Свойства жидких кристаллов и их применение в различных областях промышленности

Реферат

По дисциплине Органическая химия

(наименование учебной дисциплины согласно учебному плану)

Тема: Свойства жидких кристаллов и их применение в различных областях промышленности

Введение

В школьном курсе физики и химии обычно рассказывают о трёх агрегатных состояниях вещества – жидком, твёрдом и газообразном. Но для ряда веществ существует четвертое агрегатное состояние – нечто среднее между жидким и твердым, которое называют жидкокристаллическим.

Наука о веществах в жидкокристаллическом агрегатном состоянии или жидких кристаллах – одна из самых молодых и наиболее трудных областей физики и химии. Трудности обусловлены сложностью молекул, образующих эти вещества. Для объяснения свойств жидких кристаллов необходимо привлекать не только теорию обычных жидкостей, достаточно сложную саму по себе, но и науки о твёрдых кристаллах, например, кристаллографию и физику твёрдого тела. Тем ни менее, на сегодняшний день это одно из самых востребованных направлений науки и техники.

Актуальность данной темы заключается в следующем. В связи с тем, что жидкие кристаллы нашли своё широкое применение в различных отраслях науки (техника, медицина и т.д.), необходимо их дальнейшее, более глубокое изучение и внедрение во все сферы деятельности человека. Применение жидких кристаллов раскрывает колоссальные перспективы в совершенствовании современных технологий и возможности делать их более практичными и экономичными. Кроме того, жидкие кристаллы могут выступать в роли заменителей энергоёмких и труднодоступных материалов.

Цель работы состоит, прежде всего, в исследовании и изучении свойств жидких кристаллов, а также рассмотрении областей и перспектив их применения.

Для осуществления цели реферата мной были поставлены следующие задачи:

Для выполнения этих задач были использованы труды ученых и исследователей жидкокристаллических соединений, содержание многих статей и научных пособий, а также сведения, полученные из интернет-источников.

1 Из истории открытия жидких кристаллов

Прежде чем перейти к непосредственному рассмотрению основной темы реферата, обратимся сначала к истории важного открытия прошлого, так необходимого в настоящем – истории открытия жидких кристаллов, и, конечно же, к формулировке их определения.

Согласно современным научным представлениям жидкие кристаллы (сокращенно ЖК) – это такое фазовое состояние, в которое переходят некоторые вещества при определенных условиях (температура, давление, концентрация в растворе). Жидкокристаллическое состояние веществ называют еще мезоморфным. При этом ЖК обладают одновременно свойствами как жидкостей (текучесть), так и кристаллов (анизотропия). Уточню, что анизотропия – это различие свойств среды (например, физических: упругости, электропроводности, показателя преломления, скорости звука или света и др.) в различных направлениях внутри этой среды [1]. В жидком кристалле имеется некоторая степень геометрической упорядоченности в расположении молекул, но допускается и некоторая свобода перемещения. Это связано с тем, что в жидкости молекулы могут свободно вращаться и перемещаться в любых направлениях, а в кристаллическом твердом теле они расположены по узлам правильной геометрической сетки, называемой кристаллической решеткой, и могут вращаться лишь в своих фиксированных позициях [2].

Что же касается истории их открытия, то она окружена сомнениями, жаркими дискуссиями и претензиями на его авторство. Можно сказать, что началу исследований в этой области помогло научное заблуждение немецкого физика Отто Лемана, который был блестящим экспериментатором и специалистом в области молекулярной физики. Он, изучая механические свойства кристаллов йодистого серебра, определил их как кристаллы, которые почти выдерживают свой вес. Ученый пришел к выводу, что должны быть и те, которые вообще не выдерживают веса. Им он дал название жидких кристаллов. При этом он считал, что они обладают оптической анизотропией и способностью расти из пересыщенных растворов. Таких жидкостей физик не знал. Однако по счастливой случайности письмо, пришедшее тогда Леману от доцента Немецкой высшей технической школы в Праге Фридриха Рейнитцера, помогло заполнить пробел в его классификации [3].

Фридрих Рихард Корнелиус Рейнитцер, преподававший техническую микроскопию и материаловедение, изучал тогда химическое поведение двух веществ, содержащихся в моркови: слабо окрашенного гидрокаротина и темно-красного каротина. Тогда было известно, что гидрокаротин близок по своим свойствам к холестерину. Но химическая формула холестерина была еще не известна, и Рейнитцер пытался ее установить. Для этого он получал различные производные холестерина, в частности его сложные эфиры жирных кислот. Он получил холестеринацетат и холестеринбензоат, и при попытке определить их температуру плавления столкнулся с интересными явлениями. Во-первых, при плавлении эти бесцветные в твердом состоянии соединения становились оптически анизотропными и приобретали окраску, которая менялась с повышением температуры, но при дальнейшем нагревании исчезала. Во-вторых, плавление происходило как бы в две стадии – вначале образовывался оптически анизотропный расплав, а при более высокой температуре – бесцветный оптически изотропный (противоположность анизотропному) расплав [3].

