Введение
Необычное сочетание слов "жидкие кристаллы", вероятно, многим уже знакомо, хотя далеко не все себе представляют, что же стоит за этим странным и, казалось бы, противоречивым понятием.

Жидкие кристаллы обладают двойственными свойствами, сочетая в себе свойство жидкостей (текучесть) и свойство кристаллических тел (анизотропию). Их поведение не всегда удается описать с помощью привычных методов и понятий. Но именно в этом и заключена их привлекательность для исследователей, стремящихся познать еще неизведанное.

В то же время, вероятно, каждый второй (ну, может быть третий!) человек носит при себе жидкокристаллические (ЖК) индикаторы и по несколько десятков раз в день посматривает на свои электронные часы.

ЖК-циферблат которых аккуратно отсчитывает часы, минуты, секунды, а иногда и доли секунд. Именно ЖК-индикаторы являются основой современных калькуляторов, портативных компьютеров "Notebooks", миниатюрных плоских экранов телевизоров, словарей-переводчиков, пейджеров и многих других современных электронных технических и бытовых приборов и устройств.

Мировое производство ЖК-индикаторов и дисплеев исчисляется миллиардами, и по прогнозам будет увеличиваться и дальше. Уже сейчас без преувеличения можно сказать, что прогресс и развитие ряда отраслей науки и техники немыслимы без развития исследований в области жидких кристаллов. Не меньший интерес представляют собой жидкие кристаллы с точки зрения биологии и процессов жизнедеятельности. Функционирование клеточных мембран и ДНК, передача нервных импульсов, работа мышц, формирование атеросклеротических бляшек – вот далеко неполный перечень процессов, протекающих в ЖК-фазе, с присущими этой фазе особенностями – склонностью к самоорганизации и сохранении высокой молекулярной подвижности.

Мир жидких кристаллов бесконечно велик и охватывает широчайший круг природных и синтетических объектов, привлекая внимание не только ученых – физиков, химиков и биологов, но и исследователей-практиков, работающих в самых разнообразных отраслях современной техники.

Цель индивидуального проекта – исследование физические свойства жидких кристаллов, описание видов жидких кристаллов, получение жидких кристаллов, сравнение жидких кристаллов, применение жидких кристаллов.

Сходя из поставленной цели при написании работы нужно решить следующие задачи:

1. 
   изучить историю открытия жидких кристаллов;
   
2. 
   проанализировать типы жидких кристаллов;
   
3. 
   рассмотреть области применения жидких кристаллов.
   

Предмет исследования – жидкие кристаллы, объект исследования – физические свойства жидких кристаллов.

1. 
   ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ
   

Со времени открытия жидких кристаллов прошло более 100 лет. Впервые их обнаружил австрийский ботаник Фридрих Рейнитцер, наблюдая две точки плавления сложного эфира холестерина – холестерилбензоата

Первое ЖК-соединение – холестерилбензоат и диаграмма, иллюстрирующая температурную область существования ЖК-фазы.

При температуре плавления (Tпл), 1450C, кристаллическое вещество превращалось в мутную, сильно рассеивающую свет жидкость, которая при 1790C становилась прозрачной. В отличии от точки плавления температуру, при которой происходило просветление образца, Рейнитцер назвал точкой просветления (Tпр).

Пораженный этим необычайным явление, свидетельствующим как будто о двойном плавлении, Рейнитцер отправил свои препараты немецкому кристаллографу Отто Леману с просьбой помочь разобраться в странном поведении холестерилбенозоата. Исследуя их при помощи поляризационного микроскопа, Леман установил, что мутная фаза, наблюдаемая Рейнитцером, является анизотропной. Поскольку свойства анизотропии присуще твердому кристаллу, а вещество в мутной фазе было жидким, Леман назвал его жидким кристаллом¹.

С тех пор вещества, способные в определенном температурном интервале выше точки плавления сочетать одновременно свойства жидкостей (текучесть, способность к образованию капель) и свойства кристаллических тел (анизотропии), стали называться жидкими кристаллами или жидкокристаллическими. ЖК-вещества часто называют мезоморфными, а образуемую ими ЖК-фазу – мезофазой (от греч. "мезос" – промежуточный).

Такое состояние является термодинамическим стабильным фазовым состоянием и по праву на ряду с твердым, жидким и газообразным может рассматриваться как четвертое состояние вещества.

