Płynny kryształ - Liquid crystal

Schlieren tekstura fazy nematycznej ciekłokrystalicznej

Ciekłe kryształy (LCs) to stan skupienia materii, który ma właściwości pomiędzy cieczami konwencjonalnymi a stałymi kryształami . Na przykład ciekły kryształ może płynąć jak ciecz, ale jego cząsteczki mogą być zorientowane w sposób podobny do kryształu. Istnieje wiele różnych typów faz ciekłokrystalicznych , które można odróżnić odmiennymi właściwościami optycznymi (np. teksturami ). Kontrastujące obszary w teksturach odpowiadają domenom, w których cząsteczki ciekłokrystaliczne są zorientowane w różnych kierunkach. Jednak w obrębie domeny cząsteczki są dobrze uporządkowane. Materiały LC nie zawsze mogą być w stanie ciekłokrystalicznym (tak jak woda może zamienić się w lód lub parę wodną).

Ciekłe kryształy można podzielić na fazy termotropowe , liotropowe i metalotropowe. Ciekłe kryształy termotropowe i liotropowe składają się głównie z cząsteczek organicznych , chociaż znanych jest również kilka minerałów. Termotropowe LC wykazują przejście fazowe w fazę ciekłokrystaliczną wraz ze zmianą temperatury. Liotropowe LC wykazują przemiany fazowe jako funkcję zarówno temperatury, jak i stężenia cząsteczek ciekłokrystalicznych w rozpuszczalniku (zazwyczaj wodzie). Metalotropowe LC składają się z cząsteczek organicznych i nieorganicznych; ich przejście ciekłokrystaliczne zależy nie tylko od temperatury i stężenia, ale także od stosunku składu nieorganicznego do organicznego.

Przykłady ciekłych kryształów można znaleźć zarówno w świecie przyrody, jak i w zastosowaniach technologicznych. Powszechne wyświetlacze ciekłokrystaliczne wykorzystują ciekłe kryształy. Liotropowe fazy ciekłokrystaliczne występują obficie w żywych systemach, ale można je również znaleźć w świecie minerałów. Na przykład wiele białek i błon komórkowych to ciekłe kryształy. Innymi dobrze znanymi przykładami ciekłych kryształów są roztwory mydła i różnych pokrewnych detergentów , a także wirus mozaiki tytoniu i niektóre glinki .

Historia

W 1888 roku, austriackiego botaniczne fizjolog Friedrich Reinitzer , pracuje w Karl-Ferdinands-Universität , badanie właściwości fizyko-chemicznych różnych pochodnych z cholesterolem , które obecnie należą do klasy materiałów znanych w cholesterycznych ciekłych kryształów. Wcześniej inni badacze obserwowali wyraźne efekty kolorystyczne podczas chłodzenia pochodnych cholesterolu tuż powyżej temperatury zamarzania , ale nie kojarzyli tego z nowym zjawiskiem. Reinitzer zauważył, że zmiany barwy pochodnej benzoesanu cholesterylu nie są najbardziej osobliwą cechą.

Struktura chemiczna cząsteczki benzoesanu cholesterylu

Odkrył, że benzoesan cholesterylu nie topi się w taki sam sposób jak inne związki, ale ma dwie temperatury topnienia . W temperaturze 145,5 ° C (293,9 ° F) topi się w mętną ciecz, a w 178,5 ° C (353,3 ° F) topi się ponownie i mętna ciecz staje się klarowna. Zjawisko jest odwracalne. Szukając pomocy u fizyka, 14 marca 1888 r. napisał do Otto Lehmanna , wówczas Privatdozent w Akwizgranie . Wymienili listy i próbki. Lehmann zbadał pośredni mętny płyn i zgłosił, że widział krystality . Wiedeński kolega Reinitzera von Zepharovich również wskazał, że „płyn” pośredni jest krystaliczny. Wymiana listów z Lehmannem zakończyła się 24 kwietnia, wiele pytań pozostało bez odpowiedzi. Reinitzer przedstawił swoje wyniki, z kredytami dla Lehmanna i von Zepharovicha, na spotkaniu Wiedeńskiego Towarzystwa Chemicznego 3 maja 1888 roku.

W tym czasie Reinitzer odkrył i opisał trzy ważne cechy cholesterycznych ciekłych kryształów (nazwa wymyślona przez Otto Lehmanna w 1904 r.): istnienie dwóch punktów topnienia, odbicie światła spolaryzowanego kołowo oraz zdolność do obracania kierunku polaryzacji lekki.

Po swoim przypadkowym odkryciu Reinitzer nie kontynuował badań nad ciekłymi kryształami. Badania kontynuował Lehmann, który zdał sobie sprawę, że napotkał nowe zjawisko i był w stanie go zbadać: w latach podoktorskich zdobył wiedzę z zakresu krystalografii i mikroskopii. Lehmann rozpoczął systematyczne badania, najpierw nad benzoesanem cholesterylu, a następnie nad pokrewnymi związkami, które wykazywały zjawisko podwójnego topnienia. Był w stanie prowadzić obserwacje w świetle spolaryzowanym, a jego mikroskop był wyposażony w gorący stolik (uchwyt na próbki wyposażony w grzałkę) umożliwiający obserwacje w wysokich temperaturach. Pośrednia faza zmętnienia wyraźnie podtrzymywała przepływ, ale inne cechy, zwłaszcza sygnatura pod mikroskopem, przekonały Lehmanna, że ​​ma do czynienia z ciałem stałym. Pod koniec sierpnia 1889 opublikował swoje wyniki w Zeitschrift für Physikalische Chemie .

Otto Lehmann

Prace Lehmanna kontynuował i znacznie rozszerzył niemiecki chemik Daniel Vorländer , który od początku XX wieku aż do przejścia na emeryturę w 1935 roku zsyntetyzował większość znanych ciekłych kryształów. Jednak ciekłe kryształy nie były popularne wśród naukowców, a materiał pozostawał czystą ciekawostką naukową przez około 80 lat.

Po II wojnie światowej wznowiono prace nad syntezą ciekłych kryształów w uniwersyteckich laboratoriach badawczych w Europie. George William Gray , wybitny badacz ciekłych kryształów, rozpoczął badania tych materiałów w Anglii pod koniec lat 40. XX wieku. Jego grupa zsyntetyzowała wiele nowych materiałów wykazujących stan ciekłokrystaliczny i pogłębiła wiedzę na temat projektowania cząsteczek wykazujących ten stan. Jego książka Molecular Structure and the Properties of Liquid Crystals stała się przewodnikiem na ten temat. Jednym z pierwszych amerykańskich chemików zajmujących się ciekłymi kryształami był Glenn H. Brown, który rozpoczął pracę w 1953 roku na Uniwersytecie Cincinnati, a później na Uniwersytecie Stanowym Kent . W 1965 r. zorganizował pierwszą międzynarodową konferencję na temat ciekłych kryształów w Kent w stanie Ohio, w której uczestniczyło około 100 najlepszych na świecie naukowców zajmujących się ciekłymi kryształami. Konferencja ta zapoczątkowała światowe wysiłki na rzecz prowadzenia badań w tej dziedzinie, które wkrótce doprowadziły do ​​opracowania praktycznych zastosowań tych unikalnych materiałów.