Рейнитцер счел, что полученные им эфиры холестерина состоят из неразделяемых химическим путем физических изомеров – веществ, имеющих одинаковое химическое строение, но разные физические свойства. Чтобы убедиться в этом, он послал свои препараты Леману, считавшемуся крупнейшим специалистом именно в этой области.

Леман тщательно изучал присланные препараты. Ученые даже вели меж собой переписку, в которой делились друг с другом результатами исследований, которые публиковали в своих работах.

20 августа 1889 г. Леман сообщил Рейнитцеру, что, смешав холестерилбензоат с оливковым маслом, которое считалось растворителем, он пришел к выводу, что эта смесь «состоит из очень мягких кристаллов». Заканчивается письмо следующей примечательной фразой: «Для физиков всегда представляет огромный интерес тот факт, что существуют кристаллы, мягкость которых такова, что позволяет назвать их жидкими» [3].

Вскоре Леман послал в журнал статью под названием «О текучих кристаллах». В ней он описывает поразительно большую пластическую деформацию кристаллов йодистого серебра, которые, как окажется в будущем, жидкими кристаллами не являются.

Открытие жидких кристаллов не стало сенсацией в научном мире. Скорее наоборот, оно вызвало настороженное отношение большинства физиков и химиков, ведь существование ЖК разрушало теорию о трёх состояниях вещества: твёрдом, жидком и газообразном. Учёные относили жидкие кристаллы то к коллоидным растворам, то к эмульсиям [2]. И, несмотря на активную пропаганду Леманом своего открытия, большинство ведущих ученых не верили в существование жидких кристаллов. Хотя, конечно, были и такие, которые пытались доказать своими работами их реальность, как, например, Рудольф Шенк, приват-доцент Марбургского университета [3].

Тогда проходило много заседаний научных конференций, которые не обходились без жарких дискуссий о жидких кристаллах. Особенно бурными были споры во время заседания Немецкого Бунзеновского общества химиков, проходившего в Карлсруэ 3 июня 1905 г., по окончании которого было решено собрать комиссию для рассмотрения вопроса о реальности жидких кристаллов, поставившую под сомнение работы Лемана. Вскоре его даже лишили кредитов на продолжение научных работ.

Реальность жидких кристаллов была все же подтверждена экспериментами. И здесь выдающуюся роль сыграли работы немецкого химика Даниеля Форлендера, профессора университета в Галле, который описал выводы в своей классической монографии «Кристаллическо-жидкие вещества», вышедшей в 1908 г. [3].

Итак, жидкие кристаллы открыты. Но кого же теперь считать автором открытия? Этот вопрос лег в основу еще одной драматической страницы из истории ЖК.

Первым по этому поводу высказался Форлендер: «… мне кажется правильным и справедливым считать и Лемана, и Рейнитцера авторами этого открытия». Но с этим не согласился Леман, который определял автором данного открытия только себя самого. Он даже опубликовал специальную статью под названием «К истории жидких кристаллов».

Тут уже обиделся сам Рейнитцер. Он тоже выпустил статью «К истории жидких кристаллов», где привел выдержки из писем, которыми он обменивался с Леманом в процессе их совместной работы. А вывод он сделал скромный: «Из всего этого неоспоримо ясно, что текучие кристаллы стали понятны Леману только на моих веществах. Поэтому очевидно, что в работах Лемана есть и большая моя заслуга» [3].

Далее в течение нескольких лет шли споры по этому поводу, а Леман всячески пытался пропагандировать свои заслуги. Но история расставила все по своим местам – авторами открытия признали и Рейнитцера, и Лемана.

2 Классификация и свойства жидких кристаллов

Повторюсь, что жидкокристаллическим называют состояние вещества, промежуточное между твердым кристаллом и изотропной жидкостью. В твердых кристаллах существует определенный дальний порядок расположения молекул, которые не покидают своего положения равновесия, даже участвуя в тепловом движении, в то время как в изотропных жидкостях отсутствует этот дальний порядок, молекулы при этом обладают высокой подвижностью. Жидкие кристаллы же – это нечто среднее между этими двумя состояниями. Вещество в жидкокристаллическом состоянии подобно жидкостям – оно текуче, образует капли, принимает форму сосуда. Но одновременно с этим оно обладает и свойствами твердых кристаллов – имеет анизотропию оптических, электрических, магнитных, механических и других свойств, что является наличием определенного порядка в расположении молекул.

