Жидкие кристаллы

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение

«Лицей № 7» г. Бердск

Жидкие кристаллы

Физика 10 класс

Учитель физики

И.В.Торопчина

Лицей №7

г. Бердск

Жидкие кристаллы

• Жидкие кристаллы - это агрегатное состояние вещества, промежуточное между кристаллическим твердым телом и аморфной жидкостью.
• Для жидких кристаллов характерно то, что они обладают чрезвычайно подвижной структурой, изменяющейся под воздействием сравнительно слабых внешних факторов, и это ведет к изменению макроскопических физических свойств образца. Жидкие кристаллы - материалы с легко управляемыми свойствами, и в последние годы они нашли практическое применение в самых современных областях науки и техники.

Жидкие кристаллы

• Жидкие кристаллы (сокращённо ЖК ) — это фазовое состояние, в которое переходят некоторые вещества при определенных условиях (температура, давление, концентрация в растворе).
• Жидкие кристаллы обладают одновременно свойствами как жидкостей (текучесть), так и кристаллов (анизотропия).

История открытия

Более ста лет назад, в 1888г., австрийский ботаник Ф. Рейнитцер

обратил внимание, что у кристаллов холестерилбензоата и

холестерилацетата было две точки плавления и, соответственно, два

разных жидких состояния — мутное и прозрачное (при 145 °С образование

мутной жидкости, а при достижении 179 °С – прозрачная жидкость).

История открытия

• Самое удивительное, что в ходе дальнейших исследований было установлено: мутная жидкость является анизотропной! Получается, что эта жидкость обладала свойствами кристаллов. Именно поэтому такое состояние было названо жидкокристаллическим .
• Долгое время физики и химики в принципе не признавали жидких кристаллов, потому что их существование разрушало теорию о трёх состояниях вещества: твёрдом, жидком и газообразном. Учёные относили жидкие кристаллы то к коллоидным растворам, то к эмульсиям.

• В 1963-м году американский изобретатель Джеймс Фергюсон нашел применение одному из свойств ЖК – изменение цвета в зависимости от температуры. Американец получил патент на изобретение, которое способно обнаруживать невидимые для глаз тепловые поля. С этого популярность жидких кристаллов начала расти.
• Джеймс Фергюсон- изобретатель ЖК монитора

Жидкие кристаллы

• Вещества, способные в определенном температурном интервале выше точки плавления сочетать одновременно свойства жидкостей (текучесть, способность к образованию капель) и свойства кристаллических тел (анизотропию, упорядоченность), стали называть жидкими кристаллами или жидкокристаллическими .

Строение жидких кристаллов

По структуре ЖК представляют собой вязкие жидкости, состоящие из молекул вытянутой или дискообразной формы, определённым образом упорядоченных во всем объёме этой жидкости.

Наиболее простые жидкие кристаллы образуются длинными сигарообразными или нитевидными молекулами.

• В зависимости от того, как ориентируются молекулы в пространстве, различают три основных типа жидких кристаллов.
• В кристаллах первого типа оси молекул параллельны, а сами молекулы сдвинуты друг относительно друга на произвольные расстояния в направлении своих осей.
• В кристаллах второго типа молекулы параллельны друг другу и расположены слоями.
• Для кристаллов третьего типа характерно закручивание молекул в перпендикулярном направлении от слоя к слою

• Нематические жидкие кристаллы .

В этих кристаллах отсутствует дальний порядок в расположении центров тяжести молекул, у них нет слоистой структуры, их молекулы скользят непрерывно в направлении своих длинных осей, вращаясь вокруг них, но при этом сохраняют ориентационный порядок: длинные оси направлены вдоль одного преимущественного направления. Они ведут себя подобно обычным жидкостям. Примером вещества, образующего нематический ЖК, может служить -(пара-метоксибензилиден)-пара-бутиланилин.

• Смектические жидкие кристаллы имеют слоистую структуру, слои могут перемещаться относительно друг друга. Толщина смектического слоя определяется длиной молекул (преимущественно, длиной парафинового «хвоста»), однако вязкость смектиков значительно выше, чем у нематиков, и плотность по нормали к поверхности слоя может сильно меняться. Типичным является терефтал-бис (пара-бутиланилин).
• Холестерические жидкие кристаллы  — образуются, в основном, соединениями холестерина и других стероидов. Это нематические ЖК, но их длинные оси повёрнуты друг относительно друга так, что они образуют спирали, очень чувствительные к изменению температуры вследствие чрезвычайно малой энергии образования этой структуры (порядка 0,01 Дж/моль). В качестве типичного холестерика можно назвать амил-пара-(4-цианобензилиденамино)-циннамат.

Некоторые соединения, образующие жидкокристаллические фазы

Свойства жидких кристаллов

• Возможностью хаотического поступательного движения молекул объясняется текучесть, а их упорядоченным расположением — анизотропия таких физических свойств, как упругость, электропроводность, диэлектрическая и магнитная проницаемость и др.
• Свойства жидких кристаллов меняются в зависимости от температуры, длины волны внешнего излучения, механической деформации, электрического и магнитного полей. Это определяет возможности их широкого применения в системах хранения и обработки информации, в индикаторах и т. п.