Однако понимание природы ЖК-состояния веществ установление и исследование их структурной организации приходит значительно позднее. Серьезное недоверие к самому факту существования таких необычных соединений в 20 – 30-х годах сменилось их активным исследованием. Работы Д. Форлендера в Германии во многом способствовали синтезу новых ЖК-соединений. Достаточно сказать, что под его руководством было выполнено 85 диссертаций по жидким кристаллам.

Французский ученый Ж. Фридель предложил первую классификацию жидких кристаллов, голландец С. Озеен и чех Х. Цохер создали теорию упругости, русские ученые В.К. Фредерикс и В.Н. Цветков в СССР в 30-х годах впервые исследовали поведение жидких кристаллов в электрических и магнитных полях. Однако то 60-х годов изучение жидких кристаллов не представляло существенного практического интереса, и все научные исследования имели достаточно ограниченный, чисто академический интерес.

Ситуация резко изменилась в середине 60-х годов, когда в связи с бурным развитием микроэлектроники и микроминиатюризации приборов потребовались вещества, способные отражать и передавать информацию, потребляя при этом минимум энергии. И вот здесь на помощь пришли жидкие кристаллы, двойственный характер которых (анизотропия свойств и высокая молекулярная подвижность) позволили создать управляемые внешним электрическим полем быстродействующие и экономичные ЖК-индикаторы, являющиеся по существу основным элементом многомиллионной "армии" часов, калькуляторов, плоских экранов телевизоров и т. д.

Жидкокристаллический бум, в свою очередь, стимулировал активную научную деятельность, созывались международные симпозиумы и конференции по жидким кристаллам.

2. 
   СТРУКТУРА И КЛАССИФИКАЦИЯ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ
   

Наряду с термином «жидкие кристаллы» для названия вновь открытого состояния материи на протяжении многих лет употребляют и другие термины: текучие кристаллы, мезоморфное состояние либо паракристаллы. Однако чаще всего наряду с термином жидкий кристалл применяется название анизотропная жидкость, а чтобы более детально подчеркнуть тип жидкого кристалла, употребляют следующие термины: нематическаяу смектическая или холестерическая жидкости.



Рис. 1 Различие молекул ЖК
Жидкие кристаллы получают не только плавлением, но и растворением некоторых твердокристаллических тел. С увеличением концентрации раствор вначале дает смектическую, затем нематическую и изотропную жидкости. Однако некоторые вещества в соответствующем растворителе дают кристаллы только одного типа, например холестерические жидкие кристаллы. Полученные таким способом кристаллы называются лиотропными, в отличие от термотропных кристаллов, полученных плавлением твердого вещества².

Классификация жидких кристаллов предложена Леманном, затем расширена Фриделем. По этой классификации выделяются три типа или группы жидких кристаллов: смектические, нематические и холестерические. Жидкие кристаллы, входящие в каждую из этих групп, различаются физическими, и, прежде всего, оптическими свойствами. Это отличие следует из их структурного различия.

Смектическое мезоморфное состояние впервые наблюдалось в мылах (отсюда и название «смегма» — по-гречески мыло). В таких кристаллах вытянутые молекулы в форме сигар или веретен расположены параллельно своими длинными осями и образуют слои одинаковой толщины, близкой длине молекул. Эти, так называемые смектические слои лежат один над другим на одинаковом расстоянии (рисунок 1). Молекулярные слои в типичных смектических жидких кристаллах подвижны, легко перемещаются параллельно друг другу. Температура фазового перехода в мезоморфное состояние достаточно высока. Она должна быть такой, чтобы нарушить связь между рядами, но не нарушить связь между молекулами, расположенными на близком расстоянии. Если связь между молекулами в отдельном слое частично нарушена, то вещество в пределах, слоя ведет себя как двумерная жидкость. По мере снижения температуры упорядочение в слоях увеличивается, а при достаточно низких температурах наблюдается упорядочение не только молекул в слоях, но и самих слоев и соответственно их взаимное прилегание. При дальнейшем понижении температуры появляется кристаллическая структура, т. е. может образоваться твердый кристалл с простейшей молекулярной структурой³.

Хорошо известным примером лиотропного смектического двойного слоя являются пленки мыльных пузырей. Внутренние и внешние поверхности пленок и есть, собственно, смектические слои, разделенные в пузырях водной прослойкой. Смектические жидкие кристаллы часто называют смектиками.