Жидкокристаллическое состояние свойственно для некоторых неорганических соединений и для многих органических, молекулы которых анизометричны (свидетельство о порядке расположения молекул) [4].

Перейдем непосредственно к классификации жидких кристаллов. По количеству молекул, входящих в состав, различают:

Получить ЖК можно двумя способами в зависимости от свойств вещества – одни переходят в жидкокристаллическое состояние при нагревании, а другие – при растворении. На основе этого низкомолекулярные жидкие кристаллы подразделяют на:

Область существования термотропных ЖК имеет определенный интервал температур и давлений, ограниченный двумя точками – температурой плавления Tпл и температурой просветления Tпр. В одной точке происходит переход твердого вещества в жидкий кристалл, в другой — жидкого кристалла в изотропную жидкость. Типичная схема фазовых переходов имеет вид: К ↔ ЖК ↔ ИЖ. Стоит отметить, что у жидкокристаллических веществ есть особенность – в точке плавления твердого вещества энергии поглощается во много раз больше, чем на границе перехода ЖК в изотропную жидкость. Например, для n-азоксианизола (рис. 1) удельная теплота плавления твердого кристалла составляет 1,2 ∙ 105 Дж/кг, а жидкого кристалла — только 2,9 ∙ 103 Дж/кг.

Рис. 1. n-азоксианизол

Немаловажным является и то, что некоторые термотропные кристаллы являются своего рода исключениями – они образуются при охлаждении изотропной жидкости, как, например, холестерилацетат. Его твердые кристаллы плавятся при температуре 114оС и превращаются при этом в изотропную жидкость, которая при охлаждении до 90оС приобретает свойства жидкого кристалла. Самым удивительным здесь является то, что при медленном охлаждении холестерилацетата он не переходит в жидкокристаллическую фазу [4].

Скажу немного и о лиотропных ЖК. Существование лиотропных жидких кристаллов зависит от концентрации, температуры и давления – они образуют мезофазу только при определенных условиях. Они представляют собой двух- или более компонентные системы, содержащие молекулы данного вещества и полярного растворителя (преимущественно воды), и состоят обычно из поверхностно активных веществ (ПАВ), которые называют еще амфифильными молекулами. Например, амфифилами являются фосфолипиды. Как правило, эти молекулы плохо растворимы в воде и склонны образовывать агрегаты, причем таким образом, что их полярные группы на границе раздела фаз направлены к жидкой фазе. При низких температурах смешивание жидкого амфифила с водой приводит к расслоению системы на две фазы.

Стоит отметить, что наиболее широкое применение (особенно в оптике) нашли именно термотропные ЖК, точнее два их типа – каламитики и дискотики (рис. 2). Каламитики имеют удлиненную форму, а дискотики – дискотическую (форму в виде диска). Первые при вращении молекул вокруг длинной оси образуют цилиндр с достаточно большим отношением высоты к диаметру [4].

Рис. 2. Схематическое изображение палочкообразных молекул ЖК или каламитиков (а) и дискотиков (б)

Термотропные ЖК, в свою очередь, также подразделяются на типы. Всего их различают три (рис. 3):

Рис. 3. Схематическое изображение нематика, смектика и холестерика соответственно

Жидкокристаллические вещества с нематической структурой (нематики) характеризуются хаотичным расположением в пространстве центров тяжести молекул, что свидетельствует об отсутствии трансляционного порядка, у них нет слоистой структуры, их молекулы по-прежнему способны передвигаться в жидкости, но при этом сохраняют ориентационный порядок в определенном интервале температур – длинные оси направлены вдоль одного преимущественного направления [6]. Они ведут себя подобно обычным жидкостям. Нематические фазы встречаются только в таких веществах, у молекул которых нет различия между правой и левой формами, их молекулы тождественны своему зеркальному изображению (ахиральны). Нематиком является, например, N-(пара-метоксибензилиден)-пара-бутиланилин (рис. 4) [1].