Свойства жидких кристаллов

• Способность изменять ориентацию молекул под воздействием электрических полей.
• Зависимость их цвета от температуры. Это свойство используют для измерения температуры.
• Оптические свойства ЖК изменяются под действием электрического поля.

Применение жидких кристаллов

• Зависимость цвета ЖК от температуры используют для измерения температуры. Из смесей жидкокристаллических веществ изготавливают температурные индикаторы в интервале температур от -20 до +250 °С. Индикатор представляет собой тонкую гибкую плёнку из жидкого кристалла. При наложении плёнки на поверхность предмета по цвету индикатора можно определить температуру предмета, её изменение со временем.
• Свойство жидких кристаллов изменять цвет используется для выявления структурных дефектов непрозрачных объектов: благодаря неодинаковой теплопроводности дефекты вызывают различные цветовые эффекты в плёнке жидкого кристалла.

Применение жидких кристаллов

• Жидкие кристаллы, оптические свойства которых

изменяются под действием электрического поля,

используются в цифровых индикаторах

(электронные часы, микрокалькуляторы и т. п.).

• Электронные индикаторы, создаваемые при помощи жидких кристаллов, реагируют на различные температуры, в результате чего могут проинформировать о сбоях и нарушениях в электронике.
• Индикаторы из жидких кристаллов используют и для обнаружения паров различных вредных химических соединений, а также обнаружения ультрафиолетового и гамма-излучения. С применением ЖК разрабатываются детекторы ультразвука и измерители давления.

Применение жидких кристаллов

• Одно из важных направлений использования жидких кристаллов — термография. Подбирая состав ЖК вещества, создают индикаторы для разных диапазонов температуры и для различных конструкций. 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.

Применение жидких кристаллов

• Термография позволяет получить тепловое изображение объекта, в результате регистрации инфракрасного излучения – тепла. Инфракрасные приборы ночного зрения используются пожарными, в случае задымления помещения, с целью обнаружения пострадавших в пожаре. Также они нашли применение у служб безопасности и военных служб.
• Тепловые изображения позволяют обнаруживать места перегрева, нарушения теплоизоляции, или другие аварийные участки при обслуживании линий электропередачи или строительстве.

Применение жидких кристаллов

• 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 меньшее количество энергии .

Применение жидких кристаллов

ЖК-дисплеи

• В век гаджетов такие дисплеи присутствуют практически в любом электронном устройстве: телевизоры, мониторы компьютеров, цифровые фотоаппараты, навигаторы, калькуляторы, электронные книги, планшеты, телефоны, электронные часы, плееры и др.

• Устройство ЖК-дисплеев достаточно сложное, однако в общем виде представляет собой набор стеклянных пластин, между которыми расположены жидкие кристаллы (ЖК-матрица), и множество источников света. Пиксель ЖК-матрицы включает в себя пару прозрачных электродов, которые позволяют менять ориентацию молекул жидкого кристалла, а также пару поляризационных фильтров, которые регулируют степень прозрачности и др.

Применение жидких кристаллов

• Теория жидкокристаллического состояния вещества позволяет объяснить механизм действия моющих средств на загрязнённые поверхности. Растворённое в воде мыло представляет собой жидкокристаллическую систему. Оно образует множество двойных слоёв молекул мыла, разделённых слоями воды.

• Раствор мыла, смачивая загрязнённые места, обволакивает частицы грязи мыльной плёнкой. Таким образом, частицы грязи и очищаемая поверхность покрываются слоями жидких кристаллов, которые легко скользят один по отношению к другому, и при небольшом механическом воздействии частички грязи отделяются и переводятся в раствор.

Жидкие кристаллы в организме человека

• Жидкие кристаллы играют большую роль в жизнедеятельности организма человека.
• Белок, входящий в состав мышечной ткани, обладает способностью образовывать жидкие кристаллы. Гладкие и поперечно-полосатые мышечные волокна имеют структуру жидкого кристалла, благодаря чему могут растягиваться и сжиматься, не разрушаясь. Вещество коллаген, содержащееся в опорных тканях (кости, сухожилия) и в мозге, также близко по структуре к жидким кристаллам. Мозг человека по своей природе представляет сложную жидкокристаллическую систему. В белом веществе мозга и проводящих путях нервной системы жидкие кристаллы играют роль диэлектриков.

• Форма жидких кристаллов наиболее удобна для протекания биологических процессов. Она соединяет в себе устойчивость к внешним воздействиям с необычайной пластичностью, гибкостью. Жидкокристаллические волокнистые образования обладают значительной прочностью, что необходимо для опорных тканей.
• Вещество в жидкокристаллическом состоянии очень чувствительно ко всем внутриклеточным процессам. Так, жидкие кристаллы обладают способностью адсорбировать, а также растворять некоторые вещества, не изменяя своей структуры, что обусловливает их участие в обмене веществ. Это объясняет, почему жидкие кристаллы обнаруживаются в важнейших функциональных участках клетки.

Спасибо за внимание!