В некоторых жидких кристаллах можно наблюдать под микроскопом наличие микроструктур в виде нитей, концы которых либо свободны, либо связаны со стенкой емкости, в которой находится изучаемое вещество. Такие вещества относятся к группе нематических жидких кристаллов («нема» — по гречески нить). Ориентация осей молекул в этих кристаллах параллельна, однако они не образуют отдельные слои. Длинные оси молекул лежат вдоль линий, параллельных определенному направлению, а их центры размещены хаотично (рисунок 1). Нематические жидкие кристаллы называются также нематиками.

Третью группу жидких кристаллов, различающихся своими физическими и, прежде всего, оптическими свойствами, составляют холестерические жидкие кристаллы — холестерики. К ним относятся, главным образом, производные холестерина. Сам холестерин не дает мезофазы. В холестерических жидких кристаллах молекулы расположены в слоях, как и в смектиках, однако длинные оси молекул параллельны плоскости слоев, а их расположение в пределах слоя напоминает скорее нематик. Слои в холестерических жидких кристаллах тонкие, мономолекулярные. Каждая молекула имеет плоскую конфигурацию и боковую метильную СНз-группу, расположенную над или под плоскостью. При такой конфигурации атомов в молекулах следует, что направление ориентации длинных осей молекул в каждом последующем слое отклонено на примерно 15 угловых минут по сравнению с предыдущим слоем. Эти отклонения суммируются по всей толщине вещества, что приводит к образованию спиральной молекулярной структуры холестерического жидкого кристалла.

Некоторые из упомянутых веществ могут поочередно находиться в двух мезоморфных фазах: холестерической и смектической или нематической и смектической. Индивидуальных соединений, дающих нематическую и холестерическую фазы, не обнаружено.

Термотропные жидкие кристаллы

По номенклатуре, предложенной впервые Фриделем, термотропные жидкие кристаллы разделяют на три обширных класса: нематический, холестерический и смектический.

Нематический жидкий кристалл имеет высокую степень - дальнего ориентационного порядка, однако не имеет дальнего трансляционного порядка. Таким образом, в отличие от изотропной жидкости, его молекулы длинными осями спонтанно ориентированы приблизительно параллельно друг другу.

Направление преимущественной ориентации в среде обычно меняется от точки к точке, но если ориентация в образце однородна, то он оптически одноосен и обладает сильным, положительным двулучепреломлением.

Текучесть мезофазы обусловлена легкостью, с которой одни молекулы скользят относительно других, сохраняя параллельную ориентацию.

Сравнительно недавно в работах по рассеянию рентгеновских лучей было обнаружено, что некоторые нематики состоят из кластеров, содержащих около 102 молекул, так называемых циботаксических групп, причем группы упакованы в слои. В обычных нематиках циботаксические группы, если они там существуют, настолько малы, что не могут быть зарегистрированы методами рассеяния рентгеновских лучей.

Холестерическая мезофаза также является нематическим типом жидкого кристалла, с тем различием, что она состоит из оптически активных молекул. Как следствие этого, структура имеет винтовую ось симметрии, расположенную нормально к направлению предпочтительной ориентации молекул. Молекулы, не обладающие оптической активностью, или рацемические смеси, образуют пространственную спираль с бесконечно большим шагом, что соответствует истинному нематику. Термодинамически холестерик весьма сходен с нематиком, поскольку энергия закручивания составляет лишь малую часть (

10ˉ⁵) общей энергии, связанной с параллельной упаковкой молекул. Хорошей иллюстрацией этого является тот факт, что при добавлении небольшого количества холестерина или даже немезоморфного оптически активного вещества в нематик смесь приобретает винтовую конфигурацию. Спиральная упаковка молекул в этой мезофазе — причина ее уникальных оптических свойств, а именно селективного отражения циркулярно поляризованного света и оптической активности, в тысячи раз превышающей величину, известную для обычных оптически активных веществ.

---

Смектические жидкие кристаллы имеют слоистую структуру, однако возможны различные типы упаковок молекул в слои. В смектике А молекулы в каждом слое расположены перпендикулярно плоскости слоя, в то же время их центры распределены нерегулярно, как в жидкости .

Толщина слоя близка к длине свободной молекулы. Притяжение между слоями достаточно слабое по сравнению с поперечными силами, действующими между молекулами, и вследствие этого слои способны скользить относительно друг друга довольно легко. Таким образом, эта фаза имеет жидкостные свойства, хотя, как правило, обладает значительно большей вязкостью, чем нематическая мезофаза. Смектик В отличается от А тем, что центры молекул в каждом слое имеют гексагональную плотную упаковку.

Смектик С - это наклонная форма смектика А, т. е. молекулы наклонены относительно слоев (рисунок 6, б). Если в дополнение к наклону имеет место упорядоченность в каждом слое, то фазу обозначают через Вс.