Рис. 4. N-(пара-метоксибензилиден)-пара-бутиланилин

Более сложный позиционный порядок молекул характерен для смектических жидких кристаллов (смектики), в которых центры молекулярной массы, подвижные в двух измерениях (на смектической плоскости), расположены в слоях, а движение ограничено главным образом внутри именно этих слоев [6]. Толщина смектического слоя определяется длиной молекул (преимущественно длиной парафинового «хвоста»), однако вязкость смектиков значительно выше, чем у нематиков. Такой тип ЖК ближе всего к истинно кристаллическим телам. Отмечу, что длинные оси молекул в каждом слое могут располагаться как под некоторым углом относительно плоскости слоя (наклонные смектики), так и перпендикулярно (ортогональные смектики). Направление преимущественной ориентации осей молекул принято называть директором, который обозначается вектором n [1]. Типичным смектиком является терефтал-бис (пара-бутиланилин). Структурная формула этого вещества представлена на рис. 5.

Рис. 5. Терефтал-бис (пара-бутиланилин)

Наиболее сложный тип упорядочения молекул жидких кристаллов – холестерический (холестерики), образуемый хиральными (оптически активными) молекулами, содержащими асимметрический атом углерода. Это означает, что такие молекулы являются зеркально-несимметричными в отличие от зеркально-симметричных молекул нематиков [1]. Такой тип ЖК образуется, в основном, соединениями холестерина и других стероидов. В холестериках молекулы расположены в слоях, а продольные оси одного слоя развернуты на небольшой угол относительно соседнего слоя. Угловое смещение нарастает от слоя к слою по спиралям, которые очень чувствительны к изменению температуры вследствие чрезвычайно малой энергии образования этой структуры (около 10-2 Дж/моль) [6]. Типичным холестериком является амил-пара-(4-цианобензилиденамино)-циннамат (рис. 6). Холестерики ярко окрашены, и малейшее изменение температуры (до тысячных долей градуса) приводит к изменению шага спирали и, соответственно, к изменению окраски ЖК.

Рис. 6. Амил-пара-(4-цианобензилиденамино)-циннамат

Итак, классификация жидкокристаллических веществ выглядит следующим образом:

3 Применение жидких кристаллов

Жидкие кристаллы благодаря своим свойствам нашли применение во многих отраслях и областях промышленности. Например, ввиду своих необычных оптических свойств жидкие кристаллы, в частности холестерики, сильно отражают свет в видимой области спектра. Так как в нематических ЖК и холестерических ЖК носителями свойств является жидкая фаза, то она легко деформируется под влиянием внешнего воздействия, а так как шаг спирали в холестериках очень чувствителен к температуре, то, следовательно, и отражение света резко меняется с температурой, приводя к изменению цвета вещества. Эти явления широко используются в различных приложениях, например, для нахождения горячих точек в микроцепях, локализации переломов и опухолей у человека, визуализации изображения в инфракрасных лучах и др.

Вообще главным применением жидкокристаллических веществ, а именно нематических жидких кристаллов (НЖК), вот уже более 50 лет является их использование в качестве рабочего элемента плоскопанельных дисплеев (ППД) [7]. Рассмотрим кратко принцип работы жидкокристаллического дисплея, являющегося одним из видов ППД. Между двумя токопроводящими пластинами наносят тонкий слой жидких кристаллов, имеющих кристаллические свойства. На верхней пластине расположены прозрачные электроды. Нижняя пластина представляет собой зеркальную поверхность. Прилагая напряжение, различные участки жидких кристаллов могут активироваться. При приложении напряжения различные участки жидких кристаллов меняют свои светорассеивающие и поляризационные свойства: они могут либо пропускать свет, либо его блокировать. Изображение формируется с помощью света, который проходит через определенные сегменты жидких кристаллов и отражается от зеркальной пластины по направлению к зрителю [1].

С каждым годом устройство, технические и эксплуатационные характеристики жидкокристаллических дисплеев улучшаются, в связи с чем развиваются и вспомогательные оптические элементы, в которых используются зачастую именно ЖК [7].

Отмечу, что в последние годы помимо дисплейного применения НЖК интенсивно развиваются и недисплейные, среди которых особое место занимает изучение свойств поверхности материалов с помощью слоев НЖК, позволяющих с помощью поляризационной микроскопии выявлять малые дефекты микрорельефа, распределения слабых физических полей и невидимые в оптический микроскоп структурные дефекты. Их визуализация основана на локальной переориентации молекул НЖК в окрестности дефектов различной физической природы, непосредственно наблюдаемой в поляризационный микроскоп. На этом принципе были развиты оптические методы дефектоскопии поверхности, характеризуемые простотой, пространственной разрешающей способностью, экспрессностью и высокой чувствительностью. Одновременно были разработаны их теоретические основы. Если рентгеновские методы изучения материалов в объеме развиты достаточно, то этого нельзя сказать об изучении их поверхностных свойств. Применяемый для этого метод эллипсометрии трудоемок и требует проведения сложных расчетов. Метод НЖК, напротив, позволяет непосредственно получить наглядное изображение дефектов. Это послужило основанием для его использования в науке, высоких технологиях и медицине [8].

