Течни кристали


Категория на документа: Други


Бургаски свободен университет
Център по информатика и технически науки

Материалознание

Реферат на тема: Течни кристали

Изготвил: ..............

Факултетен № 576457456

Специалност КСТ 1

11.12.2008г.


Преподавател:..............
Гр.Бургас


/доц. д-р. С.Лецковска/
По физическите си свойства течните кристали заемат междинно положение между течностите и твърдите вещества в кристална форма. Като всяка течност, те заемат формата на съда, в който са поставени и текат подобно на обикновена вискозна течност. Заедно с това, те притежават свойства, характерни за кристалите - в строежа им се наблюдава частична подреденост. Това не е порядъкът на кристалната решетка, но той влияе съществено върху свойствата на веществата в това състояние. Течните кристали се изследват с методи на хидродинамиката, еластометрията, оптиката, рентгеноструктурния анализ, ядрения магнитен резонанс и др. Съществуват три основни типа течни кристали, в зависимост от формата на молекулите и подреждането им: нематични, смектични и холестерични. Тези типове се отнасят за т.н. термотропни течни кристали, които се образуват при топлинно въздействие на веществото - нагряване или охлаждане.

Фиг.1 Видове термотропни течни кристали: а)смектични, б)нематични, в)холестерични

Смектичните течни кристали са най-близки до истинските кристали.Молекулите им са разположени в слоеве, отстоящи на фиксирано разстояние един от друг. При това дългите оси на молекулите във всеки слой може да се ориентират както перпендикулярно на слоя, така и под някакъв ъгъл. Преобладаващото направление на ориентация на осите се нарича директор (означен с вектора ). Вътре във всеки слой центровете на масите на молекулите са хаотично разположени, наподобявайки "двумерна течност". Взаимодействието между молекулите вътре в един слой е много по-силно, отколкото между молекулите от два съседни слоя. Това води до слабо сцепление между слоевете и те могат лесно да се плъзгат един спрямо друг, с което напомнят сапун, откъдето идва и наименованието на групата.

Нематичните (нишковидни) течни кристали се характеризират с едномерна ориентация. Дългите оси на молекулите им са ориентирани успоредно една на друга, но центровете на масите са произволно разположени, като в течност. Молекулите на нематичните кристали са огледално симетрични. Те имат постоянен диполен момент и веществото се характеризира със спонтанна поляризация.
Най-сложна е подредбата на молекулите в холестеричния тип. Те се образуват при добавяне на някакво количество хирални (оптически активни) съединения към нематичен кристал. Молекулите на холестеричните кристали нямат огледална симетрия, защото хиралните молекули съдържат асиметричен въглероден атом. Локално, на разстояния няколко молекулни радиуса, холестеричния кристал има структура подобна на нематичния, но директорите нямат постоянна ориентация в пространството. Съществува избрано направление в кристала, наречено холестерична ос, по която ориентацията на директорите се изменя периодично, при което се формира винтова структура. Всяка от изброените течнокристални фази съществува само в ограничен температурен интервал. Така, при нагряване смектическият кристал преминава в нематичен. При по-нататъшно увеличаване на температурата ориентацията се разрушава и веществото се превръща в обикновена изотропна течност. По такъв начин у подобен течен кристал съществуват три фази: изотропна, нематична и смектична.

Фиг.2 Температурна област на съшществуване на първия открит течен кристал - холестерилбензоат.

При нагряване холестеричния кристал не може да се превърне нито в нематичен, нито в смектичен. Ако стъпката на спиралата е голям - от порядъка на няколко микрометра, той се превръща при нагряване в изотропна течност. Ако стъпката е малка - части от микрометъра, то при охлаждане изотропна течност не може да се превърне в холестеричен кристал.
За разлика от термотропните течни кристали, при които формирането на определен тип мезофаза зависи само от температурата, при лиотропните системи структурната организация се определя от два параметъра: концентрацията и температурата. Такива кристали образуват най-често биологични системи, функциониращи във водна среда. При тях най-ярко се проявяват уникалната им особеност: съчетание на лабилност и силна склонност към самоорганизация. Лиотропни течни кристали например се образуват при разтваряне в определени разтворители на съединения, съдържащи хидрофилни или хидрофобни групи. Това са, например мастните киселини, които са съставени от две части: полярна (СООН-група) и въглеродна [CH3(CH2)n-]. При разтваряне във вода, като правило образуват мицелоподобни разтвори, в които полярните части се насочват навън при контакт с водата, а въглеродните - навътре.
Анизотропията на физичните свойства на течните кристали се дължи се на основния им структурен признак - ориентационният порядък, обусловен от анизотропната форма на молекулите. Количествено степента на подреденост се определя от параметъра , където е ъгълът между оста на отделна молекула и преобладаващото направление на ансамбъла молекули - директора . Ъгловите скоби означават усредняване по всички ориентации. Следователно, за напълно изотропна течност, , а за напълно подреден кристал . За течен кристал .
Периодичната структура на холестеричните кристали определя уникалната им способност да отразяват селективно светлината, проявявайки се като дифракционна решетка. При даден ъгъл на отражение условието за интерференция се изпълнява само за определена дължина на вълната и съответния слой изглежда оцветен в съответния цвят. Цветът се определя от големината на стъпката p на винтовата линия (фиг.1в)
Анизотропията на всички физични характеристики на течните кристали, заедно с ниския вискозитет позволяват лесно и ефективно да се осъществи преориентация на молекулите им под действие на несилни външни фактори (електрически и магнитни полета или механично нарежение). Така течните кристали се оказаха незаменими електрооптично-активни среди, на чиято основа бе създадено ново поколение т.н. течно-кристални индикатори. Основа на такъв индикатор е електрооптична клетка, тип "сандвич"

Фиг.3. Електрооптична клетка от тип "сандвич" : 1- слой течен кристал; 2- стъклени пластинки; 3- проводник; 4- дилектрик; 5- поляризатор; 6- източник на напрежение.

Електрооптичната клетка е съставена от две плоски стъклени пластинки, върху които е нанесен прозрачен електопроводеящ слой от оловен окис или индиев окис, които играят ролята на електроди. Между пластинките има слой от диелектрик (тефлон или полиетилен). Промеждутъкът между пластинките, с размер от 5 до 50 , се запълва с течен кристал. Така полученият "сандвич" се затваря херметично по периметъра си. Така получената клетка може да бъде поставена между два тънки поляризатора с кръстосани равнини на пропускане. Прилагането на невисоко напрежение върху електродите (~ 1,5 -3 V), поради малкия вискозитет на анизотропната течност води до изменение на ориентацията на молекулите. Важно е да се отбележи, че под действие на електричното поле се завъртат не отделни молекули, а домените, съставени от десетки хиляди молекули, вследствие от което енергята на електростатично взаимодействие надвишава енергията на топлинното движение на молекулите. Кристалът се стреми да се завърти по такъв начин, че оста на поляризация да съвпадне с посоката на външното поле, в резултат на което се изменят структурата и оптическите свойства на кристала.

Неотдавна бяха открити и интензивно се изследват течни кристали състоящи се от полимерни сегнетоелектрици, гъвкави органични и металосъдържащи съединения, образуващи нови типове мезофази. Светът на течните кристали е безкрайно разнообразен и обхваща най-широк кръг природни и синтетични обекти.

??

??

??

??



Сподели линка с приятел:





Яндекс.Метрика
Течни кристали 9 out of 10 based on 2 ratings. 2 user reviews.