Лиотропные жидкие кристаллы

Лиотропные жидкие кристаллы образованы из двух или более компонентов. Обычно один из компонентов - амфифил (содержащий ядро - полярную головную группу, которая присоединена к одной или нескольким длинным цепям углеводородов), другой компонент - вода. Широко известный пример такой системы - мыло (додецилсульфат натрия) в воде. С увеличением концентрации воды возникает несколько мезофаз⁴.

В ламеллярной фазе вода заполняет пространство между полярными группами соседних слоев, а углеводородные хвосты, имеющие неупорядоченную концентрацию типа жидкости, находятся в неполярном окружении. В кубической, или изотропновязкой, фазе плоские слои изгибаются и образуют сферические структурные единицы, причем полярные головки молекул расположены на поверхности сферы, а углеводородные цепи находятся внутри ее. При упаковке сфер получается пространственная кубическая объемноцентрированная решетка, а вода занимает пространство между отдельными сферами. В гексагональной, или средней, фазе слои свернуты в цилиндры. Цилиндрические структурные единицы неопределенной длины располагаются параллельно друг другу, образуя гексагональную упаковку (рисунок 8). В некоторых системах мыл наблюдался также нематический порядок упаковки. Вероятно, существует цилиндрическая сверхструктура, сходная с гексагональной кристаллической фазой, однако убедительных доказательств этого факта пока не приведено.

---

В смесях, богатых гидрофобными компонентами, например в системе аэрозоль ОТ - вода, могут появляться обращенная средняя или обращенная изотропновязкая фазы, в которых концевые углеводородные группы обращены в сторону гидрофобной среды, тогда как вода заключена в ядре.

Две мезофазы могут сосуществовать в узких интервалах температур и концентраций. Для большого числа бинарных систем были построены фазовые диаграммы. При соответствующих температурах для любой из мезофаз могут быть реализованы переходы непосредственно в изотропный раствор. Трехкомпонентные системы и системы с большим числом компонентов в сущности обнаруживают структуры тех же типов, но, конечно, фазовые диаграммы этих систем гораздо сложнее.

Холестерические жидкие кристаллы образуются при растворении синтетических полипептидов, например поли-ɣ-бензил-L-глутамата, в органических жидкостях, когда концентрация превосходит некоторую критическую величину.

Лиотропные жидкие кристаллы широко встречаются в природе, в частности в живых системах.

Название жидкие кристаллы одновременно интригует и озадачивает. Оно кажется внутренне противоречивым, но в действительности введено для того, чтобы описать свойства определенного состояния вещества. Жидкий кристалл можно представить как конденсированную жидкость, обладающую спонтанной анизотропией.

Жидкокристаллическое состояние - это состояние, в котором веществу одновременно присущи свойства и жидкости, и твердого тела и в котором многие свойства являются промежуточными между свойствами жидкости и кристалла. В жидких кристаллах дальний порядок (как в кристалле) сочетается со способностью образовывать капли и течь (как у воды и подобных ей жидкостей). Некоторые свойства, характерные для жидких кристаллов, отсутствуют как у жидкостей, так и у твердых тел. К таким свойствам относятся: 1) способность образовывать «монокристаллы» во внешнем магнитном и/или электрическом поле; 2) гораздо более высокая, чем у жидкостей или твердых тел, оптическая активность (холестерические жидкие кристаллы); 3) чувствительность холестериков к температуре, проявляющаяся в изменении цвета. При нагревании твердого тела и переходе его в жидкое кристаллическое состояние вещество становится мутным, двулучепреломляющим и жидким, причем его консистенция у разных соединений меняется от консистенции пасты до консистенции невязкой жидкости. При дальнейшем нагревании эта мутная анизотропная жидкость превращается в изотропную (оптические свойства которой не зависят от направления).

---

3. 
   ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ
   

Расположение молекул в жидких кристаллах изменяется под действием таких факторов, как температура, давление, электрические и магнитные поля; изменения же расположения молекул приводят к изменению оптических свойств, таких, как цвет, прозрачность и способность к вращению плоскости поляризации проходящего света. (У холестерически-нематических жидких кристаллов эта способность очень велика.) На всем этом основаны многочисленные применения жидких кристаллов. Например, зависимость цвета от температуры используется для медицинской диагностики. Нанося на тело пациента некоторые жидкокристаллические материалы, врач может легко выявлять затронутые болезнью ткани по изменению цвета в тех местах, где эти ткани выделяют повышенные количества тепла. Температурная зависимость цвета позволяет также контролировать качество изделий без их разрушения. Если металлическое изделие нагревать, то его внутренний дефект изменит распределение температуры на поверхности. Эти дефекты выявляются по изменению цвета нанесенного на поверхность жидкокристаллического материала.