Также жидкокристаллические соединения нашли широкое применение в технике и медицине в роли сверхчувствительного миниатюрного термометра благодаря такому качеству как изменение цвета даже при малейших температурных изменениях и способности измерения разностей температур на расстояниях, которые составляют десятые доли миллиметра. Эти свойства позволяют использовать ЖК для изучения перехода пограничного слоя из ламинарного в турбулентное состояние и в аэродинамических исследованиях, например, для измерения коэффициента теплоотдачи на моделях сложной формы путем, использующимся в методе термоиндикаторных покрытий [9].

На сегодняшний день перспективным способом продления срока службы аккумуляторов является замена традиционных измерительных преобразователей устройствами, которые работают на полевых эффектах. Перспективным материалом для изготовления таких устройств являются именно жидкие кристаллы. Сейчас это особенно важно, ведь неэффективное использование электроэнергии сокращает срок службы источников электропитания, утилизация которых наносит вред экологическому состоянию окружающей среды. Необходимость замены традиционных датчиков преобразователями неэлектрических величин (температуры, влажности, давления, линейной и угловой скорости и линейного и углового перемещения) в электрические сигналы вызывает также компьютеризация военной, производственной, бытовой и сельскохозяйственной техники [10].

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.

В настоящее время ЖК нашли широкое применение главным образом в устройствах отображения информации. Использование ЖК в качестве рабочего тела различного рода измерительных преобразователей ограничено отсутствием количественного и качественного материала, необходимого для их проектирования [10].

В последние годы появилось множество технических решений и научных публикаций о возможности применения ЖК в качестве перспективных элементов органической электроники, микроэлектромеханических систем устройств (МЭМС), фотовольтаических элементов, различных датчиков, в том числе и биологических [7].

Вообще, помимо упомянутых, существует еще огромное количество возможных применений кристалла, однако, основное их применение связано все же с электрооптическими приборами. При этом ЖК должен обладать определенными качествами, а именно:

В заключение этой главы отмечу, что исследование жидких кристаллов, их природы и свойств может внести огромный вклад в развитие еще многих областей науки и техники, а также способствовать развитию медицины.

Заключение

Подводя итог, напомню, что целью данного реферата являлось изучение свойств жидких кристаллов и исследование областей и перспектив их применения. Отмечу, что привела лишь общую характеристику ЖК – на самом деле эта тема намного глубже и многогранней. Рассмотрим же выводы, к которым мы пришли в ходе работы.

Во-первых, история открытия этих удивительных веществ не менее удивительна – она окружена спорами ученых, противоречиями и претензиями Лемана на «одиночное» первенство. Тем ни менее, официально первооткрывателями являются и Леман, и Рейнитцер.

Во-вторых, классификация жидких кристаллов достаточно обширна, а каждый тип этой классификации характеризуется своими определенными отличительными свойствами. Например, только холестерики, состоящие из своеобразных спиралей, очень чувствительны к изменениям температуры.

В-третьих, не менее обширной является и область применения этих соединений – они необходимы и в медицине, и при производстве плоскопанельных дисплеев, и в дефектоскопии поверхностей, и в устройствах отображения информации – перечислять можно долго.

Как я уже говорила, наука о жидкокристаллических соединениях – молодая наука. Поэтому неудивительно, что они еще далеко не познаны. Сегодня мало изученным является вопрос и об истинной роли жидкокристаллического состояния в жизнедеятельности биологических систем. Немалые успехи достигнуты в создании полимерных жидких кристаллов, однако остаётся насущным совершенствование технологии их производства. Актуальным является вопрос о взаимодействии жидких кристаллов с кристаллическими, аморфными и полимерными поверхностями, так как от их решения во многом зависит качество всех современных приборов и устройств, где требуется почти идеальная ориентация молекул. Немало загадок хранит в себе и оптика жидких кристаллов, "нелинейная оптика".

Мы видим, что жидкокристаллические соединения применяются в основном в перспективных и развивающихся направлениях, отчего необходимость в них с каждым годом будет только расти. Однако стоит заметить, что их свойства не изучены до конца. Это значит, что в дальнейшем вместе с исследованиями их важность будет только увеличиваться, что дает нам полное право назвать их материалом будущего.

Литературные источники