchak hosil qiladigan ikkita juda yupqa plyonkali polarizatorlar orasiga joylashtirish mumkin. Nisbatan past yopishqoqligi va ingichka LCD qatlamiga hatto kichik elektr kuchlanishini (1,5-3 V) qo'llash ichki ishqalanish anizotrop suyuqlik suyuqlik kristalining yo'nalishini o'zgartirishga olib keladi. Shuni ta'kidlash kerakki, elektr maydoni alohida molekulalarga emas, balki o'n minglab molekulalardan iborat molekulalarning yo'naltirilgan guruhlariga (to'dalar yoki domenlar) ta'sir qiladi, natijada elektrostatik ta'sir o'tkazish energiyasi energiyadan sezilarli darajada oshadi. molekulalarning issiqlik harakati. Natijada, suyuq kristal maksimal dielektrik sobit yo'nalishi elektr maydonining yo'nalishiga to'g'ri keladigan tarzda burilishga intiladi. Ikkala sinish Dn ning katta qiymati tufayli orientatsiya jarayoni suyuq kristalning tuzilishi va optik xususiyatlarining keskin o'zgarishiga olib keladi.

Suyuq kristallarga elektr va magnit maydonlarining ta'sirini birinchi bo'lib rus fizigi V.K. Frederikz va ularning yo'nalish jarayonlari Frederikzning elektro-optik o'tishlari (yoki effektlari) deb ataladi. Uchta eng keng tarqalgan molekulyar yo'nalishlardan biri shakl. 5.a. Salbiy dielektrik anizotropiya bilan nematiklarga xos bo'lgan etoplanar yo'nalish (De< 0), koгдa длинныe ocи moлekyл пapaллeльны cтekлянныm пoвepхнocтяm ячeйkи.

. "Sendvich" tipidagi elektro-optik hujayra (a) molekulalarining tekis yo'naltirilganligi va hujayrada suyuq kristalli molekulalarning joylashish sxemalari: b - gomeotropik va c - burilish yo'nalishi. 1 - suyuq kristalli qatlam. 2 - shisha plitalar, 3 - Supero'tkazuvchilar qatlam, 4 - dielektrik ajratgich, 5 - polarizator, 6 - elektr kuchlanish manbai.

Gomeotropik yo'nalish musbat dielektrik anizotropiya (De> 0) bo'lgan suyuq kristallar uchun amalga oshiriladi (5b-rasm). Bu holda uzunlamasına dipol momentiga ega molekulalarning uzun o'qlari hujayra yuzasiga perpendikulyar maydon yo'nalishi bo'ylab joylashgan. Va nihoyat, molekulalarning burilish yoki burilish yo'nalishi mumkin (5-rasm, s). Ushbu yo'nalishga molekulalarning uzun o'qlari elektro-optik xujayraning pastki oynasidan yuqori stakanigacha yo'nalgan shisha plitalarni maxsus qayta ishlash orqali erishiladi. Bunga odatda ko'zoynakni turli yo'nalishlarda silamoq yoki molekulyar yo'nalishni belgilaydigan maxsus yo'naltiruvchi moddalar yordamida erishiladi.

Har qanday LC indikatorining ishlashi kuchsiz elektr maydoni qo'llanilganda paydo bo'ladigan molekulyar yo'nalishlarning ko'rsatilgan turlari orasidagi tizimli qayta tuzilishlarga asoslanadi. Masalan, LCD elektron soat yuzi qanday ishlashini ko'rib chiqing. Terish allaqachon tanish bo'lgan elektro-optik kameraga asoslangan, garchi biroz to'ldirilgan bo'lsa ham (6-rasm, a, b). Depozitlangan elektrodli ko'zoynaklardan tashqari, qutblanish tekisliklari qarama-qarshi bo'lgan, lekin elektrodlardagi molekulalarning uzun o'qlari yo'nalishiga to'g'ri keladigan ikkita polarizator, pastki qutblantiruvchi ostida joylashgan oyna qo'shilgan (rasmda ko'rsatilmagan) ). Odatda pastki elektrod qattiq holga keltiriladi, yuqori qismi esa ettita kichik segment-elektrodlardan iborat bo'lib, ular yordamida istalgan raqam yoki harfni tasvirlashingiz mumkin (6-rasm, s). Har bir bunday segment elektr energiyasi bilan "quvvatlanadi" va miniatyura generatoridan oldindan belgilangan dasturga muvofiq yoqiladi. Nematikning dastlabki yo'nalishi o'ralgan, ya'ni biz molekulalarning burilish yo'nalishi deb ataladigan narsalarga egamiz (5-rasm, c va 6, a-rasmlarga qarang). Yorug'lik yuqori qutblanuvchiga tushadi va uning qutblanishiga ko'ra tekis qutblangan bo'ladi.