Materiały ciekłokrystaliczne stały się przedmiotem badań nad rozwojem płaskich wyświetlaczy elektronicznych począwszy od 1962 roku w laboratoriach RCA . Kiedy fizykochemik Richard Williams przyłożył pole elektryczne do cienkiej warstwy nematycznego ciekłego kryształu w temperaturze 125°C, zaobserwował powstawanie regularnego wzoru, który nazwał domenami (obecnie znanymi jako Williams Domains). To skłoniło jego kolegi George'a H. Heilmeiera do przeprowadzenia badań nad płaskim ekranem ciekłokrystalicznym, który miał zastąpić lampę elektronopromieniową używaną w telewizorach. Ale para-azoksyanizol, którego używali Williams i Heilmeier, wykazuje nematyczny stan ciekłokrystaliczny tylko powyżej 116 °C, co czyni go niepraktycznym w użyciu w komercyjnym produkcie wystawowym. Wyraźnie potrzebny był materiał, który mógłby pracować w temperaturze pokojowej.

W 1966 r. Joel E. Goldmacher i Joseph A. Castellano, chemicy badani w grupie Heilmeier w RCA, odkryli, że mieszaniny wykonane wyłącznie ze związków nematycznych, które różnią się tylko liczbą atomów węgla w końcowych łańcuchach bocznych, mogą dawać nematyczną ciecz o temperaturze pokojowej kryształy. Trójskładnikowa mieszanina zasad Schiffa dała materiał o zakresie nematycznym 22-105°C. Praca w temperaturze pokojowej umożliwiła wykonanie pierwszego praktycznego urządzenia wyświetlającego. Zespół następnie przystąpił do przygotowania licznych mieszanin związków nematycznych, z których wiele miało znacznie niższe temperatury topnienia. Ta technika mieszania związków nematycznych w celu uzyskania szerokiego zakresu temperatur roboczych stała się ostatecznie standardem branżowym i nadal jest wykorzystywana do dostosowywania materiałów do konkretnych zastosowań.

Struktura chemiczna cząsteczki N-(4-metoksybenzylideno)-4-butylaniliny (MBBA)

W 1969 roku Hansowi Kelkerowi udało się zsyntetyzować substancję, która w temperaturze pokojowej miała fazę nematyczną, MBBA , która jest jednym z najpopularniejszych przedmiotów badań nad ciekłymi kryształami. Kolejnym krokiem do komercjalizacji wyświetlaczy ciekłokrystalicznych była synteza kolejnych chemicznie stabilnych substancji (cyjanobifenyli) o niskich temperaturach topnienia przez George'a Graya . Ta współpraca z Kenem Harrisonem i brytyjskim MOD ( RRE Malvern ), w 1973 roku, doprowadziła do zaprojektowania nowych materiałów, co doprowadziło do szybkiego przyjęcia wyświetlaczy LCD o małej powierzchni w produktach elektronicznych.

Cząsteczki te mają kształt pręcików, niektóre powstały w laboratorium, a niektóre pojawiają się spontanicznie w naturze. Od tego czasu zsyntetyzowano dwa nowe typy cząsteczek LC: w kształcie dysku (przez Sivaramakrishna Chandrasekhara w Indiach w 1977) oraz w kształcie stożka lub misy (przepowiedziane przez Lui Lama w Chinach w 1982 i zsyntetyzowane w Europie w 1985).

W 1991 roku, kiedy wyświetlacze ciekłokrystaliczne były już dobrze ugruntowane, Pierre-Gilles de Gennes pracujący na Université Paris-Sud otrzymał Nagrodę Nobla z fizyki „za odkrycie, że metody opracowane do badania zjawisk porządku w prostych układach można uogólnić na bardziej złożone formy materii, w szczególności ciekłych kryształów i polimerów”.

Projektowanie materiałów ciekłokrystalicznych

Wiadomo, że wiele związków chemicznych wykazuje jedną lub kilka faz ciekłokrystalicznych. Pomimo znacznych różnic w składzie chemicznym cząsteczki te mają pewne wspólne cechy właściwości chemicznych i fizycznych. Istnieją trzy rodzaje termotropowych ciekłych kryształów: cząsteczki dyskotyczne, stożkowe (miszowe) i w kształcie pręta. Dyskotyka to cząsteczki podobne do dysku, składające się z płaskiego rdzenia sąsiadujących pierścieni aromatycznych, podczas gdy rdzeń w stożkowej LC nie jest płaski, ale ma kształt miski ryżu (obiektu trójwymiarowego). Pozwala to na dwuwymiarowe uporządkowanie kolumnowe, zarówno dla dyskotycznych, jak i stożkowych LC. Cząsteczki w kształcie pręcików mają wydłużoną, anizotropową geometrię, która pozwala na preferencyjne ustawienie wzdłuż jednego kierunku przestrzennego.

  • Kształt cząsteczki powinien być stosunkowo cienki, płaski lub stożkowy, zwłaszcza w ramach sztywnych struktur molekularnych.
  • Długość cząsteczkowa powinna wynosić co najmniej 1,3 nm, co jest zgodne z obecnością długiej grupy alkilowej na wielu ciekłych kryształach w temperaturze pokojowej.
  • Struktura nie powinna być rozgałęziona ani kanciasta, z wyjątkiem stożkowego LC.
  • Korzystna jest niska temperatura topnienia, aby uniknąć metastabilnych, monotropowych faz ciekłokrystalicznych. Ogólnie rzecz biorąc, zachowanie mezomorficzne w niskich temperaturach jest bardziej przydatne technologicznie, a grupy alkilowe to promują.

Rozciągnięty, strukturalnie sztywny, wysoce anizotropowy kształt wydaje się być głównym kryterium zachowania ciekłokrystalicznego, w wyniku czego wiele materiałów ciekłokrystalicznych opiera się na pierścieniach benzenowych.

Fazy ​​ciekłokrystaliczne

Różne fazy ciekłokrystaliczne (nazywane mezofazami ) można scharakteryzować poprzez rodzaj uporządkowania. Można wyróżnić porządek pozycyjny (czy cząsteczki są ułożone w jakiejkolwiek uporządkowanej sieci) i porządek orientacyjny (czy cząsteczki są przeważnie skierowane w tym samym kierunku), a ponadto porządek może być albo krótki (tylko między cząsteczkami blisko siebie). lub dalekosiężne (rozciągające się do większych, czasem makroskopowych wymiarów). Większość termotropowych LC ma fazę izotropową w wysokiej temperaturze. Oznacza to, że ogrzewanie w końcu doprowadzi je do konwencjonalnej fazy ciekłej charakteryzującej się przypadkowym i izotropowym uporządkowaniem molekularnym (niewielkim lub zerowym uporządkowaniem dalekiego zasięgu) oraz zachowaniem przepływu podobnym do płynu . W innych warunkach (na przykład w niższej temperaturze) LC może zamieszkiwać jedną lub więcej faz o znaczącej anizotropowej strukturze orientacji i uporządkowaniu orientacji krótkiego zasięgu, przy jednoczesnym zachowaniu zdolności do przepływu.

Uporządkowanie faz ciekłokrystalicznych jest rozległe w skali molekularnej. Ta kolejność rozciąga się na całą wielkość domeny, która może być rzędu mikrometrów, ale zwykle nie rozciąga się na skalę makroskopową, jak to często występuje w klasycznych krystalicznych ciałach stałych. Jednak niektóre techniki, takie jak wykorzystanie granic lub przyłożonego pola elektrycznego , można wykorzystać do wymuszenia pojedynczej uporządkowanej domeny w makroskopowej próbce ciekłokrystalicznej. Orientacyjne uporządkowanie w ciekłym krysztale może rozciągać się tylko wzdłuż jednego wymiaru , przy czym materiał jest zasadniczo nieuporządkowany w pozostałych dwóch kierunkach.