Тонкие пленки жидких кристаллов, заключенные между стеклами или листками пластмассы, нашли широкое применение в качестве индикаторных устройств (прикладывая низковольтные электрические поля к разным частям соответствующим образом выбранной пленки, можно получать видимые глазом фигуры, образованные, например, прозрачными и непрозрачными участками). Жидкие кристаллы широко применяются в производстве наручных часов и небольших калькуляторов. Создаются плоские телевизоры с тонким жидкокристаллическим экраном. Сравнительно недавно было получено углеродное и полимерное волокно на основе жидкокристаллических матриц.

Одно из важных направлений использования жидких кристаллов – термография. Подбирая состав жидкокристаллического вещества, создают индикаторы для разных диапазонов температуры и для различных конструкций. Например, жидкие кристаллы в виде плёнки наносят на транзисторы, интегральные схемы и печатные платы электронных схем. Неисправные элементы – сильно нагретые или холодные, неработающие – сразу заметны по ярким цветовым пятнам. Новые возможности получили врачи: жидкокристаллический индикатор на коже больного быстро диагностирует скрытое воспаление и даже опухоль

---

⁵.

С помощью жидких кристаллов обнаруживают пары вредных химических соединений и опасные для здоровья человека гамма- и ультрафиолетовое излучения. На основе жидких кристаллов созданы измерители давления, детекторы ультразвука. Но самая многообещающая область применения жидкокристаллических веществ – информационная техника. От первых индикаторов, знакомых всем по электронным часам, до цветных телевизоров с жидкокристаллическим экраном размером с почтовую открытку прошло лишь несколько лет. Такие телевизоры дают изображение весьма высокого качества, потребляя ничтожное количество энергии от малогабаритного аккумулятора или батарейки.

В дисплеях, сделанных по технологии TN+Film, жидкие кристаллы выравниваются перпендикулярно подложке, так же, как и в обычных TFT- дисплеях. Плёнка на верхней поверхности позволяет увеличить угол обзора.

С технической точки зрения решение TN+Film является наиболее простым для реализации. Производители плоскопанельных дисплеев используют относительно старую технологию TFT (Twisted Nematic), который мы уже описывали в Части

Специальная плёнка наносится на верхнюю поверхность панели, при этом угол обзора по горизонтали увеличивается от 90° до 140°. Однако плохая контрастность и низкое время реакции остаются неизменными. Метод TN+Film не является наилучшим решением, но это несомненно самый дешёвый метод, т.к. при этом производственный выход наиболее высок (примерно равен выходу обычных ЖК-дисплеев).

При подаче напряжения молекулы выравниваются параллельно подложке.

IPS или "In-Plane Switching" изначально была разработана фирмой Hitachi, однако такие фирмы, как NEC и Nokia в настоящее время также используют данную технологию. Различие по отношению к обычным ЖК-дисплеям (TN или TN+Film) состоит в том, что молекулы жидких кристаллов выравниваются параллельно подложке.

Эта технология позволяет достичь прекрасных значений угла обзора – до 170°, примерно таких же, как у ЭЛТ-мониторов. Однако эта технология также имеет недостаток: из-за параллельного выравнивания жидких кристаллов электроды могут не разместиться на стеклянных поверхностях, как в случае с ЖК- дисплеями с закрученными кристаллами. Вместо этого они должны быть выполнены в виде гребёнки на нижней стеклянной поверхности. Это в конце концов приводит к снижению контрастности и тогда требуется более интенсивная подсветка для увеличения яркости до требуемого уровня. Время реакции и контрастность вряд ли могут быть увеличены по сравнению с обычными TFT-дисплеями.

---

Смотрите также файлы

• 1. Способность субъекта приобретать свои права и обязанности административноправового характера и осуществлять действия в соответствии с ними это административная.doc

• Решение здания 12 4 Конструктивное решение здания 12 5 Инженерное оборудование 14.doc

• Занятие 7 Тема Выявление специальных технических средств, предназначенных для негласного получения информации, с помощью рентгеновских аппаратов.docx

• Формат доклада на ежедневных утренних селекторных совещаниях Общества в период особого режима работы по охране труда и промышленной безопасности.docx

• Гарантии социального обеспечения.docx