Guruch. 6 LCD ko'rsatkichining burilish effekti bo'yicha ishlash sxemasi: a - elektr maydonini yoqishdan oldin, b - maydonni yoqishdan keyin, c - elektr maydon tomonidan boshqariladigan etti segmentli alfanumerik elektrod.

Elektr maydoni bo'lmagan taqdirda (ya'ni yopiq holatda) yorug'lik nematning burilish yo'nalishini kuzatib, o'z yo'nalishini nematikaning optik o'qiga mos ravishda o'zgartiradi va chiqishda bir xil yo'nalishga ega bo'ladi. pastki polarizator sifatida polarizatsiya (6-rasmga qarang, lekin). Boshqacha qilib aytganda, yorug'lik oynadan sakrab chiqadi va biz yorug'lik fonini ko'ramiz. Musbat dielektrik anizotropiya (De> 0) bo'lgan nematik suyuq kristal uchun elektr maydoni yoqilganda, burama burilish yo'nalishidan molekulalarning gomeotropik yo'nalishiga o'tish sodir bo'ladi, ya'ni molekulalarning uzun o'qlari aylanadi elektrodlarga perpendikulyar yo'nalish va spiral struktura qulab tushadi (6-rasm, b). Endi yorug'lik, ustki polarizatorning polarizatsiyasiga to'g'ri keladigan dastlabki polarizatsiya yo'nalishini o'zgartirmasdan, pastki polaroidga qarama-qarshi polarizatsiya yo'nalishiga ega bo'ladi va ular rasmda ko'rinib turganidek. 6, b, o'zaro faoliyat holatidadir. Bunday holda, yorug'lik oynaga etib bormaydi va biz qorong'i fonni ko'ramiz. Boshqacha qilib aytganda, maydonni o'z ichiga olgan holda, masalan, oddiy etti segmentli elektrodlar tizimidan foydalanib, yorug'lik fonida har qanday quyuq belgilarni (harflar, raqamlar) chizishingiz mumkin (6-rasm, s).

Har qanday LCD ko'rsatkichi shu tarzda ishlaydi. Ushbu ko'rsatkichlarning asosiy afzalliklari past nazorat kuchlanishlari (1,5-5 V), kam quvvat sarfi (1-10 mVt), tasvirning yuqori kontrasti, har qanday elektron sxemalarga qo'shilish qulayligi, ishlashdagi ishonchlilik va nisbatan arzonlikdir.

Xulosa

Shunday qilib, suyuq kristallar suyuqliklar (akışkanlık) va kristal jismlarning xususiyatlarini (anizotropiya) birlashtirgan ikkilik xususiyatlarga ega. Ularning xatti-harakatlarini odatdagi usullar va tushunchalar yordamida tasvirlash har doim ham mumkin emas. Ammo aynan shu narsada ularning jozibadorligi noma'lum narsalarni o'rganishga intilayotgan tadqiqotchilarga tegishli.

So'nggi paytlarda suyuq kristalli polimerlar kashf qilindi va intensiv ravishda o'rganilmoqda, polimer LC ferroelektriklari paydo bo'ldi va yangi turdagi mezofazalarni hosil qiluvchi egiluvchan zanjirli organoelement va tarkibidagi metall tarkibidagi LC birikmalari faol o'rganilmoqda. Suyuq kristallar dunyosi cheksiz katta va tabiiy va sintetik narsalarning eng keng doirasini qamrab oladi, nafaqat olimlar - fiziklar, kimyogarlar va biologlar, balki zamonaviy texnologiyalarning turli sohalarida (elektronika, optoelektronika, informatika, golografiya va boshqalar) NS.).