Ciekłe kryształy termotropowe

Fazy ​​termotropowe to te, które występują w określonym zakresie temperatur. Jeśli wzrost temperatury jest zbyt wysoki, ruch termiczny zniszczy delikatne kooperacyjne uporządkowanie fazy LC, wpychając materiał do konwencjonalnej izotropowej fazy ciekłej. W zbyt niskiej temperaturze większość materiałów LC utworzy konwencjonalny kryształ. Wiele termotropowych LC wykazuje różne fazy wraz ze zmianą temperatury. Na przykład, podczas ogrzewania określony typ cząsteczki LC (zwany mezogenem ) może wykazywać różne fazy smektyczne, po których następuje faza nematyczna i wreszcie faza izotropowa wraz ze wzrostem temperatury. Przykładem związku wykazującego termotropowe zachowanie LC jest para-azoksyanizol .

Faza nematyczna

Wyrównanie w fazie nematycznej
Przejście fazowe między fazą nematyczną (po lewej) i smektyczną A (po prawej) obserwowane między skrzyżowanymi polaryzatorami . Kolor czarny odpowiada środowisku izotropowemu.

Jedną z najczęstszych faz LC jest nematyka. Słowo nematic pochodzi od greckiego νήμα ( gr . nema ), co oznacza „nić”. Termin ten wywodzi się od nitkowatych defektów topologicznych obserwowanych w nematyce, które formalnie nazywa się „ dysklinacjami ”. Nematyki wykazują również tak zwane „jeże” defekty topologiczne. W fazie nematycznej molekuły organiczne w kształcie kalamitu lub pręcików nie mają uporządkowania pozycyjnego, ale dopasowują się, aby mieć uporządkowanie kierunkowe dalekiego zasięgu, a ich długie osie są z grubsza równoległe. W ten sposób cząsteczki mogą swobodnie płynąć, a ich położenie środka masy jest losowo rozmieszczone jak w cieczy, ale nadal zachowuje swój dalekosiężny porządek kierunkowy. Większość nematyków jest jednoosiowa: mają jedną oś (zwaną kierownicą), która jest dłuższa i preferowana, a pozostałe dwie są równoważne (mogą być przybliżone jako cylindry lub pręty). Jednak niektóre ciekłe kryształy są nematykami dwuosiowymi , co oznacza, że ​​oprócz orientowania ich długiej osi, orientują się również wzdłuż osi drugorzędnej. Nematyki mają płynność podobną do płynów zwykłych (izotropowych), ale można je łatwo wyrównać za pomocą zewnętrznego pola magnetycznego lub elektrycznego. Nematyki wyrównane mają właściwości optyczne kryształów jednoosiowych, co czyni je niezwykle przydatnymi w wyświetlaczach ciekłokrystalicznych (LCD).

Naukowcy odkryli, że elektrony mogą łączyć się, by płynąć razem w silnych polach magnetycznych, tworząc „elektroniczną nematyczną” formę materii.

Fazy ​​smektyczne

Schemat ustawienia w fazach smektycznych. Faza smektyczna A (po lewej) ma cząsteczki zorganizowane w warstwy. W fazie smektycznej C (po prawej) cząsteczki są przechylone wewnątrz warstw.

Fazy ​​smektyczne, które znajdują się w niższych temperaturach niż nematyka, tworzą dobrze zdefiniowane warstwy, które mogą ślizgać się po sobie w sposób podobny do mydła. Słowo „smectic” pochodzi od łacińskiego słowa „smecticus”, oznaczającego czyszczenie lub właściwości mydlane. Smektyki są więc uporządkowane pozycyjnie w jednym kierunku. W fazie smektycznej A cząsteczki są zorientowane wzdłuż warstwy normalnej, podczas gdy w fazie smektycznej C są od niej odchylone. Te fazy są płynne w warstwach. Istnieje wiele różnych faz smektycznych, wszystkie charakteryzujące się różnymi typami i stopniami uporządkowania pozycyjnego i orientacyjnego. Doniesiono, że poza cząsteczkami organicznymi uporządkowanie smektyczne występuje również w koloidalnych zawiesinach materiałów 2-D lub nanoarkuszów.

Fazy ​​chiralne lub skręcone nematyki

Schemat porządkowania w chiralnych fazach ciekłokrystalicznych. Chiralna faza nematyczna (po lewej), zwana również fazą cholesteryczną, oraz faza smektyczna C* (po prawej).

Chiralna nematyczna wykazuje fazy chiralności (ręczność). Ta faza jest często nazywana fazą cholesteryczną, ponieważ po raz pierwszy zaobserwowano ją w przypadku pochodnych cholesterolu . Tylko chiralne cząsteczki mogą wywołać taką fazę. Ta faza wykazuje skręcenie cząsteczek prostopadle do reżysera, z osią molekularną równoległą do reżysera. Skończony kąt skrętu między sąsiednimi cząsteczkami wynika z ich asymetrycznego upakowania, co skutkuje uporządkowaniem chiralnym o większym zasięgu. W fazie smektycznej C* (gwiazdka oznacza fazę chiralną) cząsteczki mają uporządkowanie pozycyjne w strukturze warstwowej (podobnie jak w innych fazach smektycznych), przy czym cząsteczki są nachylone pod skończonym kątem względem normalnej warstwy. Chiralność indukuje skończony skręt azymutalny od jednej warstwy do drugiej, powodując spiralne skręcenie osi molekularnej wzdłuż normalnej warstwy.

Chiralna faza nematyczna; p odnosi się do dźwięku chiralnego (patrz tekst)

Chiralny smoła , P odnosi się do odległości, na których cząsteczki LC poddania się o 360 ° skręt (ale należy zauważyć, że struktura chiralne nematyczne powtórzeń fazy sama co pół skoku, ponieważ w tym dyrektorów faz w temperaturze 0 ° do ± 180 ° są równoważne). Skok, p, zazwyczaj zmienia się, gdy zmienia się temperatura lub gdy inne cząsteczki są dodawane do gospodarza LC (achiralny materiał gospodarza LC utworzy fazę chiralną, jeśli zostanie domieszkowany materiałem chiralnym), pozwalając, aby skok danego materiału był odpowiednio dostrojony. W pewnych ciekłych układów krystalograficznych podziałka jest tego samego rzędu co długość fali w świetle widzialnym . Powoduje to, że systemy te wykazują wyjątkowe właściwości optyczne, takie jak odbicie Bragga i niskoprogowa emisja lasera , które są wykorzystywane w wielu zastosowaniach optycznych. W przypadku odbicia Bragga dozwolone jest tylko odbicie najniższego rzędu, jeśli światło pada wzdłuż osi spiralnej, podczas gdy dla padania skośnego dopuszczalne są odbicia wyższego rzędu. Cholesteryczne ciekłe kryształy wykazują również wyjątkową właściwość polegającą na tym, że odbijają światło spolaryzowane kołowo, gdy pada ono wzdłuż osi spiralnej i spolaryzowane eliptycznie, gdy wchodzi ono ukośnie.

Płaska komórka wypełniona achiralnym gospodarzem LC domieszkowanym optycznie aktywnym analogiem zasady Trögera, umieszczona pomiędzy parą równoległych (A) i skrzyżowanych (B) polaryzatorów liniowych. Ta domieszkowana faza mezogeniczna tworzy samoorganizujące się helikalne superstruktury, które umożliwiają przechodzenie określonych długości fal światła przez skrzyżowane polaryzatory i selektywnie odbijają określoną długość fali światła.

Fazy ​​niebieskie to fazy ciekłokrystaliczne, które pojawiają się w zakresie temperatur pomiędzy chiralną fazą nematyczną a izotropową fazą ciekłą. Fazy ​​niebieskie mają regularną trójwymiarową strukturę defektów o okresach sieci rzędu kilkuset nanometrów, a zatem wykazują selektywne odbicia Bragga w zakresie długości fal światła widzialnego odpowiadającym sieci sześciennej . Teoretycznie przewidywano w 1981 roku, że fazy te mogą posiadać symetrię dwudziestościenną podobną do quasikryształów .

