Жидкие кристаллы

Жидкие кристаллы по своим свойствам находятся в промежуточ­ном состоянии между твердым кристаллическим и жидким изотроп­ным, обладая анизотропией физических свойству присущих твердым кристаллам, и текучестью, характерной для жидкостей.

Жидкокристаллическое состояние существует в определенном интервале температуры между твердым кристаллическим и жидким изотропным. Это состояние иногда называют мезофазой (от греч. «мезос» — промежуточный). Определяющую роль в образовании жидкокристаллического состояния играют боковые (вдоль всей дли­ны молекулы) дисперсионные межмолекулярные связи.

Жидкие кристаллы были открыты в 1888 г. австрийским ботани­ком Ф. Райнитцером, однако практическое применение получили лишь недавно. В настоящее время известно более 3000 жидких кри­сталлов как низкотемпературных (7^ ~ -20 °С), так и высокотемпе­ратурных (7^ ^ 400 °С) с шириной области существования мезофазы от 100 до 0,01 °С. Все они являются органическими соединениями, молекулы которых имеют обычно удлиненную, нитевидную форму. Многие из них принадлежат к ароматическим соединениям, содер­жащим в бензольных кольцах заместители в пара-положении.

В зависимости от закономерностей в расположении молекул жидкие кристаллы разделяют на три класса: нематические, смекти- ческие и холестерические.

Нематические (от греч. «немое» — нить) жидкие кристаллы (НЖК) образованы из нитевидных молекул, ориентированных па­раллельно друг другу. В равновесном состоянии молекулы пре­имущественно сориентированы вдоль оптической оси кристалла (рис. 7.12, а); межмолекулярные связи у них слабые, поэтому структуру жидкого кристалла легко можно изменять под влиянием внешнего энергетического воздействия.

Смектические (от греч. «смектос» — мыло) жидкие кристаллы (СЖК) образованы из нитевидных параллельно ориентированных молекул, упакованных в слои (см. рис. 7.12, б). СЖК образуют боль­шую степень упорядочения, чем НЖК. Слоистая структура СЖК обусловливает анизотропию не только оптическую, но и механиче­скую (смещение слоев относительно друг друга).

Холестерические жидкие кристаллы (ХЖК) состоят из молекул, обладающих высокой оптической активностью и образующих слои-

а б в Рис. 7.12. Структуры жидких кристаллов: нематические (а); смектические (б); холестерические (в)

стое строение (см. рис. 7.12, в). В каждом таком слое все молекулы, располагаясь в плоскости, повернуты на небольшой угол (меньше градуса) по отношению к молекулам предыдущего слоя. Поэтому по­лучается спиральная структура с шагом порядка длины волны види­мого света. Если изменять шаг спирали внешним энергетическим воздействием, например температурой, ХЖК изменяют окраску.

Жидкие кристаллы, так же как и сегнетоэлектрики, имеют до­менное строение — области с одинаковым направлением осей моле­кул. Поэтому у некоторых из них в переменном электрическом поле наблюдается петля диэлектрического гистерезиса. В точке фазового перехода диэлектрическая проницаемость е имеет максимум, исче­зающий с повышением частоты. Так как у жидких кристаллов по сравнению с сегнетоэлектриками время переориентации диполей ве­лико, петля гистерезиса и максимум е наблюдаются лишь при очень низких частотах (/*< 1 Гц). Структура жидких кристаллов очень под­вижна и легко изменяется под действием внешнего энергетического воздействия: электрического или магнитного поля, температуры, давления, некоторых газообразных веществ и т. д. В результате изме­няются оптические, электрические и другие свойства. Это явление положено в основу принципа работы некоторых приборов. Практи­ческое применение получили НЖК и ХЖК; у первого оптические свойства изменяются под действием приложенного электрического поля, а у второго — теплового поля, давления и др.

Если НЖК поместить между двумя стеклянными пластинами, с нанесенными на их внутренние поверхности прозрачными электро­дами из закиси олова Sn0₂ (или ln₂0₃, CdO и др.) и расстоянием ме­жду пластинами 5—50 мкм, и подать напряжение 3—5 В, то в жид­ком кристалле возникнут ориентационные эффекты — молекулы выстроятся параллельно полю. При дальнейшем повышении напря­жения до некоторого порогового значения (например, 15—20 В) до­менная структура разрушается, и возникает динамический эффект — в НЖК образуются микроскопические вихри, которые сильно рас­сеивают падающий свет; НЖК теряет прозрачность и становится мо- лочно-белым. Если в НЖК добавить краситель, то при напряжении, когда возникают микроскопические вихри, молекулы красителя, ув­лекаемые жидкостью, поворачиваются и рассеивают свет определен­ного цвета. Выполнив прозрачные электроды в виде определенных цифр, букв или других знаков, получают их изображение в отражен­ном или проходящем свете.

Управляющее поле может быть как постоянным, так и перемен­ным с низкой частотой (/*= 10²—10⁴ Гц). Время установления динами­ческого рассеяния 1—10 мс, а его исчезновение после снятия напря­жения 20—200 мс. Так как жидкие кристаллы имеют высокое удельное сопротивление (р = 10⁶—10^ю Ом м), потребляемая ими мощность пи­тания не превышает 1 Вт/м² (индикаторы газоразрядный и люмино- форный потребляют 10³ Вт/м², а светодиодный — 10⁵ Вт/м²). Жидкок­ристаллические индикаторы вследствие своей простоты, дешевизны и, самое главное, экономичности перспективны, особенно в малогаба­ритных устройствах — часах, карманных ЭВМ.

В качестве НЖК применяют такие органические соединения, как азометины, сложные ароматические эфиры, азоксисоединения и др., а также их эвтектические смеси. Последние дают наилучшие ре­зультаты для технического применения.

ХЖК используют в производстве чувствительных индикаторов температуры для медицины, электроники и других областей науки. В настоящее время промышленностью выпускаются композиции со световыми переходами в интервале 3—5 градусов и рабочими темпе­ратурами 23—41°С. В качестве ХЖК используют производные холе­стерина и их смеси.

Дата добавления: 2015-08-09