Organik materiallar zamonaviy mikro va optoelektronikaga tobora ko'proq kirib bormoqda. Litografiya jarayonida ishlatiladigan foto- va elektron qarshiliklarni, organik bo'yoq lazerlari va polimer ferroelektr plyonkalarini eslatib o'tish kifoya. Ushbu tendentsiyani tasdiqlovchi klassik misollardan biri suyuq kristallardir.

Bugungi kunda nematik suyuq kristallarning kommutatsiyasi uchun energiya sarfi bo'yicha boshqa elektro-optik materiallar orasida raqobatchilar yo'q. Suyuq kristalning optik xususiyatlari mikroto'lqinli diapazonda quvvat ishlatib to'g'ridan-to'g'ri mikrosxemalardan boshqarilishi mumkin. Bu suyuq kristallarning strukturaviy xususiyatlarining bevosita natijasidir.

Soatlar, kalkulyatorlar, elektron tarjimonlar yoki LCD tekis ekranli televizorlar displeyida xuddi shu asosiy jarayon sodir bo'ladi. Dielektrik konstantaning katta anizotropiyasi tufayli ancha kuchsiz elektr maydoni rejissyorga ta'sir qiladigan sezilarli aylanish momentini hosil qiladi (bunday moment izotropik suyuqlikda paydo bo'lmaydi). Past viskozite tufayli, bu moment rejissyorning yo'nalishini o'zgartirishga olib keladi (optik o'q), bu qattiq holatda bo'lmaydi. Va nihoyat, bu aylanish suyuq kristalning optik xususiyatlarining anizotropiyasi tufayli uning optik xususiyatlarining o'zgarishiga olib keladi (juftlik, dikroizm). Ma'lumotni yodlash zarur bo'lgan hollarda, masalan, lazer nurlari bilan yozib olishda smektik faza A ning o'ziga xos viskoelastik xususiyatlari qo'llaniladi.Xotiraga ega optoelektronik qurilmalar uchun suyuq kristalli polimerlar ham juda istiqbollidir.

Xolesterik suyuqlik kristallarining spiral tuzilishi balandligining haroratga yuqori sezgirligi tibbiy diagnostikada qo'llaniladi. Ushbu struktura bilan difraksiyalangan oq yorug'lik spektrga ajraladi va tana yuzasi haroratining mahalliy o'zgarishini kamalak ranglari bilan aniqlash mumkin .. Xuddi shu usul turli xil isitish moslamalari yuzasini buzilmasdan sinash texnikasida ham qo'llaniladi. . Shunday qilib, bu erda suyuq kristallarning ko'zgu-assimetrik fazasining modulyatsiyalangan (spiral) tuzilishining xususiyatlari qo'llaniladi.

Lineer suyuq kristalli polimerlarning eritmalari bo'lgan lyotropik fazalar yuqori quvvatli to'liq o'lchovli tolalar texnologiyasida qo'llaniladi. Filamanni buyurtma qilingan fazadan tortib olish uning kuchini oshiradi. Kimyoviy texnologiyada suyuq kristalli fazalarni qo'llashning yana bir misoli og'ir neft fraktsiyalaridan yuqori sifatli koks ishlab chiqarishdir. Ikkala holatda ham, birinchisida chiziqli va ikkinchi misolda disk shaklidagi molekulalarning tizimli tartiblanish xususiyatlari hal qiluvchi rol o'ynaydi.

Suyuq kristallarning strukturaviy tashkilotini (shu jumladan o'z-o'zidan qutblanishni) va polimer materiallarining mexanik xususiyatlarini birlashtirgan taroqsimon suyuq kristalli polimerlar asosida anizotropik optik elementlarni, shuningdek piro, piezoelektrik datchiklarni va chiziqli bo'lmagan optik materiallarni yaratish imkoniyatlari , ayniqsa ta'kidlash kerak.