Chociaż fazy niebieskie są interesujące dla szybkich modulatorów światła lub przestrajalnych kryształów fotonicznych , istnieją one w bardzo wąskim zakresie temperatur, zwykle poniżej kilku kelwinów . Ostatnio wykazano stabilizację niebieskich faz w zakresie temperatur powyżej 60 K, w tym w temperaturze pokojowej (260-326 K). Fazy ​​niebieskie stabilizowane w temperaturze pokojowej umożliwiają przełączanie elektrooptyczne z czasami odpowiedzi rzędu 10 -4  s. W maju 2008 roku opracowano pierwszy panel LCD w trybie Blue Phase .

Kryształy fazy niebieskiej, będące okresową strukturą sześcienną z przerwą wzbronioną w widzialnym zakresie długości fal, można uznać za kryształy fotoniczne 3D . Wytwarzanie idealnych kryształów fazy niebieskiej w dużych ilościach nadal jest problematyczne, ponieważ wytwarzane kryształy są zwykle polikrystaliczne (struktura płytek) lub wielkość pojedynczego kryształu jest ograniczona (w zakresie mikrometrów). Ostatnio niebieskie fazy uzyskane jako idealne kryształy fotoniczne 3D w dużych ilościach zostały ustabilizowane i wyprodukowane z różnymi kontrolowanymi orientacjami sieci krystalicznej.

Fazy ​​dyskotekowe

Cząsteczki LC w kształcie dysku mogą orientować się w sposób podobny do warstwy, znany jako dyskotyczna faza nematyczna. Jeśli dyski są pakowane w stosy, faza nazywana jest dyskotyczną kolumną . Same kolumny mogą być zorganizowane w szyki prostokątne lub sześciokątne. Znane są również chiralne fazy dyskotyczne, podobne do chiralnej fazy nematycznej.

Fazy ​​stożkowe

Cząsteczki stożkowe LC, podobnie jak w dyskotekach, mogą tworzyć fazy kolumnowe. Przewiduje się inne fazy, takie jak niepolarny nematyk, polarny nematyk, faza fasoli szparagowej, pączka i cebuli. Fazy ​​stożkowe, z wyjątkiem niepolarnego nematyka, są fazami polarnymi.

Liotropowe ciekłe kryształy

Struktura liotropowego ciekłego kryształu. Czerwone główki cząsteczek surfaktantu stykają się z wodą, natomiast ogonki zanurzone są w oleju (niebieski): dwuwarstwowy (po lewej) i micela (po prawej).

Liotropowe ciekłe kryształy składa się z dwóch lub więcej elementów, które wykazują właściwości ciekłokrystalicznych w pewnych zakresach stężeń. W fazach liotropowych cząsteczki rozpuszczalnika wypełniają przestrzeń wokół związków, aby zapewnić płynność układowi. W przeciwieństwie do termotropowych ciekłych kryształów, te liotropy mają inny stopień swobody koncentracji, który umożliwia im indukowanie różnych różnych faz.

Związek, który ma dwie niemieszające się części hydrofilowe i hydrofobowe w tej samej cząsteczce, nazywany jest cząsteczką amfifilową . Wiele cząsteczek amfifilowych wykazuje liotropowe sekwencje faz ciekłokrystalicznych w zależności od bilansów objętościowych pomiędzy częścią hydrofilową i hydrofobową. Struktury te powstają w wyniku mikrofazowej segregacji dwóch niekompatybilnych składników w skali nanometrycznej. Mydło jest codziennym przykładem liotropowego ciekłego kryształu.

Zawartość wody lub innych cząsteczek rozpuszczalnika zmienia samoorganizujące się struktury. Przy bardzo niskim stężeniu amfifilów cząsteczki będą rozproszone losowo bez żadnego uporządkowania. Przy nieco wyższym (ale wciąż niskim) stężeniu cząsteczki amfifilowe spontanicznie łączą się w micele lub pęcherzyki . Odbywa się to tak, aby „ukryć” hydrofobowy ogon amfifila wewnątrz rdzenia miceli, wystawiając hydrofilową (rozpuszczalną w wodzie) powierzchnię na działanie roztworu wodnego. Te kuliste obiekty nie układają się jednak same w roztworze. Przy większej koncentracji zespoły zostaną uporządkowane. Typowa faza to heksagonalna faza kolumnowa, w której amfifile tworzą długie cylindry (znów o hydrofilowej powierzchni), które układają się w mniej więcej sześciokątną siatkę. Nazywa się to środkową fazą mydlaną. Przy jeszcze wyższym stężeniu może tworzyć się faza lamelarna (faza czystego mydła), w której wydłużone warstwy substancji amfifilowych są oddzielone cienkimi warstwami wody. W przypadku niektórych układów faza sześcienna (zwana również lepką izotropową) może istnieć między fazami heksagonalną i płytkową, w której tworzą się kule, które tworzą gęstą siatkę sześcienną. Kule te mogą być również połączone ze sobą, tworząc dwuciągłą fazę sześcienną.

Obiekty tworzone przez amfifile są zazwyczaj kuliste (jak w przypadku miceli), ale mogą też być krążkowe (bicele), pręcikowe lub dwuosiowe (wszystkie trzy osie miceli są różne). Te anizotropowe samoorganizujące się nanostruktury mogą następnie uporządkować się w podobny sposób, jak robią to termotropowe ciekłe kryształy, tworząc wielkoskalowe wersje wszystkich faz termotropowych (takich jak faza nematyczna miceli w kształcie pręcików).

W przypadku niektórych układów, przy wysokich stężeniach, obserwuje się fazy odwrócone. Oznacza to, że można wygenerować odwrotną heksagonalną fazę kolumnową (kolumny wody zamkniętej przez substancje amfifilowe) lub odwróconą fazę micelarną (próbka ciekłokrystaliczna w masie z sferycznymi wnękami wodnymi).

Ogólny przebieg faz, przechodzący od niskiego do wysokiego stężenia amfifilów, to:

Nawet w tych samych fazach ich samoorganizujące się struktury można dostrajać koncentracją: na przykład w fazach lamelarnych odległości warstw zwiększają się wraz z objętością rozpuszczalnika. Ponieważ ciekłe kryształy liotropowe opierają się na subtelnej równowadze oddziaływań międzycząsteczkowych, analiza ich struktury i właściwości jest trudniejsza niż w przypadku ciekłych kryształów termotropowych.

Podobne fazy i właściwości można zaobserwować w niemieszających się kopolimerach dwublokowych .

Metalotropowe ciekłe kryształy

Fazy ciekłokrystaliczne mogą być również oparte na nieorganicznych niskotopliwych faz jak ZnCl 2 , które mają strukturę utworzoną połączonego czworościanów i łatwo okularów formy. Dodanie długołańcuchowych cząsteczek podobnych do mydła prowadzi do powstania szeregu nowych faz, które wykazują różnorodne zachowania ciekłokrystaliczne zarówno w funkcji stosunku składu nieorganicznego do organicznego, jak i temperatury. Ta klasa materiałów została nazwana metalotropowymi.

Analiza laboratoryjna mezofaz

Mezofazy termotropowe są wykrywane i charakteryzowane dwiema głównymi metodami, pierwotną metodą była mikroskopia termiczno-optyczna, w której niewielka próbka materiału została umieszczona pomiędzy dwoma skrzyżowanymi polaryzatorami; próbkę następnie ogrzano i ochłodzono. Ponieważ faza izotropowa nie wpłynęłaby znacząco na polaryzację światła, wydawałaby się bardzo ciemna, podczas gdy fazy kryształu i ciekłokrystalicznego będą polaryzować światło w jednolity sposób, prowadząc do jasności i gradientów kolorów. Metoda ta pozwala na scharakteryzowanie konkretnej fazy, ponieważ poszczególne fazy są definiowane według ich szczególnej kolejności, którą należy przestrzegać. Druga metoda, skaningowa kalorymetria różnicowa (DSC), pozwala na dokładniejsze określenie przejść fazowych i entalpii przejść. W DSC mała próbka jest podgrzewana w sposób, który generuje bardzo dokładną zmianę temperatury w czasie. Podczas przemian fazowych zmienia się przepływ ciepła wymagany do utrzymania tej szybkości ogrzewania lub chłodzenia. Zmiany te można zaobserwować i przypisać różnym przemianom fazowym, takim jak kluczowe przemiany ciekłokrystaliczne.

Mezofazy liotropowe są analizowane w podobny sposób, choć eksperymenty te są nieco bardziej złożone, ponieważ kluczowym czynnikiem jest stężenie mezogenu. Eksperymenty te są prowadzone przy różnych stężeniach mezogenu w celu przeanalizowania tego wpływu.

Biologiczne ciekłe kryształy

Liotropowe fazy ciekłokrystaliczne występują obficie w żywych systemach, których badanie określa się mianem polimorfizmu lipidów . W związku z tym liotropowe ciekłe kryształy przyciągają szczególną uwagę w dziedzinie chemii biomimetycznej. W szczególności błony biologiczne i błony komórkowe są postacią ciekłego kryształu. Ich cząsteczki składowe (np. fosfolipidy ) są prostopadłe do powierzchni membrany, jednak membrana jest elastyczna. Te lipidy różnią się kształtem (patrz strona o polimorfizmie lipidów ). Cząsteczki składowe mogą się łatwo mieszać, ale mają tendencję do nie opuszczania membrany ze względu na wysokie zapotrzebowanie energetyczne tego procesu. Cząsteczki lipidów mogą przeskakiwać z jednej strony błony na drugą, a proces ten jest katalizowany przez flippasy i floppazy (w zależności od kierunku ruchu). Te fazy błony ciekłokrystalicznej mogą również zawierać ważne białka, takie jak receptory swobodnie „pływające” wewnątrz lub częściowo na zewnątrz błony, np. CCT.

Wiele innych struktur biologicznych wykazuje zachowanie ciekłokrystaliczne. Na przykład stężony roztwór białka , który jest wytłaczany przez pająka w celu wytworzenia jedwabiu, jest w rzeczywistości fazą ciekłokrystaliczną. Precyzyjne uporządkowanie molekuł jedwabiu ma kluczowe znaczenie dla jego słynnej wytrzymałości. DNA i wiele polipeptydów , w tym aktywnie napędzane filamenty cytoszkieletu, mogą również tworzyć fazy ciekłokrystaliczne. Opisano również, że monowarstwy wydłużonych komórek wykazują zachowanie ciekłokrystaliczne, a związane z nimi defekty topologiczne powiązano z konsekwencjami biologicznymi, w tym śmiercią komórki i wytłoczeniem. Razem te biologiczne zastosowania ciekłych kryształów stanowią ważną część aktualnych badań akademickich.

Ciekłe kryształy mineralne

Przykłady ciekłych kryształów można również znaleźć w świecie minerałów, z których większość to liotropy. Pierwszym odkrytym był tlenek wanadu(V) , autorstwa Zochera w 1925 roku. Od tego czasu niewiele innych zostało odkrytych i szczegółowo zbadanych. Istnienie prawdziwej fazy nematycznej w przypadku rodziny glin smektytowych zostało podniesione przez Langmuira w 1938 roku, ale przez bardzo długi czas pozostawało kwestią otwartą i zostało potwierdzone dopiero niedawno.

Wraz z szybkim rozwojem nanonauk i syntezą wielu nowych anizotropowych nanocząstek, liczba takich ciekłych kryształów mineralnych szybko rośnie, na przykład z nanorurek węglowych i grafenu. Odkryto nawet fazę lamelarną, H 3 Sb 3 P 2 O 14 , która wykazuje hiperpęcznienie do ~250 nm dla odległości międzywarstwowej.

Tworzenie wzoru w ciekłych kryształach

Anizotropia ciekłych kryształów jest właściwością nieobserwowaną w innych płynach. Ta anizotropia sprawia, że ​​przepływy ciekłych kryształów zachowują się bardziej różnie niż w przypadku zwykłych płynów. Na przykład wstrzyknięcie strumienia ciekłego kryształu pomiędzy dwie blisko siebie równoległe płytki ( lepkie palcowanie ) powoduje ukierunkowanie cząsteczek sprzęgających się z przepływem, co skutkuje pojawieniem się wzorów dendrytycznych. Ta anizotropia przejawia się również w energii międzyfazowej ( napięcie powierzchniowe ) pomiędzy różnymi fazami ciekłokrystalicznymi. Ta anizotropia determinuje kształt równowagi w temperaturze współistnienia i jest tak silna, że ​​zwykle pojawiają się fasetki. Gdy temperatura ulega zmianie, jedna z faz rośnie, tworząc różne morfologie w zależności od zmiany temperatury. Ponieważ wzrost jest kontrolowany przez dyfuzję ciepła, anizotropia przewodnictwa cieplnego sprzyja wzrostowi w określonych kierunkach, co ma również wpływ na ostateczny kształt.

Teoretyczna obróbka ciekłych kryształów

Mikroskopowa teoretyczna obróbka faz płynnych może być dość skomplikowana ze względu na dużą gęstość materiału, co oznacza, że ​​nie można pominąć silnych oddziaływań, twardych odpychań i korelacji wielociałowych. W przypadku ciekłych kryształów anizotropia we wszystkich tych oddziaływaniach dodatkowo komplikuje analizę. Istnieje jednak szereg dość prostych teorii, które mogą przynajmniej przewidzieć ogólne zachowanie przemian fazowych w układach ciekłokrystalicznych.

Dyrektor

Jak już widzieliśmy powyżej, nematyczne ciekłe kryształy składają się z cząsteczek podobnych do pręcików, których długie osie sąsiednich cząsteczek są ustawione w przybliżeniu względem siebie. Aby opisać tę anizotropową strukturę, wprowadza się bezwymiarowy wektor jednostkowy n zwany dyrektorem , który reprezentuje kierunek preferowanej orientacji cząsteczek w sąsiedztwie dowolnego punktu. Ponieważ nie ma fizycznej biegunowości wzdłuż osi reżysera, n i -n są w pełni równoważne.

Zamówienie parametr

Lokalny nematyczny dyrektora , który jest również lokalny oś optyczną , jest przez przestrzennej i czasowej średniej długości osi cząsteczkowej

Opis ciekłych kryształów obejmuje analizę porządku. Do opisania orientacji nematycznego ciekłego kryształu stosuje się symetryczny bezśladowy parametr rzędu tensorów drugiego rzędu, chociaż parametr rzędu skalarnego jest zwykle wystarczający do opisania jednoosiowych nematycznych ciekłych kryształów. Aby uczynić to ilościowym, parametr porządku orientacyjnego jest zwykle definiowany na podstawie średniej drugiego wielomianu Legendre'a :

gdzie jest kątem między osią cząsteczki ciekłokrystalicznej a lokalnym kierunkiem (który jest „preferowanym kierunkiem” w elemencie objętości próbki ciekłokrystalicznej, reprezentującym również jej lokalną oś optyczną ). Nawiasy oznaczają zarówno średnią czasową, jak i przestrzenną. Ta definicja jest wygodna, ponieważ dla całkowicie losowej i izotropowej próbki S  = 0, podczas gdy dla idealnie wyrównanej próbki S=1. Dla typowej próbki ciekłokrystalicznej S jest rzędu 0,3 do 0,8 i ogólnie spada wraz ze wzrostem temperatury. W szczególności obserwuje się ostry spadek parametru porządku do 0, gdy układ przechodzi przemianę fazową z fazy LC do fazy izotropowej. Parametr porządku można mierzyć doświadczalnie na wiele sposobów; na przykład diamagnetyzm , dwójłomność , rozpraszanie Ramana , NMR i EPR można wykorzystać do określenia S.

Kolejność ciekłego kryształu można również scharakteryzować za pomocą innych parzystych wielomianów Legendre'a (wszystkie nieparzyste wielomiany są średnio do zera, ponieważ reżyser może wskazywać w jednym z dwóch przeciwległych kierunków). Te średnie wyższego rzędu są trudniejsze do zmierzenia, ale mogą dostarczyć dodatkowych informacji o uporządkowaniu molekularnym.

Parametr porządku pozycyjnego jest również używany do opisania uporządkowania ciekłego kryształu. Charakteryzuje się zmiennością gęstości środka masy cząsteczek ciekłokrystalicznych wzdłuż danego wektora. W przypadku odmiany położenia wzdłuż Z -osiowy gęstość często dana przez:

Złożony parametr porządku pozycyjnego jest zdefiniowany jako i średnia gęstość. Zazwyczaj tylko pierwsze dwa terminy są zachowywane, a terminy wyższego rzędu są ignorowane, ponieważ większość faz można odpowiednio opisać za pomocą funkcji sinusoidalnych. Dla idealnej fazy nematycznej i smektycznej nabierze złożonych wartości. Złożona natura tego parametru porządku pozwala na wiele podobieństw między przejściami fazowymi z nematyki w smektykę i przejściami z przewodnika do nadprzewodnika.

Model z twardym prętem Onsager

Nierozwiązany problem w fizyce :

Czy przejście fazowe nematyczne do smektycznego (A) w stanach ciekłokrystalicznych można scharakteryzować jako uniwersalne przejście fazowe?

Prostym modelem, który przewiduje liotropowe przejścia fazowe, jest model twardego pręta zaproponowany przez Larsa Onsagera . Teoria ta uwzględnia objętość wykluczoną ze środka masy jednego wyidealizowanego cylindra, gdy zbliża się on do drugiego. W szczególności, jeśli cylindry są zorientowane równolegle do siebie, bardzo mała objętość jest wykluczona ze środka masy zbliżającego się cylindra (może zbliżyć się do drugiego cylindra). Jeśli jednak cylindry są ustawione pod pewnym kątem względem siebie, to wokół cylindra znajduje się duża objętość, do której środek masy zbliżającego się cylindra nie może wejść (z powodu odpychania twardego pręta między dwoma wyidealizowanymi obiektami). Tak więc ten kątowy układ powoduje zmniejszenie entropii pozycyjnej netto zbliżającego się cylindra (dostępnych jest mniej stanów).

Podstawowym spostrzeżeniem jest to, że podczas gdy równoległe układy obiektów anizotropowych prowadzą do zmniejszenia entropii orientacji, następuje wzrost entropii pozycyjnej. Zatem w niektórych przypadkach większy porządek pozycyjny będzie entropicznie korzystny. Teoria ta przewiduje zatem, że roztwór obiektów w kształcie pręcików przejdzie przemianę fazową, w wystarczającym stężeniu, w fazę nematyczną. Chociaż model ten jest pomocny koncepcyjnie, jego matematyczne sformułowanie zawiera kilka założeń, które ograniczają jego zastosowanie do rzeczywistych systemów.

Teoria pola średniego Maier-Saupe

Ta teoria statystyczna, zaproponowana przez Alfreda Saupe'a i Wilhelma Maiera, obejmuje wkład przyciągającego potencjału międzycząsteczkowego z indukowanego momentu dipolowego między sąsiadującymi cząsteczkami ciekłokrystalicznymi podobnymi do pręcików. Przyciąganie anizotropowe stabilizuje równoległe wyrównanie sąsiednich cząsteczek, a następnie teoria uwzględnia średnią pola oddziaływania interakcji. Rozwiązana samoistnie teoria ta przewiduje termotropowe przejścia fazowe nematyczno-izotropowe, zgodnie z eksperymentem. Teoria pola średniego Maier-Saupe została rozszerzona na ciekłe kryształy o wysokiej masie cząsteczkowej poprzez uwzględnienie sztywności zginania molekuł i zastosowanie metody całek po trajektoriach w nauce o polimerach .

Model McMillana

Model McMillana, zaproponowany przez Williama McMillana, jest rozszerzeniem teorii pola średniego Maier-Saupe, używanej do opisu przejścia fazowego ciekłego kryształu od fazy nematycznej do smektycznej. Przewiduje, że przejście fazowe może być ciągłe lub nieciągłe w zależności od siły oddziaływania krótkiego zasięgu między cząsteczkami. W rezultacie pozwala na potrójny punkt krytyczny, w którym spotykają się nematyczna, izotropowa i smektyczna faza A. Chociaż przewiduje istnienie potrójnego punktu krytycznego, nie przewiduje z powodzeniem jego wartości. Model wykorzystuje dwa parametry porządku, które opisują porządek orientacyjny i pozycyjny ciekłego kryształu. Pierwszy jest po prostu średnią drugiego wielomianu Legendre'a, a parametr drugiego rzędu jest określony wzorem:

Wartości z I , θ I i D są pozycji cząsteczki, przy czym kąt między osią cząsteczkowej i dyrektora i odstępu warstwy. Postulowana energia potencjalna pojedynczej cząsteczki dana jest wzorem:

Tutaj stała α określa ilościowo siłę oddziaływania między sąsiednimi cząsteczkami. Potencjał jest następnie wykorzystywany do wyprowadzenia właściwości termodynamicznych układu przy założeniu równowagi termicznej. Wynikiem tego są dwa równania samospójności, które należy rozwiązać numerycznie, a ich rozwiązaniami są trzy stabilne fazy ciekłego kryształu.

Elastyczna teoria kontinuum

W tym formalizmie materiał ciekłokrystaliczny jest traktowany jako kontinuum; szczegóły molekularne są całkowicie ignorowane. Raczej ta teoria rozważa perturbacje w przypuszczalnie zorientowanej próbce. Zniekształcenia ciekłego kryształu są powszechnie opisywane przez gęstość energii swobodnej Franka . Można zidentyfikować trzy rodzaje zniekształceń, które mogą wystąpić w zorientowanej próbce: (1) skręcenia materiału, gdzie sąsiednie cząsteczki są zmuszane do ustawienia pod kątem względem siebie, a nie do wyrównania; (2) rozłożenie materiału, gdzie zginanie następuje prostopadle do reżysera; oraz (3) wygięcie materiału, gdzie odkształcenie jest równoległe do osi kierunkowej i molekularnej. Wszystkie te trzy rodzaje zniekształceń pociągają za sobą karę energetyczną. Są to zniekształcenia wywoływane przez warunki brzegowe na ścianach domeny lub w otaczającym kontenerze. Odpowiedź materiału można następnie rozłożyć na terminy w oparciu o stałe sprężystości odpowiadające trzem rodzajom zniekształceń. Teoria kontinuum sprężystego jest skutecznym narzędziem do modelowania urządzeń ciekłokrystalicznych i dwuwarstw lipidowych.

Wpływy zewnętrzne na ciekłe kryształy

Naukowcy i inżynierowie mogą wykorzystywać ciekłe kryształy w różnych zastosowaniach, ponieważ zewnętrzne zakłócenia mogą powodować znaczące zmiany makroskopowych właściwości układu ciekłokrystalicznego. Do wywołania tych zmian można wykorzystać zarówno pola elektryczne, jak i magnetyczne. Wielkość pól, a także szybkość, z jaką molekuły się układają, są ważnymi cechami, którymi zajmuje się przemysł. W urządzeniach ciekłokrystalicznych można stosować specjalne obróbki powierzchni, aby wymusić określone orientacje reżysera.

Efekty pola elektrycznego i magnetycznego

Zdolność reżysera do ustawiania się wzdłuż zewnętrznego pola jest spowodowana elektryczną naturą molekuł. Trwałe dipole elektryczne powstają, gdy jeden koniec cząsteczki ma netto ładunek dodatni, podczas gdy drugi koniec ma netto ładunek ujemny. Kiedy do ciekłego kryształu przykładane jest zewnętrzne pole elektryczne, cząsteczki dipola mają tendencję do orientowania się zgodnie z kierunkiem pola.

Nawet jeśli cząsteczka nie tworzy trwałego dipola, nadal może na nią wpływać pole elektryczne. W niektórych przypadkach pole powoduje nieznaczną zmianę układu elektronów i protonów w cząsteczkach, tak że powstaje indukowany dipol elektryczny. Chociaż nie jest tak silny jak stałe dipole, nadal występuje orientacja z polem zewnętrznym.

Reakcja dowolnego systemu na zewnętrzne pole elektryczne jest

gdzie , i są składowymi pola elektrycznego, pola przemieszczenia elektrycznego i gęstości polaryzacji. Energia elektryczna na objętość zmagazynowaną w systemie wynosi

(suma nad podwójnie pojawiającym się indeksem ). W ciekłych kryształach nematycznych zarówno polaryzacja, jak i przemieszczenie elektryczne zależą liniowo od kierunku pola elektrycznego. Polaryzacja powinna być równomierna w reżyserze, ponieważ ciekłe kryształy są niezmienne pod wpływem odbicia . Najbardziej ogólną formą do wyrażenia jest

(sumowanie z indeksu ) z i elektryczne przenikalność równolegle i prostopadle do kierownika . Wtedy gęstość energii jest (ignorując stałe warunki, które nie przyczyniają się do dynamiki układu)

(podsumowanie ponad ). Jeśli jest dodatni, to minimum energii jest osiągane, gdy i są równoległe. Oznacza to, że system będzie faworyzował wyrównanie ciekłego kryształu z przyłożonym z zewnątrz polem elektrycznym. Jeśli jest ujemna, to minimum energii osiąga się, gdy i są prostopadłe (w nematyce orientacja prostopadła jest zdegenerowana, umożliwiając powstawanie wirów).

Różnica ta nazywana jest anizotropią dielektryczną i jest ważnym parametrem w zastosowaniach ciekłokrystalicznych. Istnieją zarówno ciekłe kryształy, jak i komercyjne. Mieszanina ciekłokrystaliczna 5CB i E7 to dwa powszechnie stosowane ciekłe kryształy. MBBA jest powszechnym ciekłym kryształem.

Oddziaływanie pól magnetycznych na cząsteczki ciekłokrystaliczne jest analogiczne do pól elektrycznych. Ponieważ pola magnetyczne są generowane przez poruszające się ładunki elektryczne, stałe dipole magnetyczne są wytwarzane przez elektrony poruszające się wokół atomów. Po przyłożeniu pola magnetycznego cząsteczki będą miały tendencję do ustawiania się w linii z polem lub przeciwnie. Promieniowanie elektromagnetyczne, np. światło widzialne UV, może wpływać na reagujące na światło ciekłe kryształy, które zawierają głównie co najmniej jednostkę przełączalną foto.

Przygotowanie powierzchni

W przypadku braku pola zewnętrznego, reżyser ciekłego kryształu może wskazywać dowolny kierunek. Możliwe jest jednak wymuszenie na dyrektorze wskazania konkretnego kierunku poprzez wprowadzenie do systemu agenta zewnętrznego. Na przykład, gdy cienka powłoka polimerowa (zwykle poliimid) jest rozprowadzana na podłożu szklanym i pocierana szmatką w jednym kierunku, obserwuje się, że cząsteczki ciekłokrystaliczne w kontakcie z tą powierzchnią ustawiają się zgodnie z kierunkiem tarcia. Uważa się, że obecnie akceptowanym mechanizmem tego jest epitaksjalny wzrost warstw ciekłokrystalicznych na częściowo wyrównanych łańcuchach polimerowych w warstwach przypowierzchniowych poliimidu.

Kilka chemikaliów ciekłokrystalicznych również ustawia się na „powierzchni poleceń”, która z kolei jest wyrównywana przez pole elektryczne spolaryzowanego światła. Proces ten nazywa się fotoukładaniem .

Przejście Fryderyka

W urządzeniach ciekłokrystalicznych często wykorzystuje się konkurencję między orientacją wytworzoną przez zakotwiczenie powierzchniowe a efektami pola elektrycznego. Rozważmy przypadek, w którym cząsteczki ciekłokrystaliczne są ustawione równolegle do powierzchni, a pole elektryczne jest przykładane prostopadle do komórki. Na początku, w miarę wzrostu pola elektrycznego, nie dochodzi do zmiany wyrównania. Jednak przy progowej wielkości pola elektrycznego dochodzi do deformacji. Deformacja występuje, gdy reżyser zmienia swoją orientację z jednej cząsteczki na drugą. Wystąpienie takiej zmiany ze stanu wyrównanego do zdeformowanego nazywa się przejściem Fredericksa i może być również wywołane przyłożeniem pola magnetycznego o wystarczającej sile.

Przejście Fredericksa ma fundamentalne znaczenie dla działania wielu wyświetlaczy ciekłokrystalicznych, ponieważ orientację reżysera (a tym samym właściwości) można łatwo kontrolować poprzez zastosowanie pola.

Efekt chiralności

Jak już opisano, chiralne cząsteczki ciekłokrystaliczne zwykle powodują powstanie chiralnych mezofaz. Oznacza to, że cząsteczka musi posiadać pewną formę asymetrii, zwykle centrum stereogeniczne . Dodatkowym wymaganiem jest to, aby system nie był racemiczny : mieszanina prawo- i lewoskrętnych cząsteczek anuluje efekt chiralny. Jednak ze względu na kooperacyjną naturę uporządkowania ciekłokrystalicznego, niewielka ilość chiralnej domieszki w skądinąd achiralnej mezofazie jest często wystarczająca do wybrania orientacji jednej domeny, co sprawia, że ​​system jest ogólnie chiralny.

Fazy ​​chiralne mają zwykle spiralne skręcenie cząsteczek. Jeśli skok tego skrętu jest rzędu długości fali światła widzialnego, można zaobserwować interesujące efekty interferencji optycznej. Chiralne skręcenie, które występuje w chiralnych fazach LC, powoduje również, że system reaguje inaczej niż prawoskrętne i lewoskrętne światło spolaryzowane kołowo. Materiały te mogą więc być używane jako filtry polaryzacyjne .

Chiralne cząsteczki LC mogą wytwarzać zasadniczo achiralne mezofazy. Na przykład, w pewnych zakresach stężenia i masy cząsteczkowej , DNA utworzy fazę heksatyczną linii achiralnej. Ciekawą niedawną obserwacją jest tworzenie chiralnych mezofaz z achiralnych cząsteczek LC. W szczególności wykazano, że wygięte cząsteczki rdzenia (czasami nazywane ciekłymi kryształami banana) tworzą fazy ciekłokrystaliczne, które są chiralne. W każdej konkretnej próbce różne domeny będą miały przeciwną stronę, ale w obrębie każdej domeny będzie obecne silne uporządkowanie chiralne. Mechanizm pojawiania się tej makroskopowej chiralności nie jest jeszcze do końca jasny. Wydaje się, że molekuły układają się w warstwy i orientują się nachylone wewnątrz warstw. Te fazy ciekłokrystaliczne mogą być ferroelektryczne lub antyferroelektryczne, z których obie są interesujące dla zastosowań.

Chiralność można również włączyć do fazy poprzez dodanie chiralnej domieszki , która sama w sobie może nie tworzyć LC. -Nematyczne skręcone lub super skręcony nematyk mieszaniny zawierają często niewielką ilość takich domieszek.

Zastosowania ciekłych kryształów

Budowa wyświetlacza ciekłokrystalicznego: 1 – filtr polaryzacyjny pionowy, 2, 4 – szkło z elektrodami, 3 – ciekłokrystaliczne, 5 – filtr polaryzacyjny poziomy, 6 – reflektor
„Wikipedia” wyświetlana na wyświetlaczu LCD

Ciekłe kryształy znajdują szerokie zastosowanie w wyświetlaczach ciekłokrystalicznych, które opierają się na właściwościach optycznych niektórych substancji ciekłokrystalicznych w obecności lub braku pola elektrycznego . W typowym urządzeniu warstwa ciekłokrystaliczna (zwykle o grubości 4 μm) znajduje się pomiędzy dwoma skrzyżowanymi polaryzatorami (zorientowanymi pod kątem 90° względem siebie). Wyrównanie ciekłokrystaliczne jest tak dobrane, aby jego faza rozluźniona była skręcona (patrz Efekt skręconego pola nematycznego ). Ta skręcona faza zmienia orientację światła, które przeszło przez pierwszy polaryzator, umożliwiając jego transmisję przez drugi polaryzator (i odbite z powrotem do obserwatora, jeśli zapewniony jest reflektor). W ten sposób urządzenie wydaje się przezroczyste. Gdy do warstwy LC przykłada się pole elektryczne, długie osie molekularne mają tendencję do ustawiania się równolegle do pola elektrycznego, dzięki czemu stopniowo odkręcają się w środku warstwy ciekłokrystalicznej. W tym stanie cząsteczki LC nie zmieniają orientacji światła, więc światło spolaryzowane na pierwszym polaryzatorze jest pochłaniane przez drugi polaryzator, a urządzenie traci przezroczystość wraz ze wzrostem napięcia. W ten sposób pole elektryczne może być używane do przełączania na polecenie pikseli między przezroczystym a nieprzezroczystym. Systemy z kolorowym wyświetlaczem LCD wykorzystują tę samą technikę, z kolorowymi filtrami używanymi do generowania czerwonych, zielonych i niebieskich pikseli. Chiralne smektyczne ciekłe kryształy są stosowane w ferroelektrycznych wyświetlaczach LCD, które są szybko przełączającymi binarnymi modulatorami światła. Podobne zasady można zastosować do wytwarzania innych urządzeń optycznych opartych na ciekłych kryształach.

Przestrajalne filtry ciekłokrystaliczne są stosowane jako urządzenia elektrooptyczne , np. w obrazowaniu hiperspektralnym .

Termotropowe chiralne LC, których skok zmienia się silnie w zależności od temperatury, mogą być używane jako surowe termometry ciekłokrystaliczne , ponieważ kolor materiału będzie się zmieniał wraz ze zmianą skoku. Przejścia kolorów ciekłokrystalicznych są stosowane w wielu termometrach akwariowych i basenowych, a także w termometrach niemowlęcych lub do kąpieli. Inne materiały ciekłokrystaliczne zmieniają kolor po rozciągnięciu lub naprężeniu. W związku z tym arkusze ciekłokrystaliczne są często używane w przemyśle do wyszukiwania gorących punktów, mapowania przepływu ciepła, pomiaru wzorców rozkładu naprężeń i tak dalej. Ciekły kryształ w postaci płynnej jest używany do wykrywania generowanych elektrycznie gorących punktów do analizy uszkodzeń w przemyśle półprzewodników .

Soczewki ciekłokrystaliczne zbiegają się lub rozpraszają padające światło, regulując współczynnik załamania warstwy ciekłokrystalicznej za pomocą przyłożonego napięcia lub temperatury. Ogólnie rzecz biorąc, soczewki ciekłokrystaliczne generują paraboliczny rozkład współczynnika załamania światła poprzez uporządkowanie orientacji cząsteczek. Dlatego fala płaska jest przekształcana w paraboliczny front fali przez soczewkę ciekłokrystaliczną. Ogniskowa ciekłych krystalicznych soczewek może być stale strojony gdy pole elektryczne zewnętrznego mogą być odpowiednio dopasowane. Soczewki ciekłokrystaliczne są rodzajem optyki adaptacyjnej . System obrazowania może skorzystać z korekcji ostrości, regulacji płaszczyzny obrazu lub zmiany zakresu głębi ostrości lub głębi ostrości . Soczewka ciekłokrystaliczna jest jednym z kandydatów do opracowania urządzenia do korekcji wzroku dla oczu z krótkowzrocznością i starczowzrocznością (np. regulowane okulary i inteligentne soczewki kontaktowe). Będąc modulatorem fazy optycznej , soczewka ciekłokrystaliczna charakteryzuje się zmienną przestrzenną długością drogi optycznej (tj. długość drogi optycznej jako funkcja jej współrzędnej źrenicy). W różnych systemach obrazowania wymagana funkcja długości drogi optycznej różni się w zależności od siebie. Na przykład, aby zbiec płaską falę w punkt o ograniczonej dyfrakcji, dla fizycznie płaskiej struktury ciekłokrystalicznej, współczynnik załamania warstwy ciekłokrystalicznej powinien być sferyczny lub paraboloidalny w przybliżeniu przyosiowym . Jeśli chodzi o rzutowanie obrazów lub wykrywanie obiektów, można oczekiwać, że soczewka ciekłokrystaliczna będzie miała asferyczny rozkład długości drogi optycznej na interesującej nas aperturze. Soczewki ciekłokrystaliczne z elektrycznie przestrajalnym współczynnikiem załamania światła (poprzez zajęcie się różną wielkością pola elektrycznego na warstwie ciekłokrystalicznej) mają potencjał do osiągnięcia dowolnej funkcji długości ścieżki optycznej do modulowania przychodzącego czoła fali; Obecne ciekłokrystaliczne elementy optyczne o dowolnym kształcie zostały rozszerzone z soczewki ciekłokrystalicznej z tymi samymi mechanizmami optycznymi. Zastosowania soczewek ciekłokrystalicznych obejmują pikoprojektory, soczewki korekcyjne (okulary lub soczewki kontaktowe), aparat w smartfonie, rozszerzoną rzeczywistość, wirtualną rzeczywistość itp.

Lasery ciekłokrystaliczne wykorzystują ciekły kryształ w medium laserowym jako mechanizm rozproszonego sprzężenia zwrotnego zamiast luster zewnętrznych. Emisja w fotonicznej przerwie energetycznej utworzonej przez okresową strukturę dielektryczną ciekłego kryształu daje niskoprogowe urządzenie o wysokiej wydajności ze stabilną emisją monochromatyczną.

Arkusze i rolki z dyspersyjnymi polimerami ciekłokrystalicznymi (PDLC) są dostępne jako folia Smart z klejem, którą można nakładać na okna i elektrycznie przełączać między przezroczystą i nieprzezroczystą, aby zapewnić prywatność.

Wiele popularnych płynów, takich jak woda z mydłem , to w rzeczywistości ciekłe kryształy. Mydło tworzy różne fazy LC w zależności od jego stężenia w wodzie.

Folie ciekłokrystaliczne zrewolucjonizowały świat technologii. Obecnie są stosowane w najróżniejszych urządzeniach, takich jak zegary cyfrowe, telefony komórkowe, maszyny liczące i telewizory. Możliwe jest zastosowanie filmów ciekłokrystalicznych w urządzeniach z pamięcią optyczną w procesie podobnym do nagrywania i odczytu płyt CD i DVD.

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki