Жидкие кристаллы в природе и технике. Применение жидких кристаллов. Способы управления жидкими кристаллами

Жидкие кристаллы — графическая визуализация

Жидкий кристалл – это такое фазовое состояние, во время которого вещество одновременно обладает как свойствами жидкостей, так и свойствами кристаллов. То есть они обладают текучестью, и вместе с тем им присуща анизотропия – различие свойств данной среды в зависимости от направления внутри нее (например, показатель преломления, скорость звука или теплопроводность).

Жидкие кристаллы имеют структуру вязких жидкостей, которая состоит из молекул дискообразной формы. Ориентация данных молекул может изменяться при взаимодействии с электрическими полями.

В 1888-м году австрийский ботаник Фридерих Рейнитцер выяснил, что у некоторых типов кристаллов имеется две точки плавления, из чего следует, что существует два различных жидких состояния, в одном из которых вещество прозрачное, а в другом – мутное.

И хотя в 1904-м году немецкий физик Отто Леман предоставил ряд научных доказательств в пользу жидких кристаллов в своей одноименной книге, все же долгое время жидкие кристаллы не признавались как отдельные состояния вещества. 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.

Группы жидких кристаллов и их свойства

Жидкие кристаллы обычно разделяют на две группы:

1. Лиотропные – образовываются в смесях, состоящих из стержневидных молекул данного вещества и полярных растворителей (например, воды).

Применение жидких кристаллов

ЖК-дисплеи

Прежде всего следует отметить не наиболее полезное, но наиболее известное применения ЖК – жидкокристаллические дисплеи. Иногда они называются LCD-дисплеи, что есть сокращением английского «liquid crystal display». 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.

Термография

Менее популярное, но более важное применение ЖК – это термография. 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.

Также термография используется при медицинской визуализации, в основном для наблюдения молочных желез. Это позволяет обнаруживать различные онкологические заболевания, вроде рака молочной железы.

Электронные индикаторы

Электронные индикаторы, создаваемые при помощи жидких кристаллов, реагируют на различные температуры, в результате чего могут проинформировать о сбоях и нарушениях в электронике. К примеру, ЖК в виде пленки наносят на печатные платы и интегральные схемы, а также – транзисторы. Неисправные сегменты электроники легко отличить при наличии такого индикатора.

Помимо этого, ЖК-индикаторы, расположенные на коже пациента, позволяют обнаруживать воспаления и опухоли у человека.

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.

Помимо прямого применения ЖК в перечисленных выше сферах, следует отметить, что жидкие кристаллы во многом похожи на некоторые клеточные структуры, и иногда присутствуют в них. В силу своих диэлектрических свойств жидкие кристаллы регулируют взаимоотношения внутри клетки, между клетками и тканями, а также между клеткой и окружающей средой. Таким образом, изучение природы и поведения жидких кристаллов может привнести вклад в молекулярную биологию.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Институт экономики, управления и права (г. Казань)

Экономический факультет

1 курс заочного отделения

экономического факультета

по дисциплине «Концепция современного естествознания»

тема «Жидкие кристаллы и их применение»

за 1 семестр 2009/2010 уч. года

Казань, 2009

Введение

1. История открытия жидких кристаллов

2. Основные типы жидких кристаллов

2.1 Смектические жидкие кристаллы

2.2 Нематические жидкие кристаллы

2.3 Холестерические жидкие кристаллы

2.4 Лиотропные жидкие кристаллы

3. Условия существования жидких кристаллов

4. Тепловые свойства

5. Оптические свойства

6. Электрические свойства

7. Магнитные свойства

8. Практическое применение жидких кристаллов

8.1 Формирование цветного изображения

Заключение

Литература

Введение

Жидкие кристаллы необычайно интересны и удивительны. Они способны удивить даже тех, кто разучился это делать. Наука о жидких кристаллах - одна из самых молодых областей науки, в то же время она много успела дать людям. Действительно, только в последние десятилетия, когда выяснились огромные практические возможности использования жидких кристаллов, они оказались в центре внимания. О них стали много говорить и писать, ими стали интересоваться даже люди далёкие от науки. Специалисты пророчат им большое будущее в науке.

До того же они интересовали лишь представителей науки о кристаллах - кристаллографов, которые видели и видят в жидких кристаллах промежуточную фазу между твёрдым кристаллом и жидкостью, сочетающее в себе свойства как того, так и другого. Сегодня известно несколько десятков тысяч органических веществ, которые могут находиться в таком состоянии, и список этих веществ продолжает расти.

Итак, вещества, способные находиться в жидкокристаллическом состоянии, называют “жидкими кристаллами”.

1. История открытия жидких кристаллов

Открыты жидкие кристаллы были ещё в XIX веке.

В 1888 г. австрийский ботаник Фридрих Рейнитцер (1857-1927) обнаружил у синтезированного им нового органического вещества - холестерилбензоата весьма необыкновенные свойства.

Во-первых, при плавлении этого вещества наблюдались две области окрашивания, причём первая - одноцветная, а вторая, возникающая при более низких температурах, - многоцветная, такая же, как у холестерилацетата.

Во-вторых, у холестерилбензоата было обнаружено ещё одно интересное свойство: это соединение имело как бы две точки плавления. При 1450 С кристаллы вещества плавились в опалесцирующую жидкость, которая под микроскопом казалась состоящей из звёздообразных агрегатов. При 1790 С эта мутная масса превращалась в прозрачный расплав. Если расплав охлаждался, то при 1790 С он приобретал голубоватую окраску, которая быстро исчезала, и жидкая масса становилась опалесцирующей. Около 1450 С окраска появлялась вновь и тот час же вещество кристаллизировалось.

Итак, Рейнитцер впервые обнаружил, что при плавлении холестерилбензоата между твёрдой фазой и обычным расплавом возникает некая новая мутная фаза, окраска которой зависит от температуры и исчезает при переходе в обычный расплав, но иногда сохраняется в твёрдой фазе при быстром её переохлаждении.

Дальнейшим исследованием препаратов Рейнитцера занялся немецкий учёный-экспериментатор Отто Леман (1855-1922). В это время он занимался исследованием роста и растворения кристаллов с помощью поляризационного микроскопа. Он первым стал изучать поведение кристаллов и их расплавов в электрических полях. Леман создал не только отличные приборы для кристаллооптических исследований, но и разработал методику работы с ними при изучении плавления, кристаллизации, фазовых превращений полиморфизма и изоморфизма. Довольно быстро он нашёл у холестерилацетата и холестерилбнзоата по три твёрдых кристаллических модификации - физических изомера. Результаты исследований дали ему основание считать, что две точки плавления - это всего-навсего точки превращения различных модификаций друг в друга. Оказалось, что порядок расположения атомов, характерный для кристаллов, может быть не полным и что вообще может быть несколько разных видов порядка (один - в ориентации молекул, другой - в расположении их центров масс и т.д.).

Леман впервые высказал мысль, что расплав холетерилбензоата имеет все оптические свойства кристаллического вещества. Наблюдения и исследования Лемана легли в основу физики жидких кристаллов. “Для физиков всегда представляет огромный интерес тот факт, - писал Леман, - что существуют кристаллы, мягкость которых такова, что позволяет назвать их жидкими”.

Однако многие физики восприняли открытие жидких кристаллов с недоверием. Началась длительная и трудная борьба за их признание.

В 1904 г. Леман издаёт книгу “ Жидкие кристаллы ”, где в полном виде были собраны все экспериментальные доказательства реальности жидких кристаллов. Сторонников Лемана после этого прибавилось.

Немецкий физик Рудольф Шенк (1870-1965) заключает: “Исследования показывают, что жидкие кристаллы не только по своим оптическим, но и по своим другим свойствам совершенно аналогичны обычным кристаллам”.

Активным сторонником теории жидких кристаллов стал немецкий учёный Даниэль Форлендер (1867-1941). Он со своими учениками изготовил несколько сотен новых жидких кристаллов.

Количество жидких кристаллов постоянно возрастало. Когда появились их десятки и сотни, стал вопрос о разнообразии их строения.

Французский учёный Жорж Фридель (1865-1933) предложил первую классификацию жидких кристаллов, а также предложил заменить термин “жидкие кристаллы” другим термином - “мезоморфные” вещества.

Значительный вклад в науку о жидких кристаллах внёс русский учёный В. К. Фредерикс (1885-1943). Фредерикс и его школа проделали огромное число экспериментов с жидкими кристаллами, доказали ошибочность теории роев. Фредерикс впервые обратил внимание на оптический эффект нематика. Как и в кристалле, в нематике есть оптическая ось. Но, в отличие от твердого кристалла, в жидком кристалле этой осью легко управлять с помощью самых разных воздействий, в том числе и электрическими полями.

Эффект изменения направления оси в нематике под действием поля называется сейчас эффектом Фредерикса.

Ученики Фредерикса обращают внимание на главный факт существования у жидких кристаллов упругих деформаций, поняв который, можно будет судить о природе сил, удерживающих молекулы в жидком кристалле.

С 70-х годов XX в. начинается бурное развитие работ по применению жидких кристаллов в электронике, оптике, приборостроении и широкое исследование физики и химии этих веществ. В США организуется Институт жидких кристаллов. Издается специальный международный журнал, созываются международные конференции по жидким кристаллам и их применению. Нет сомнения в том, что в недалеком будущем жидкие кристаллы приведут к впечатляющим открытиям во многих областях знаний.

2. Основные типы жидких кристаллов

Итак, жидкокристаллическим (или мезоморфным) называется такое состояние вещества, которое обладает структурными свойствами, промежуточными между свойствами твёрдого кристалла и жидкости.

Как жидкости, они состоят из молекул анизотропной формы, сохраняющих определённый порядок в своём расположении относительно друг друга.

У молекул жидких кристаллов можно четко выделить характерные оси: в таких молекулах атомы располагаются вдоль избранной линии (молекулы-стержни или лежат в выделенной плоскости (молекулы-диски).

Как твердые кристаллы, жидкие имеют особое направление, вдоль которого ориентируются длинные оси молекул или плоскости молекул. При этом центры масс молекул не образуют правильную (кристаллическую) решётку, а располагаются хаотично в пространстве и могут в нём свободно перемещаться.

Различают три основных типа жидких кристаллов: смектические, нематически и холестерические.

2.1 Смектические жидкие кристаллы

В смектическом жидком кристалле молекулы расположены слоями, которые могут легко скользить один по другому, обусловливая текучесть жидкого кристалла. Слои расположены периодично друг относительно друга. Внутри слоёв, в боковых направлениях, строгая периодичность в расположении молекул отсутствует.

В зависимости от характера упаковки молекул в слоях и наклона их длинных осей относительно смектических плоскостей можно говорить о существовании той или иной полиморфной модификации смектического жидкого кристалла. В настоящее время обнаружено восемь полиморфных смектических модификаций (смектики типа A, B,C,D,E,F,G,H). Алфавитный порядок в обозначении новых типов смектического состояния в целом отражает возрастающую сложность строения жидких кристаллов, которые проявляют одинаковую твёрдость не во всех направлениях.

Текстура слоя смектического жидкого кристалла образована отдельными доменами - областями с определённой ориентацией молекул.

Из многих любопытных особенностей строения смектических жидких кристаллов отмечу ещё одну, которая наиболее ярко показывает их плоскостное строение, - образование ступенчатых капель. Если поместить немного вещества на очень чистую и ровную поверхность и нагреть, то смектическая фаза вещества проявится в виде ступенчатых плоских капель. Их появление является следствием слоистости смектического жидкого кристалла.

2.2 Нематические жидкие кристаллы

Нематические жидкие кристаллы не имеют такой слоистой структуры, как смектические. Молекулы беспорядочно сдвинуты в направлении своих длинных осей. Наблюдается лишь ориентационный порядок в расположении молекул: все молекулы ориентированы вдоль одного преимущественного направления.

Если посмотреть на препарат в микроскоп, можно увидеть тёмные тонкие нити. Это места, где молекулы резко меняют свою ориентацию. Эти нити называют - дисинклинациями.

При определённых температурах смектики могут превращаться в нематики. Приготавливая различные смеси, можно получить нематическую мезофазу в области от -20 С до +80 С, что удобно для практического использования жидких кристаллов.

2.3 Холестерические жидкие кристаллы

Холестерические жидкие кристаллы образуют в основном соединения холестерина и других стероидов. Структура жидких кристаллов такая же, как и у нематических, но дополнительно закручена в направлении, перпендикулярном длинным осям молекул.

Интересной особенностью холестерических жидких кристаллов является то, что падающий на тонкий слой кристалла луч света может претерпевать селективное отражение, т.е. закон отражения для белого света в этом случае не выполняется. Лучи различной длины волны будут отражаться под разными углами. Вследствие этого холестерическая плёнка будет выглядеть в отражённом свете ярко окрашенной.

2.4 Лиотропные жидкие кристаллы

До сих пор мы говорили о жидких кристаллах, которые образуются в процессе нагревания твёрдого кристалла и существуют в определённом температурном интервале. Эти жидкие кристаллы объединяются общим названием - термотропные мезофазы.

Жидкие кристаллы могут образовываться и при растворении твёрдого вещества в определённых растворителях. Это так называемые лиотропные мезофазы. Простейшим примером лиотропной мезофазы является водный раствор олеата калия при некоторой концентрации и температуре. Если поместить каплю такого раствора между предметным и покровным стёклами, то через несколько часов у краёв покровного секла начинают расти лиотропные жидкие кристаллы, имеющие смектическую упорядоченность.

Система растворитель - смектический жидкий кристалл часто даёт начало образованию своеобразной текстуры, т.н. миелиновых форм. Миелиновые формы предоставляют собой тонкие смектические слои жидкого кристалла, свёрнутые в трубки.

Структура лиотропных мезофаз сложнее, чем у термотропных жидких кристаллов. Структурными единицами здесь являются не молекулы, а молекулярные комплексы - мицеллы, которые могут принимать различные геометрические формы.

3. Условия существования жидких кристаллов

Почему возможно существование такой промежуточной формы материи с физическими свойствами, присущими как кристаллам, так и жидкостям.

Как уже отмечалось, жидкие кристаллы образуют только те вещества, которые имеют удлиненную форму молекул. Структура молекул может быть самой различной, но резко выраженная протяжённость молекул является необходимым условием образования кристаллов. Однако не все вещества, удовлетворяющие данным условиям, могут образовывать жидкие кристаллы. Поэтому, чтобы выяснить способно или нет вещество образовать жидкий кристалл, наряду с формой его молекул необходимо рассматривать ещё и силы взаимодействия между ними.

Изучение влияния формы молекулы и силы её электромагнитных связей на термическую устойчивость жидкокристаллических веществ позволило сделать общий вывод, что наличие в молекуле сильно поляризующихся бензольных колец, атомов или атомных группировок, а так же групп с постоянными диполями предопределяет потенциальную возможность соединения находиться в жидкокристаллическом состоянии.

Другими словами, тепловая устойчивость жидкого кристалла будет высокой и температурная область его существования достаточно широкой, если полярные группы имеются на концах и в центре молекулы.

4. Тепловые свойства жидких кристаллов

Вещество находится в жидкокристаллическом состоянии при определённых температурных границах. Этот интервал называют областью существования жидкого кристалла. У одних веществ эта область может быть достаточно большой, у других всего лишь несколько градусов.

Температура фазового перехода жидкого кристалла в изотропную жидкость, или как её ещё называют, температура просветления, может служить характеристикой термической устойчивости мезофазы. Чем выше эта температура, тем большая тепловая энергия требуется для преодоления сил межмолекулярного притяжения. Но величина этой тепловой энергии в несколько раз меньше энергии, затрачиваемой на переход твёрдого тела в жидкость. Однако к жидкому кристаллу достаточно подвести совсем незначительное количество тепловой энергии, чтобы разрушить молекулярный порядок, и привести молекулы в хаотическое движение, свойственное молекулам обычной жидкости.

Долгое время практическое использование жидких кристаллов тормозилось тем, что были известны вещества, образующие жидкие кристаллы, только при температурах, значительно превышающих комнатную. В настоящее время эти трудности преодолены. Синтезированы жидкие кристаллы, образующие нематическую фазу от -60 С до +60 С.

Кроме синтеза новых жидкокристаллических соединений, для расширения температурной области и сдвига её в ту или иную сторону используется метод получения многокомпонентных систем.

Следует отметить, что переход жидкого кристалла в изотропную жидкость, так же как и переход твёрдого кристалла в жидкий, сопровождается скрытой теплотой превращения. Интересно отметить среди тепловых свойств ещё одно, сближающее жидкие кристаллы с твёрдыми, - анизотропию теплопроводности. Жидкие кристаллы по-разному проводят тепло, если тепловой поток распространяется вдоль или поперёк молекул ориентированного жидкого кристалла.

5. Оптические свойства

Тонкие слои жидких кристаллов в поляризованном свете выглядят ярко окрашенными вследствие интерференции. Это происходит потому, что плоские волны, проходящие через поляризатор, в слое жидкого кристалла распадаются на две группы волн с разными скоростями колеблющихся во взаимно перпендикулярных плоскостях, что обусловлено анизотропией оптических свойств.

Двумя показателями преломления вещество обладает только в кристаллическом и жидкокристаллическом состоянии. Если жидкий кристалл нагреть, то при переходе в жидкое состояние это свойство исчезает, и у вещества остаётся один показатель преломления.

Для многих практических приложений важно, чтобы главное двулучепреломление кристалла было как можно больше. В этом отношении лишь немногие вещества могут соперничать с жидкими кристаллами.

Многие жидкие кристаллы плеохраничны. Неодинаковое поглощение света различной длины волны приводит к тому, что жидкие кристаллы при пропускании через них белого света кажутся окрашенными.

Для ЖК большое значение имеет так называемое двойное поглощение света, т.е. способность жидких кристаллов поглощать разное количество света для волн одной частоты, идущих в одном направлении, но колеблющихся в перпендикулярных плоскостях. ЖК сильно рассеивают свет. Слой толщиной в несколько миллиметров уже совершенно непрозрачен.

Во всех кристаллах холестерического типа и в их смесях с другими жидкими кристаллами наблюдается вращение плоскости поляризации света. Это явление носит название дисперсии вращения плоскости поляризации. Оптический путь луча света будет зависеть не только от шага спирали, но и от угла падения и от показателя преломления кристалла. Поэтому, слой под прямым углом, мы видим голубую окраску, а с уменьшением угла наблюдения окраска будет переходить последовательно в зелёную, жёлтую и далее в красную.

6. Электрические свойства

По электрическим свойствам все жидкие кристаллы делятся на две основные группы. К первой группе относятся жидкие кристаллы с положительной диэлектрической анизотропией, у которых Дє=є -є >0, ко второй - с отрицательной диэлектрической анизотропией Дє=є -є <0.

В общем, жидкие кристаллы являются диэлектриками, их средние удельное сопротивление лежит в пределах от 10 до 10 Ом/см. Величина диэлектрической проницаемости определяется величиной и направлением дипольного момента молекул. Диэлектрическая проницаемость не только различна для разных жидкокристаллических веществ, но, что особенно важно, она неодинакова по различным направлениям в одном и том же веществе (диэлектрическая анизотропия). Поэтому жидкий монокристалл в электрическом поле ориентируется так, чтобы направление максимальной диэлектрической проницаемости в нём совпадало с вектором напряжённости электрического поля.

Для нематических жидких кристаллов проводимость вдоль длинных осей молекул будет всегда больше проводимости поперёк длинных осей молекул. Таким образом, нематические кристаллы обладают положительной диэлектрической анизотропией.

Для смектических жидких кристаллов всё наоборот. В слоистых смектических жидких кристаллах ионам легче двигаться вдоль слоёв, т.е. перпендикулярно длинным осям молекул, поэтому смектические кристаллы обладают отрицательной диэлектрической анизотропией.

7. Магнитные свойства

Жидкие кристаллы являются диамагнитными материалами, как и большинство органических соединений. Магнитная проницаемость, как и магнитная восприимчивость - являются свойствами анизотропными.

Все жидкие кристаллы имеют наибольшую величину магнитной восприимчивости вдоль длинных осей молекул, и наименьшую поперёк этих осей. Поэтому молекулы любого жидкокристаллического вещества в магнитном поле всегда ориентируются вдоль силовых линий поля. Для ориентирования молекул жидкокристаллического вещества достаточно очень слабых магнитных полей (порядка 10 кГс), что особенно удобно для экспериментов.

Спрашивается, почему же довольно слабые магнитные поля способны ориентировать жидкий кристалл. Ответ прост. Строение их таково, что в них всегда существуют комплексы (домены), содержащие более миллиона параллельных друг другу молекул. Магнитные свойства молекул такого комплекса суммируются, а энергия взаимодействия магнитного поля с суммарным магнитным моментом комплекса молекул значительно превышает энергию их хаотического теплового движения. Это и позволяет применять магнитные поля для ориентации жидких кристаллов, т.е. для получения ориентированных жидких монокристаллов.

8. Практическое применение жидких кристаллов

Изучение ЖК помогает решать проблемы в разных областях науки и техники. Например, большинство ученых признают эволюционную идею о развитии жизни на Земле из неживой материи. На этапе биологической эволюции роль ЖК почти не вызывает сомнений. Процессы фотосинтеза, приведшие к образованию кислородной атмосферы, идут в зелёных растениях с прямым участием клеточных мембран, строение которых соответствует смектическому ЖК.

Жидкие кристаллы нашли широкое применение в оптике, радиоэлектронике, химии, биологии.

Например, такие свойства ЖК, как ориентация их молекул в электрическом поле, используются при разработке различных оптических фильтров. Прозрачность этих светофильтров может изменяться в широких диапазонах, являясь функцией разности потенциалов, подведенной к ЖК.

ЖК способны долгое время хранить записанную на них информацию. Информация, представленная в двоичном коде, электрическим сигналом записывается на ЖК матрицу, в виде участков с изменённым направлением молекул, прозрачностью матрицы. Считывание производится оптическим лазером. Прозрачно окошко или ячейка - записан 0; непрозрачно - 1.

Наиболее широкую известность получили ЖК, которые изменяют свой цвет в зависимости от температуры. С их помощью измеряют температуру, в частности человеческого тела, проверяют микроэлектронные схемы - определяют надёжность её элементов. С помощью ЖК можно измерять температуру не только непосредственно, но и на расстоянии. Это часто необходимо для регистрации мощности излучения ИК лазеров и СВЧ-антенн.

Уже давно применяется метод регистрации вредных веществ с помощью ЖК. Для этой цели созданы холестерики, которые вступают в реакцию с парами вредных веществ, что приводит к изменению шага спирали и соответственно цвета плёнки индикатора. Такой индикатор по чувствительности не уступает детекторам, построенным по иным принципам.

8.1 Формирование цветного изображения

Использование ЖК в системах отображения информации в современной электронике обусловлено их малым потреблением энергии.

Мониторы с ЖК матрицами вытесняют своих громоздких собратьев с электронно-лучевыми трубками.

Как же работает ЖК матрица? Матрица состоит из множества очень мелких пикселей. В каждом таком пикселе содержатся три ЖК ячейки. В основе работы матрицы лежат свойства ЖК менять свою прозрачность в зависимости от приложенного к ним напряжения, - т. н. напряжения выравнивания. Оно подаётся на подложки стеклянных панелей, между которыми заключена ячейка. В отличие от люминофора на экране обычного кинескопа, ЖК ячейки не светятся. Поэтому для получения видимого изображения они просвечиваются источником света, находящимся сзади экрана. Прикладывая различные напряжения к ячейкам каждого пикселя, можно менять его яркость и окраску, т.е. формировать изображение на поверхности матрицы. Напряжением выравнивания управляет полевой транзистор, расположенный в правом верхнем углу каждой ячейки. Зерном матрицы считается пиксель (примерно 0,2-0,3 мм).

Вот основные преимущества ЖК матриц: матрица не мерцает ни при какой частоте кадров, т.е. каждая строка живет, не меняя своей яркости вплоть до замены её новой строкой; яркость свечения жидкокристаллических мониторов может быть намного выше, чем с электронно-лучевыми трубками, определяется яркостью свечения ламп подсветки; у жидкокристаллических матриц нет свойственных обычным мониторам геометрических искажений, ухудшения фокусировки на краях экрана; малая потребляемая мощность и отсутствие вредного излучения; более высокая надёжность.

Сегодня ЖК мониторы несколько дороже обычных, однако, полагают, что уже в ближайшее время их стоимости сравняются, и преимущества первых станут более очевидными.

Заключение

ЖК ещё далеко не познаны. Сегодня мало изученным является вопрос 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 оптика жидких кристаллов, т.н. «нелинейная оптика».

Много доброго и полезного делают ЖК уже сегодня, но еще больше мы ждем от них завтра. И нет сомнений в том, что в недалёком будущем ЖК приведут нас к впечатляющим открытиям.

Литература

1. Чандрасекар С. Жидкие кристаллы - М.: Мир, 1980 - 344 с.

2. Пикин С.А., Блинов Л.М. Жидкие кристаллы. - М.: Наука, 1982. - 280 с.

3. Чистяков И.Г. Жидкие кристаллы. - М.: Наука, 1966. - 272 с.

4. www.referat.ru

5. www.russian-globe.com

6. www.3dnews.ru

7. http://dk.compulenta.ru

8. www.cultinfo.ru

Подобные документы

Образование снежных узоров и ледяных кристаллов, этапы и принципы их роста. Структура узоров и снежинок, их основные разновидности и формы. Методы и главные этапы проведения исследовательской работы, анализ и интерпретация полученных результатов.

контрольная работа , добавлен 22.02.2016


История открытия и практического применения бактериофагов. Научные подходы к проблеме природы фагов. Морфологические типы фагов, их химический состав, строение и антигенные свойства. Адсорбция фага на клетке. Лизогения и её биологическое значение.

реферат , добавлен 02.11.2009


Структура сферической клетки и циллиндрического волокна. Влияние формы клеток и топологии ткани на их электрические свойства и функции. Первая машинная модель проведения импульсов по неоднородным нервным волокнам. Электрические свойства синцитий.

реферат , добавлен 08.08.2009


Белок – неотъемлемая составляющая нашего организма, нарушение которой может вызвать его разрушение. Исторический анализ открытия и исследований белков. Свойства белка, выделение. Биосинтез и химический синтез белка - практическое применение и значение.

реферат , добавлен 18.05.2008


Характеристика пиявок, которые относятся к отряду класса кольчатых червей. История открытия этого вида, их отличительные особенности и типы. Применение пиявок в медицине, гирудотерапия - кровопускание с помощью пиявок, при заболеваниях сердца, печени.

реферат , добавлен 17.02.2010


Ферменты: история их открытия, свойства, классификация. Сущность витаминов, их роль в жизни человека. Физиологическое значение витаминов в процессе обмена веществ. Гормоны - специфические вещества, которые регулируют развитие и функционирование организма.

реферат , добавлен 11.01.2013


Основные этапы и тенденции развития алхимии. Ведущие задачи неорганической и органической химии. Реакционная способность веществ, анализ и синтез. Важнейшие химические связи. Условия существования живого вещества. Строение и свойства белковых молекул.

контрольная работа , добавлен 21.05.2009


Капли микроэмульсии как микрореакторы для химических реакций, растворители для органического синтеза, среды для ферментативных реакций; их применение для получения наноразмерных латексов. Поверхностно-активные вещества в реакциях мицеллярного катализа.

реферат , добавлен 17.09.2009


История открытия витаминов. Их классификация, содержание в организме и основные источники поступления. Своцства и функции витаминоподобных веществ. Минеральные элементы и вещества, их биологическое действие роль в процессах жизнедеятельности организма.

дипломная работа , добавлен 11.07.2011


История открытия и характеристика Cs-137, применение цезиевых сорбентов. Строение, свойства и значение клетчатки. Характеристика соломы как носителя клетчатки. Методика исследования и изучение сорбционных свойств клетчатки соломы относительно Cs-137.

Введение

Открытие жидких кристаллов

Понятие и классификация жидких кристаллов

Свойства жидких кристаллов

1 Вязкость и плотность жидких кристаллов

2 Оптические и электрооптические свойства

3 Эффект памяти

4 Диамагнитные свойства

5 Диэлектрические свойства

6 Акустооптические свойства

Применение жидких кристаллов

Заключение

Список литературы

Введение

В конце XIX века были открыты вещества, свойства внутренней структуры которых в жидком состоянии имели черты, характерные как для жидкости, так и для твердого тела.

Такое состояние вещества было названо мезоморфным, что означает состояние с промежуточной структурой, а вещества - жидкими кристаллами. Представлялось, что это название не соответствует истине, что вызывало много споров. Вещество в жидком состоянии обладает текучестью и принимает форму сосуда, в котором находится. Ориентация молекул в жидкости, даже если она имеет место, имеет ближний порядок в диапазоне нескольких молекулярных слоев. В твердотельном кристалле, наоборот, молекулы строго ориентированы во всем объеме и имеют дальний порядок. Однако жидкие кристаллы - это вещества, имеющие при данных температурных условиях характер жидкости и твердого тела. Встречаются они довольно часто.

Достаточно сказать, что из двухсот вновь синтезированных веществ, по крайней мере, одно - жидкокристаллическое.

Зачем нужны жидкие кристаллы? В обыденной жизни мы сталкиваемся с часами, термометрами, плоскими экранами телевизоров, словарями-переводчиками и многими другими современными электронными техническими и бытовыми приборами и устройствами на жидких кристаллах.

Научный интерес к жидким кристаллам обусловлен возможностями их эффективного применения в ряде отраслей производственной деятельности. Внедрение жидких кристаллов означает экономическую эффективность, простоту, удобство.

В 1988 г. научная общественность отметила столетие открытия жидких кристаллов - нового состояния вещества. Почти 100 лет назад ученые обнаружили, что вещества в жидкокристаллическом состоянии обладают текучестью, как обычные жидкости, и в то же время их оптические свойства поразительно похожи на свойства твердых кристаллов.

1. Открытие жидких кристаллов

В 1888г. ботаник Рейнитцер опубликовал свои наблюдения о поведении при изменении температуры синтезированного им холестерилбензоната. Кристаллы этого вещества плавились при температуре 145,5°С, переходя в мутную жидкость. Эта жидкость при дальнейшем нагревании становилась прозрачной при 178,5°С и с дальнейшим повышением температуры оставалась неизменной. В процессе охлаждений в жидкости появлялась голубоватая окраска при 178,5°С, которая быстро исчезала, и жидкость мутнела. Когда температура достигала 145,5°С, снова появлялась такая окраска, после чего наступала кристаллизация.

Кроме красивой окраски, он обнаружил у этого вещества еще целый ряд необычных свойств. Холестерилбензонат плавился в две стадии: вначале образовывалась мутная жидкость, а при дальнейшем нагревании - прозрачный расплав. Мутная жидкость при наблюдении в поляризационный микроскоп выглядела как двухфазная система. Одна фаза представляла собой ярко окрашенный фон, на котором ясно видны были "маслянистые бороздки - тоненькие ручейки другой фазы. Ярко окрашенный фон, изменяющий свой цвет при нагревании, вдобавок обладал двойным лучепреломлением и вращал плоскость поляризации света. При охлаждении прозрачного расплава мутная жидкость возникала не сразу. Вначале образовывались звездоподобные агрегаты, которые только при дальнейшем охлаждении переходили в фазу с "маслянистыми бороздками".

Рейнитцер считал, что в состоянии мутной жидкости одна из фаз, по- видимому, являлась кристаллической. Только этим он мог объяснить наличие у этой фазы двойного лучепреломления, свойства присущего только кристаллам. Однако разделить эту смесь Рейнитцер не смог и послал свой препарат известному немецкому физику О. Леману.

Образцы Рейнитцера исследовал физик Леманн в поляризационном микроскопе и установил, что исследуемая жидкость в мутном состоянии проявляет оптическую анизотропию. Исследованные им п-азоксифенетол, олеат аммония, этиловый эфир п-азоксибензойной кислоты в определенных температурных интервалах имели, с одной стороны, свойства жидкости, с другой, в связи с оптической анизотропией, свойства твердого тела. В исследуемых образцах Леманн установил наличие микрозон со спонтанной оптической анизотропией, что убедило его в том, что это новое, до сих пор не известное состояние вещества, которое он назвал жидкокристаллическим. Вначале Леманн ошибочно считал, что вещества в таком состоянии имеют очень подвижную объемную кристаллическую решетку. Одни экспериментаторы, изучавшие эти вещества, полагали, что имеют дело с эмульсиями, сильно рассеивающими свет, другие - что в веществах образуются микрокристаллы, окруженные пленкой.

Термин жидкие кристаллы был предложен Леманом. Этот термин основан на привлекательности сочетания двух противоположных слов - жидкий и кристаллический, этот термин хорошо прижился. Только через тридцать лет появился другой, теперь столь же распространенный термин - мезоморфное состояние (если речь идет о фазе, - мезофаза), который ввел французский физик Фридель, образовав его от греческого слова "мезос" - промежуточный.

Сейчас чаще всего термин жидкий кристалл употребляется для обозначения химического вещества, которое может в определенном интервале температур образовывать мезофазу.

Жидкие кристаллы были открыты почти сто лет назад, но только в последние двадцать лет они стали интенсивно изучаться. Причем их изучение развивалось такими темпами, которые даже в наше время следует считать стремительными.

Действительно, если в шестидесятые годы количество статей в научных журналах и патентов, посвященных жидким кристаллам, всего несколько десятков в год, то уже во второй половине семидесятых годов их ежегодное количество приблизилось к тысяче. За эти годы синтезировано несколько тысяч новых жидких кристаллов, в том числе много практически важных, создана промышленность, производящая жидкие кристаллы. Жидким кристаллам найдено множество применений - от хроматографии до телевидения; построены заводы, выпускающие изделия, в которых работают жидкие кристаллы. За эти годы создана физика жидких кристаллов, основанная на континуальной теории, краеугольными камнями которой явились теория упругости и гидродинамика.

2. Понятие и классификация жидких кристаллов

Жидкий кристалл - это специфическое агрегатное состояние вещества, в котором оно проявляет одновременно свойства кристалла и жидкости. Сразу надо оговориться, что далеко не все вещества могут находиться в жидкокристаллическом состоянии. Большинство веществ может находиться только в трех, всем хорошо известных агрегатных состояниях: твердом или кристаллическом, жидком и газообразном .

Оказывается, некоторые органические вещества, обладающие сложными молекулами, кроме трех названных состояний, могут образовывать четвертое агрегатное состояние - жидкокристаллическое . Это состояние осуществляется при плавлении кристаллов некоторых веществ. При их плавлении образуется жидкокристаллическая фаза, отличающаяся от обычных жидкостей. Эта фаза существует в интервале от температуры плавления кристалла до некоторой более высокой температуры, при нагреве до которой жидкий кристалл переходит в обычную жидкость.

Чем же жидкий кристалл отличается от жидкости и обычного кристалла и чем похож на них? Подобно обычной жидкости, жидкий кристалл обладает текучестью и принимает форму сосуда, в который он помещен. Этим он отличается от известных всем кристаллов. Однако, несмотря на это свойство, объединяющее его с жидкостью, он обладает свойством, характерным для кристаллов. Это - упорядочение в пространстве молекул, образующих кристалл. Правда, это упорядочение не такое полное, как в обычных кристаллах, но, тем не менее, оно существенно влияет на свойства жидких кристаллов, чем и отличает их от обычных жидкостей. Неполное пространственное упорядочение молекул, образующих жидкий кристалл, проявляется в том, что в жидких кристаллах нет полного порядка в пространственном расположении центров тяжести молекул, хотя частичный порядок может быть. Это означает, что у них нет жесткой кристаллической решетки. Поэтому жидкие кристаллы, подобно обычным жидкостям, обладают свойством текучести.

Обязательным свойством жидких кристаллов, сближающим их с обычными кристаллами, является наличие порядка пространственной ориентации молекул. Такой порядок в ориентации может проявляться, например, в том, что все длинные оси молекул в жидкокристаллическом образце ориентированы одинаково. Эти молекулы должны обладать вытянутой формой. Кроме простейшего названного упорядочения осей молекул, в жидком кристалле может осуществляться более сложный ориентационный порядок молекул.

Наряду с термином "жидкие кристаллы" для названия вновь открытого состояния материи на протяжении многих лет употребляют и другие термины: текучие кристаллы, мезоморфное состояние . Однако чаще всего наряду с термином жидкий кристалл применяется название анизотропная жидкость, а чтобы более детально подчеркнуть тип жидкого кристалла, употребляют следующие термины: нематическая, смектическая или холестерическая жидкости . Жидкие кристаллы получают не только плавлением, но и растворением некоторых твердокристаллических тел. С увеличением концентрации раствор вначале дает смектическую, затем нематическую и изотропную жидкости. Однако некоторые вещества в соответствующем растворителе дают кристаллы только одного типа, например холестерические жидкие кристаллы. Полученные таким способом кристаллы называются лиотропными, в отличие от термотропных кристаллов, полученных плавлением твердоговещества.

Жидкие кристаллы можно разделить на две группы: термотропные жидкие кристаллы и лиотропные.

Термотропные жидкие кристаллы образуются в результате нагревания твердого вещества. Они существуют в определенном интервале температур и давлений. Лиотропные жидкие кристаллы представляют собой двух- или более компонентные системы, образующиеся в смесях амфифильных молекул и воды или других полярных растворителей, заменяющих воду.

Классификация жидких кристалловпредложена Леманном, затем расширена Фриделем. По этой классификации выделяются три типа смектические, нематические и холестерические. Жидкие кристаллы, входящие в каждую из этих групп, различаются физическими, и, прежде всего, оптическими свойствами. Это отличие следует из их структурного различия. Рассмотрим каждый тип подробнее.

Смектическое мезоморфное состояние впервые наблюдалось в мылах ("смегма" - по-гречески мыло). Внутренние и внешние поверхности пленок и есть, собственно, смектические слои разделенные в пузырях водной прослойкой. В таких кристаллах вытянутые молекулы в форме сигар или веретен расположены параллельно своими длинными осями и образуют слои одинаковой толщины, близкой длине молекул.

Эти, так называемые смектические слои лежат один над другим на одинаковом расстоянии, они могут легко скользить один по одному, обусловливая текучесть жидкого кристалла. Молекулярные слои в типичных смектических жидких кристаллах подвижны, легко перемещаются параллельно друг другу. Температура фазового перехода в мезоморфное состояние достаточно высока. Она должна быть такой, чтобы нарушить связь между рядами, но не нарушить связь между молекулами, расположенными на близком расстоянии. Если связь между молекулами в отдельном слое частично нарушена, то вещество в пределах слоя ведет себя как двумернаяжидкость. По мереснижения температуры упорядочение в слояхувеличивается, а при достаточно низких температурах наблюдается упорядочение нетолько молекулв слоях, но и самих слоев исоответственно их взаимное прилегание. При дальнейшем понижениитемпературы появляется кристаллическая структура, т.е. может образоваться твердый кристалл с простейшей молекулярнойструктурой. Смектические жидкие кристаллы часто называют смектиками.

Нематические жидкие кристаллы ("нема" - по-гречески нить) характеризуются наличием микроструктур в виде нитей, концы которых либо свободны, либо связаны со стенкой емкости, в которой находится изучаемое вещество. Ориентация осей молекул в этих кристаллах параллельна, однако они не образуют отдельные слои. Длинные оси молекул лежат вдоль линий, параллельных определенному направлению, а их центры размещены хаотично. Нематические жидкие кристаллы называются также нематиками .

Холестерические жидкие кристаллы , или холестерики (от названия вещества холестерина), состоящие из хиральных молекул.

К ним относятся, главным образом, производные холестерина. Сам холестерин не дает мезофазы. В холестерических жидких кристаллах молекулы расположены в слоях, как и в смектиках, однако длинные оси молекул параллельны плоскости слоев, а их расположение в пределах слоя напоминает скорее нематик. Слои в холестерических кристаллах тонкие, мономолекулярные. Каждая молекула имеет плоскую конфигурацию и боковую метильную СНз-группу, расположенную над или под плоскостью. При такой конфигурации атомоввмолекулах следует, что направление ориентации длинных осей молекул вкаждом последующем слое отклонено на 15 угловых минут по сравнению с предыдущим слоем. Эти отклонения суммируются по всей толщине вещества, что приводит к образованию спиральной молекулярной структуры холестерического жидкого кристалла.

Холестерические жидкие кристаллы похожи по структуре на нематики, но имеют принципиальное отличие. Оно состоит в том, что в холестерике, свободном от внешних воздействий, однородная ориентация оптической оси является энергетически невыгодной. Молекулы холестерина можно расположить параллельно друг другу (как в нематике) в тонком монослое, но в соседнем слое хиральные молекулы должны быть повернуты на некоторый малый угол: энергия этого состояния оказывается меньшей, чем при однородной ориентации оси. В стопке таких нематических монослоев ось поворачивается постепенно от слоя к слою, образуя в пространстве правый или левый винт, называемый также твист-ориентацией оптической оси.

Угол между векторами соседних монослоев и шаг винта к в холестерике можно грубо оценить, исходя из простых предположений. Очевидно, чем меньше угол (где угол между векторами соседних монослоев) тем меньше энергия взаимодействия спирального участка молекулы с соседней молекулой и тем больше взаимодействие основных плоских участков молекул. Поскольку, грубо говоря, спиральный участок содержит один атом, а плоский - 100, то отношение этих энергий взаимодействия составляет около 0,01. Поэтому угол составляет сотые доли полного оборота.

Холестерики ярко окрашены и малейшее изменение температуры (до тысячных долей градуса) приводит к изменению шага спирали и, соответственно, изменению окраски жидкого кристалла.

Голубые фазы . Такое название благодаря своей окраске получили состояния вещества, содержащего хиральные молекулы, которые существуют в узкой температурной области порядка 10 между изотропножидкой и холестерической фазами. Они долгое время интриговали исследователей, поскольку никак не удавалось расшифровать их структуру. Голубые фазы оптически изотропны, имеют кубическую пространственную структуру, обладают оптической активностью. Размер элементарной ячейки обычно больше шага холестерического винта.

В настоящее время поняты причины этих особенностей голубых фаз. В сущности, такие состояния хирального вещества демонстрируют возможность образования трёхмерных структур, когда на холестерическуго ориентационную спираль накладываются дополнительные модуляции в трех измерениях с периодом, не равным шагу исходного винта. Эти новые кубические сверхструктуры, как и одномерную холестерическую, можно было бы назвать несоразмерными, т. е. обладающими пространственными периодами, не кратными размерам молекул l. Информацию о кубическом строении голубых фаз дают экспериментальные данные по брэгговскому рассеянию в видимом диапазоне спектра. При объяснении необычных свойств голубых фаз решающее значение имели соображения Бразовского и Дмитриева о том, что в таких системах большую роль играет так называемый ближний порядок молекул, т. е. организация молекулярных групп на сравнительно малом расстоянии I, называемом корреляционным радиусом.

3. Свойства жидких кристаллов

.1 Вязкость и плотность жидких кристаллов

Впервые вязкость веществ, способных находиться в жидкокристаллическом состоянии, была измерена Шенком. Капиллярный метод позволил измерить вязкость холестерилбензоата и n-азоксианизола. Опыт показал, что вязкость мезофазы уменьшается с повышением температуры, однако при температурах, близких к переходу нематической фазы в изотропное состояние, она быстро возрастает, достигая максимума. При дальнейшем повышении температуры в изотропном состоянии вязкость монотонно уменьшается.

Более поздние работы с другими веществами также показали внезапное возрастание вязкости вблизи изотропно-нематического и изотропно-холестерического переходов. Вид кривых оказывается различным. В одних случаях максимум на кривой симметричен, в других вязкость после достижения максимального значения изменяется очень плавно. Вязкость нематической фазы, например n-азоксианизола, оказалась очень низкой, лишь немногим выше, чем у воды при комнатной температуре. Величина вязкости смектической фазы значительно выше, чем у нематической и холестерической. К сожалению, работ, относящихся к этому типу мезофаз, опубликовано очень мало. Известно, что в смектической фазе, имеющей слоистое строение, вязкость в двух направлениях (вдоль слоев и перпендикулярно слоям) оказывается различной. Прерывистость в изменении вязкости наблюдается и при переходах внутри жидкокристаллической фазы. Так, этил-n-(4-метоксибензилиден-ди-амино)циннамат имеет три мезофазы.

В ряде измерений была обнаружена анизотропия вязкости в жидких кристаллах. Исследования, проведенные в магнитном поле для n-азоксианизола при 122°, дали три значения коэффициента вязкости:

) молекулы мезофазы параллельны направлению течения жидкого кристалла в капилляре, = 0,024;

) молекулы параллельны градиенту скорости течения, = 0,092;

) молекулы перпендикулярны вектору скорости и вектору градиента скорости истечения, = 0,034. Интересно отметить, что, оказалось меньше вязкости изотропной жидкости.

Скачкообразное изменение вязкости в области фазовых переходов внутри жидкокристаллической фазы, по-видимому, вызывается нарушением молекулярной организации, которое в точках фазового перехода особенно велико и наступает внезапно. Аналогичные изменения имеют место в дисперсных системах.

В этой связи было интересно провести измерения скорости распространения и поглощения звука. Известно, что скорость звука (или адиабатическая сжимаемость) является одной из физических характеристик вещества. Обладая свойствами жидкости, мезофаза обнаруживает сдвиговую и объемную вязкость, количественной мерой которой служит поглощение ультразвука.

Мартьянова и Капустин исследовали зависимость скорости и поглощения ультразвука от температуры в этиловом эфире 4-анизальаминокоричной кислоты, которая имеет одну нематическую и две смектические модификации. Импульсный ультразвуковой метод измерения, примененный на частоте 7 Мгц, не содержал каких-либо особенностей. Точность измерения скорости звука с составляла 0,5%, а коэффициента поглощения 7%.

Коэффициент поглощения звука в интервале между точками перехода медленно увеличивается с температурой, претерпевая скачки в области каждого фазового перехода.

Опыт показывает, что в области фазовых переходов наблюдается изменение температурного коэффициента скорости звука. Плотность вещества во всем температурном интервале изменяется очень мало. Поэтому аномальные изменения свойств мезофазы, по-видимому, обусловлены образованием молекулярных групп - роев, которые создают упругую гетерогенность вещества. Размеры роев не сохраняются постоянными. При понижении температуры они увеличиваются, сохраняя дальний порядок в расположении осей молекул. Таким образом, процесс разрушения структуры мезофазы происходит в несколько этапов. Структурные изменения мезофазы обусловливают резкое изменение сжимаемости и соответственно скорости ультразвука.

Оствальд пытался установить связь между температурными изменениями вязкости в жидких кристаллах и в коллоидных смесях. Аналогия в температурных зависимостях позволила предположить, что нематические и холестерические фазы обладают дисперсностью, что типично для коллоидов. Он показал также, что аномальная или структурная вязкость, известная к тому времени в грубодисперсных системах, проявляется и в жидких кристаллах. По мнению Лоуренса, хотя аналогия в поведении коллоидов и мезофаз и не может быть полной, однако изучение вязкости нематических фаз важно для подтверждения концепции существования роев. Если они действительно существуют в различных типах мезофаз, то становится понятным, что системы проявляют некоторые свойства коллоидов. Однако Лоуренс полагал, что появление аномально высокой вязкости непосредственно перед фазовым переходом едва ли может рассматриваться в качестве характерного свойства самой мезофазы. Внезапные большие изменения вязкости вблизи точки перехода могут вызываться турбулентным эффектом в анизотропном расплаве. Некоторое подтверждение этому можно видеть в том, что пик вязкости при переходе между более вязкой смектической фазой и изотропной жидкостью отсутствует. Кроме того, известно, что высота пика для изотропно-холестерических переходов зависит от скорости течения.

Влияние магнитного поля на поведение среды необходимо учитывать при построении гидродинамической теории нематических жидких кристаллов. Исследование действия магнитного поля на коэффициенты вязкости и теплопроводности показало, что в силу слабой намагниченности жидких кристаллов влияние поля следует учитывать лишь при весьма больших внешних полях, порядка 104-105 э и выше. В столь высоких полях ось анизотропии нематических жидких кристаллов практически параллельна магнитному полю (при не слишком больших градиентах гидродинамического потока)

Измерению плотности жидких кристаллов посвящено небольшое количество работ.

Форлендер изучал зависимость плотности n-азоксианизола от температуры. Увеличение плотности в области изотропно-нематического перехода составило 0,26%. По данным работы изменение плотности при изотропно-нематйческом переходе в чистом n-азоксианизоле составляет 0,36%. При плавлении твердых кристаллов плотность меняется в 30 раз больше, чем при изотропно-нематйческом переходе. Изучение зависимости плотности этил-анизаль-n-аминоциннамата от температуры выявило интересные особенности. Отсутствие аномального хода плотности в области изотропно-нематического перехода весьма сомнительно. В области нематико-смектического перехода плотность возрастает с уменьшением температуры. Ее относительное изменение составляет около 1%. При дальнейшем понижении температуры плотность увеличивается по линейному закону.

В общем можно сказать, что изучение зависимости плотности от температуры - сложный процесс, при котором играет роль индивидуальность вещества, его чистота и тщательное термостатирование.

3.2 Оптические и электрооптические свойства

Спонтанная ориентация молекул в жидких кристаллах приводит к тому, что эти вещества проявляют оптическое двулучепреломление, свойственное некоторым твердым кристаллам. Свет, проходя через однородно-упорядоченные слои жидких кристаллов, распадается на два луча: необыкновенный, направление поляризации которого совпадает с направлением оптической оси жидкого кристалла, и обыкновенный, с направлением поляризации, перпендикулярным этой оси. Кристалл считается оптически положительным, если ne-n0>0, и оптически отрицательным, если п е - n0<0; п е и n0 - коэффициенты преломления необыкновенного и обыкновенного лучей.

Нематические и смектические жидкие кристаллы оптически положительны и направление длинных осей молекул совпадает с направлением оптической оси. Холестерические жидкие кристаллы, в которых длинные оси молекул перпендикулярны оси холестерической спирали, которая, в свою очередь, параллельна оптической оси образца, - оптически отрицательны. Эта особенность часто служит критерием отличия холестерических жидких кристаллов от смектических.

Знак двулучепреломления и направление оптической оси в жидкокристаллическом образце, как и в твердом кристалле, можно определить при наблюдении в микроскопе в сходящемся свете.

Ориентированные слои жидкокристаллических холестериков, нематиков и смектиков А оптически одноосны, т. е. для жидких кристаллов характерно только одно направление, в котором свет проходит с одинаковой скоростью независимо от состояния поляризации. В смектиках С имеются два таких направления, они двуосны. Двуосное состояние можно получить деформацией холестерических и нематических жидких кристаллов.

Двулучепреломление нематиков монотонно убывает с ростом температуры и резко падает до нуля в точке фазового перехода в изотропную жидкость. Коэффициент преломления длянеобыкновенного луча п е резко уменьшается с ростом температуры, а коэффициент преломления обыкновенного луча n0 медленно растет.

Показано, что термическая зависимость двулучепреломления нематиков определяется дисперсионными силами и силами отталкивания. Замечательными оптическими свойствами обладают системы типа "закрученный нематик". Такую систему получают следующим образом: жидкий кристалл помещают между двумя стеклянными пластинами, поверхности которых обработаны таким образом, чтобы слой нематика ориентировался планарно, и пластины закручивают относительно друг друга на 90°. В результате поворота пластин оптическая ось нематика деформируется (как показано на рисунке). Слой закрученного нематика в параллельных поляроидах дает темное поле зрения, поскольку направление поляризации света, проходящего через слой кристалла, поворачивается на п/2. Более тщательный эксперимент Гука и Тарри показал, что свет, проходящий через слой закрученного нематика, поляризован по эллипсу - поле зрения затемнено не полностью.

Поскольку слой закрученного нематика подобен слою холестерина с относительно большим шагом, Гук и Тарри использовали метод Аззама и Башара и получили следующее выражение для интенсивности I света, прошедшего через закрученный нематик:

где I0 - интенсивность падающего света; d - толщина образца; - длина волны. Анализ полученных данных показывает, что полное гашение характерно только для некоторых длин волн. Для больших значений х эллиптичностью света можно пренебречь и считать, что направление поляризации света повернуто на 90° независимо от длины волны. Смектические жидкие кристаллы типа А, молекулы в которых выстроены перпендикулярно смектическим плоскостям, оптически одноосны. Кристаллы смектические типа С, для которых характерна ориентация молекул наклонно к плоскости слоев, оптически двуосны, По мнению некоторых авторов, оптическая двуосность смектиков типа С вызвана анизотропией параметра порядка и их "елочной" структурой. Наиболее интересные оптические свойства имеют холестеричеекие жидкие кристаллы. Холестерики, в отличие от нематиков и смектиков, оптически отрицательны (п е - n0<0). Они одноосны. Их замечательными оптическими свойствами, которые характерны для твердых кристаллов в диапазоне рентгеновского излучения, являются очень сильная (большая, чем для всех известных веществ) способность вращать плоскость поляризации, и селективное отражение света. Эти исключительные_ свойства жидких кристаллов холестерического типа - следствие их спиральной структуры и того, что длина шага холестерической спирали сравнима с длиной волны видимого света. Распространение света в холестерических жидких кристаллов изучалось многими авторами как теоретически, так и экспериментально. Теория Озеена и де Ври хорошо обьясняет оптические свойства холестериков для случая, когда направление света перпендикулярно ориентированным слоям.

3.3 Эффект памяти

Состояние помутнения, вызванное наличием ионного тока в жидком кристалле (явление динамического рассеяния света) исчезает примерночерез 100 мс после снятия поля. Хейльмейер и Голдмахер заметили, что смеси нематиков с отрицательной диэлектрической анизотропией с несколькими массовыми долями эфиров холестерина сохраняют состояние помутнения достаточно долго после снятия поля. Время, в течение которого образец рассеивает свет, колеблется от нескольких часов до нескольких недель. Очень важным является то обстоятельство, что состояние молочного помутнения тонкого слоя можно легко и быстро погасить, приложив к образцу переменное напряжение с частотой от 500 до 2000 Гц.

Это явление было названо эффектом памяти. Схема работы элемента с памятью: этот элемент составлен из двух параллельных пластин, покрытых проводящим слоем, между которыми помещается жидкокристаллическая смесь. Ориентированный и прозрачный вначале слой жидкого кристалла становится молочно-белым при наложении поля. Такое состояние ("запись") сохраняется в ячейке после снятия поля в течение нескольких дней и даже месяцев. Переменное напряжение акустической частоты стирает запись. Запись в ячейках с памятью осуществляется с помощью переменного напряжения низкой частоты либо постоянного напряжения, равного 20-30 В. Стирающее напряжение акустической частоты имеет тот же порядок. Частота стирающего переменного напряжения должна быть выше некоторой критической величины, выше которой не образуются электрогидродинамические нестабильности. Величина критической частоты пропорциональна электропроводности жидкого кристалла.

3.4 Диамагнитные свойства

Магнитное поле является превосходным средством ориентации молекул нематической структуры. Его действие сказывается непосредственно почти на всем пространстве, занятом полем. Молекулы органических веществ чаще всего диамагнитны. Возникающий в них в магнитном поле H магнитный момент направлен противоположно H . Этот эффект особенно заметен у ароматических соединений, содержащих бензольные кольца. Если плоскость кольца перпендикулярна направлению магнитного поля, то атомы углерода, расположенные в вершинах шестиугольника, ведут себя подобно проводящему витку, в котором под действием поля Н индуцируется противодействующий ток.

Остановимся на некоторых явлениях в жидких кристаллах в постоянном магнитном поле.

Бозе рассматривал нематическую фазу, состоящую из большого числа групп молекул, вследствие чего в объеме она выглядела мутной. Он показал, что анизальдазин в магнитном поле становится прозрачным. Моген, наблюдая двойное лучепреломление в n-азоксианизоле и n-азоксифенетоле, установил, что действие магнитного поля достаточной напряженности вызывает ориентацию молекул, в результате чего их оси приобретают направление, параллельное силовым линиям поля. Учитывая эти результаты при изучении изменения e и проводимости в магнитном поле. Каст обнаружил диэлектрическую анизотропию в жидких кристаллах и зависимость диэлектрической проницаемости n-асксианизола от напряженности магнитного поля.

Дальнейшее развитие работ привело к выводу, что ориентирующее воздействие магнитного поля на мезофазу следует искать не в магнитных моментах молекул (или их роев), а в анизотропии их диамагнитных свойств.

Фуа обратил внимание на сходство поведения жидких кристаллов в магнитном поле с поведением ферромагнетиков при намагничивании и предположил, что аналогично доменам в ферромагнетиках в жидких кристаллах существуют очень маленькие элементы объема, в пределах которых молекулы параллельны между собой. В отсутствие внешнего поля направление этих элементов объема произвольно и для каждого элемента является функцией времени. При наложении магнитного поля происходит их ориентация. Следует, однако, отметить, что, несмотря на пользу приведенной аналогии, имеющихся экспериментальных данных недостаточно для суждения о том, происходит ли ориентация молекул внутри самих групп - доменов. Что касается групп, то с увеличением температуры их взаимная ориентация уменьшается, поэтому коэффициент намагничивания возрастает по абсолютной величине. Экспериментальные данные показали, что смектические и холестерические жидкие кристаллы для полной ориентации требуют больших полей (104 - 3*104 гс). Некоторые из таких веществ сохраняют вызванную ориентацию и после удаления поля, что связано с большой вязкостью, способствующей сохранению молекулярного порядка.

Подводя некоторые итоги, можно указать существенные различия между диэлектрическими свойствами нематических жидких кристаллов, с одной стороны, и диамагнитными и оптическими - с другой. Они сводятся к следующему.

Как диамагнитная, так и оптическая анизотропия у всех нематических жидких кристаллов положительна в соответствии с тем, что и в электрическом и в магнитном полях поляризуемость молекулы вдоль ее длинной оси больше, чем вдоль короткой. Диэлектрическая анизотропия и молярные восприимчивости вдоль оси жидкого кристалла и перпендикулярно ей у различных кристаллов в диапазоне радиочастот могут быть как положительными, так и отрицательными.

Это различие объясняется тем, что в последних существенную роль играет дипольная поляризация мезофазы. Поэтому если оптическая и магнитная анизотропия зависит лишь от упорядоченности молекулярных осей, то диэлектрическая анизотропия в значительной мере определяется силами ориентационного взаимодействия молекул, препятствующими поворотам их жестких диполей в электрическом поле. При этом вращение диполя, по-видимому, должно быть более свободным, когда оно совершается вокруг длинной оси молекул, и более заторможенным при вращении вокруг короткой оси. Поэтому у тех жидких кристаллов, у которых диполь наклонен под большим углом к продольной оси, можно ожидать отрицательной диэлектрической анизотропии.

Несмотря на большое количество работ, до последнего времени остается открытым вопрос, воздействует ли поле непосредственно на отдельную молекулу или под влиянием вращающих сил в поле поворачиваются целые молекулярные группы.

В нематической мезофазе под действием магнитного поля может наблюдаться явление, аналогичное магнитному эффекту. Следует отметить, электрическое поле оказывает влияние и на рост жидких кристаллов, однако эти явления изучены мало.

.5 Диэлектрические свойства

При наложении электрического или магнитного поля жидкий кристалл подвергается своеобразной упругой деформации. Деформация мезофазы в целом неоднородна, так как края жидкости прилегающие к стеклу и крепко сцепленные со стенками, деформации не подвергаются. Наиболее же удаленная от стенок сосуда часть мезофазы подвергается наибольшей деформации. Своеобразие ее состоит в том, что каждый отдельный элемент, например молекула, подвергается в первую очередь вращению, а уже затем, может быть, и перемещению, ускользающему от наблюдения, так как обычно оно проводится с помощью поляризованного света.

Исследование диэлектрических свойств жидких кристаллов позволяет обнаружить общие закономерности, обусловленные действием электрических полей. Однородно ориентированный препарат жидкого кристалла ведет себя как одноосный кристалл, в котором обнаруживается, за небольшим исключением, оптическая и диэлектрическая анизотропия. Для нематических и смектических фаз (кроме группы D смектической модификации) оптическая ось совпадает с преимущественным направлением молекулярных осей и одновременно является направлением максимальной поляризуемости.

В нематическом состоянии ориентированные жидкие кристаллы обладают диэлектрической анизотропией, которая является результатом наложения положительной поляризации смещения (вдоль длины молекулы) с отрицательной поляризацией ориентации (перпендикулярно оптической оси). Величина диэлектрической анизотропии определяется формулой:

e=e||-e

где e||, e - диэлектрические постоянные в направлении оси: нематического порядка и в перпендикулярном к ней направлении. Знак диэлектрической анизотропии зависит от того, какая поляризация преобладает, что в свою очередь определяется величиной и направлением дипольного момента.

В нематической фазе межмолекулярные силы и форма молекул способствуют параллельному расположению молекул, при котором движение молекул в направлении их длины не затруднено, а всякие отклонения от параллельного перемещения вызывают сильное противодействие этих сил.

Однородно ориентированный жидкокристаллический слой, подобно одноосному кристаллу, обладает диэлектрической и оптической анизотропией. В нематическом и смектическом состояниях направление оптической оси совпадает с преимущественным направлением осей молекул и одновременно с направлением наибольшей поляризуемости. Поэтому луч света, электрический вектор Е которого колеблется параллельно оптической оси, преломляется сильнее, чем луч с колебаниями Е, перпендикулярными оптической оси. Если = п е - п 0 > 0, где п е и п 0 - показатели преломления необыкновенного и обыкновенного лучей соответственно, то наблюдается положительное двулучепреломление. У холестерических жидких кристаллов оптическая ось расположена перпендикулярно преимущественному направлению осей молекул, поэтому < 0, т. е. в этом случае имеется отрицательное двулучепреломление.

Преломление или двулучепреломление света связано с плотностью вещества и степенью параллельного расположения молекул S, которая определяется выражением:

где φ - угол отклонения продольной оси молекулы от направления преимущественной ориентации при тепловых вращательных колебаниях ее вблизи этого направления, - величина, полученная усреднением по всем ориентациям молекул. Степень порядка S сильно изменяется с температурой в нематической фазе, по-видимому, слабее в холестерической и еще менее в смектической. Поэтому температурная зависимость коэффициента преломления или двулучепреломления в нематическом состоянии сильнее, чем в смектическом, в котором более существенное влияние оказывает изменение плотности.

Обе величины - e|| и e - обнаруживают характерную дисперсию. Она обусловлена установлением равновесного положения относительно продольной оси вращающегося вектора поперечного момента азоксигруппы, которая сильно связана с молекулой, а также относительно двойной связи средней части внутримолекулярного вращающегося момента алкоксигруппы. Время релаксации как в нематической, так и в изотропной фазе оказывается порядка 10-11 сек. Напротив, установление продольного момента азоксигруппы, благодаря вращению вокруг поперечной оси в нематическом состоянии, сильно затруднено. Время релаксации приблизительно равно 10-8 сек.

Весьма интересные результаты получили Беслер и Лабес, которые изучали влияние электрического поля на диэлектрические свойства и ориентацию молекул в холестерических жидких кристаллах. Для смеси холестерилмиристата и холестерилхлорида (1,75:1,00 по весу), они измерили диэлектрическую проницаемость в постоянном электрическом поле и в его отсутствие. Известно, что такая смесь при температуре 43° утрачивает холестерические свойства и ведет себя как нематическая фаза с проводимостью 10-12 ом -1 *см -1 . Пороговые значения электрического поля позволили оценить упругие модули изгиба и кручения в функции температуры и напряженности поля в условиях индуцированного возмущения геликоидальной структуры и ее разрушения при переходе в нематическую фазу.

.6 Акустооптические свойства

Развитие акустической кристаллографии жидкокристаллического состояния только начато. Дальнейший предмет этой науки - связь таких явлений, как распространение и поглощение упругих волн в широком спектре механических колебаний - от инфразвуковых до гиперзвуковых, с микроскопическими взаимодействиями составляющих жидкий кристалл частиц и происходящими в нем кинетическими процессами.

Своеобразные явления в поле упругой волны обусловлены подвижностью молекул и анизотропией жидких кристаллов. Основой многих экспериментальных исследований является ячейка, содержащая тонкий слой жидкого кристалла между двумя параллельными прозрачными пластинками, помещенными между скрещенными поляроидами. Поверхности пластин часто обрабатываются так, что в отсутствие внешних воздействий молекулы образуют гомеотропный слой. Такой слой между скрещенными николями не пропускает света. При возбуждении колебаний различного типа в одной из пластин в слое создается вязкая волна. Градиент скорости в вязкой волне приводит к повороту молекул слоя, в результате чего часть светового потока проходит через систему. Эффективность такого акусто- оптического устройства связана с тем, что ввиду малости длины вязкой волны градиенты, возникающие в слое, велики.

Камертон, приведенный в колебания, помещался на столик или на печь, где находился препарат. Под действием упругой волны в гомеотропном слое появляется интерференционная картина из двух пересекающихся прямых, а также двух гипербол, вид которой зависит от точки приложения камертона и степени его нажима на столик. Интервал частот, в котором наблюдается интерференция,- от 200 до 600 Гц. Наиболее резкая фигура видна при 300Гц.

Вращение николя изменяет интерференционную фигуру, и она может быть сфотографирована. Поворот николей на 900 приводит к первоначальному виду.

Образование интерференционной фигуры является результатом изменения направления оптических осей молекул. Сама фигура позволяет судить о направлении, вдоль которого совершаются колебания. В том месте, где видны темные линии, направление колебаний оптических осей молекул перпендикулярно или параллельно направлению плоскости поляризации.

Акустооптические явления наблюдаются при деформации сжатия, кручении и сдвиге. Эффект просветления слоя особенно хорошо заметен у границ пузырьков воздуха, случайно сохранившихся в тонком слое. Деформация слоя является упругой. Время возвращения слоя к исходному состоянию зависит от величины внешней приложенной силы. При слабом сжатии время релаксации очень мало и для глаза процесс восстановления слоя протекает практически мгновенно. При сильном - процесс требует несколько секунд. Время восстановления слоя зависит от вязкости нематической фазы и от толщины релаксирующего слоя. В отсутствие герметизации слоя оптический эффект наблюдается только при изменении внешнего давления от P до P+P. Постоянное давление даже в случае, когда оно весьма значительно, вызывает просветление слоя лишь при начальном толчке, после чего слой возвращается к исходному состоянию. В герметизированной ячейке действию постоянного давления соответствует определенная деформация слоя, которой отвечает эффект двулучепреломления.

Имеет место цветовой эффект: определенной величине механического импульса отвечает появление определенного цвета. Изменение упорядоченности частиц, вызываемое внешними силами, запаздывает относительно изменения внешнего давления, так как связано с перегруппировкой частиц или перераспределением их взаимной ориентации, т. е. процессами, требующими определенного времени.

Акустооптический эффект наблюдается во всем температурном интервале существования нематической фазы. В смектической фазе и в изотропном состоянии эффект отсутствует. Это связано с тем, что механические напряжения в тонком слое мезофазы вызывают потоки вещества, о существовании которых можно судить по поведению мелких посторонних частиц, которые в зависимости от величины внешней силы и собственных размеров смещаются на различные расстояния от начального положения. Этих течений достаточно, чтобы изменить направление осей молекул. В смектической мезофазе молекулы не только параллельны друг другу, но и располагаются своими концами в одной плоскости, образуя слои, которые легко скользят один по другому, поэтому потоки лишь смещают слои смектической фазы, направление же осей молекул сохраняется.

Акустооптический эффект нелинейно зависит от механического импульса и с повышением его величины растет, приближаясь к насыщению. В реальных условиях свет проходит через сложную жидкокристаллическую систему, степень упорядоченности которой зависит от температуры. Тепловое движение нарушает порядок в расположении молекул. Кроме того, с повышением температуры уменьшается вязкость жидкого кристалла. Поэтому с ростом температуры фотоупругий эффект ослабляется.

Изменение прозрачности слоя жидкого кристалла наблюдается при более высоких частотах и различных амплитудах акустического сигнала. Регистрируя световой поток по переменой составляющей поля, можно получить модуляцию светового потока.

4. Применение жидких кристаллов

Органические материалы все шире внедряются в современную микро- и оптоэлектронику. Достаточно упомянуть фото- и электронорезисты, применяемые в литографическом процессе, лазеры на органических красителях, полимерные сегнетоэлектрические пленки. Одним из классических примеров, подтверждающих указанную тенденцию, являются жидкие кристаллы.

Нематические жидкие кристаллы сегодня не имеют конкурентов среди других электрооптических мате риалов с точки зрения энергетических затрат на их ком мутацию. Оптическими свойствами жидкого кристалла можно управлять непосредственно с микросхем, используя мощность в диапазоне микроватт. Это - прямое следствие структурных особенностей жидких кристаллов.

В индикаторе часов, калькуляторов, электронных переводчиков или в жидкокристаллическом плоском телевизионном экране осуществляется один и тот же основной процесс. Благодаря большой анизотропии диэлектрической проницаемости довольно слабое электрическое поле создает заметный вращательный момент, действующий на директор (такой момент в изотропной жидкости не возникает). Из-за малой вязкости этот момент приводит к переориентации директора (оптической оси), чего не случилось бы в твердом веществе. И наконец, этот поворот приводит к изменению оптических свойств жидкого кристалла (двулучепреломлению, дихроизму) благодаря анизотропии его оптических свойств. В тех случаях, когда информацию нужно запомнить, например, при записи ее лазерным лучом, используют специфические вязкоупругие свойства смектической фазы А. Для оптоэлектронных устройств с памятью, весьма перспективны также и жидкокристаллические полимеры.

Высокая чувствительность шага спиральной структуры холестерических жидких кристаллов к температуре используется в медицинской диагностике. Белый свет, дифрагируя на этой структуре, разлагается в спектр, и по радужным цветам можно определить локальные изменения температуры поверхности тела, Этот же метод используется в технике неразрушающего контроля поверхности различных нагревающихся предметов. Таким образом, здесь используются особенности модулированной (спиральной) структуры зеркально-асимметричной фазы жидких кристаллов.

Лиотропные фазы, представляющие собой растворы линейных жидкокристаллических полимеров, используются в технологии высокопрочных полномерных волокон. Вытяжка нити из упорядоченной фазы способствует увеличению ее прочности. Другим примером применения жидкокристаллических фаз в химической технологии является получение высококачественного кокса из тяжелых нефтяных фракций. В обоих случаях решающую роль играют особенности структурного упорядочения молекул, линейных в первом и дискообразных - во втором примере.

Особо следует подчеркнуть возможности создания анизотропных оптических элементов, а также пиро-, пьезодатчиков и нелинейно-оптических материалов на основе гребнеобразных жидкокристаллических полимеров, сочетающих в себе структурную организацию жидких кристаллов (в том числе и спонтанную поляризацию) и механические свойства полимерных материалов.

Жидкокристаллические телевизоры

Создание телевизоров с жидкокристаллическими экранами стало новой исторической вехой применения жидких кристаллов (LCD). Телевизоры этого типа становятся доступнее для покупателей, потому что происходит регулярно снижение цен, из-за совершенствования технологий производства.

Экран LCD - это экран просветного типа, то есть экран, который подсвечивается с обратной стороны лампой белого цвета, а ячейки основных цветов (RGB - красный, зеленый, синий), расположенные на трех панелях соответствующих цветов, пропускают или не пропускают через себя свет в зависимости от приложенного напряжения. Именно поэтому происходит определенное запаздывание картинки (время отклика), особенно заметное при просмотре быстродвижущихся объектов. Время отклика в современных моделях разнится от 15 мс до 40 мс и зависит от типа и размера матрицы. Чем меньше это время, тем быстрее меняется изображение, нет явлений шлейфа и наложения картинок.

Время работы лампы для большинства LCD-панелей почти на начальной яркости - 60 000 часов (этого хватит примерно на 16 лет при просмотре телевизора по 10 часов в день). Для сравнения: у плазменных телевизоров яркость за то же время уменьшается гораздо сильнее, а для кинескопных телевизоров (выгорает люминофор) порог - 15000-20 000 часов (приблизительно 5 лет), потом качество заметно ухудшается.

Устройство ЖК-монитора

Каждый пиксель ЖК-дисплея состоит из слоя молекул между двумя прозрачными электродами, и двух поляризационных фильтров, плоскости поляризации которых (как правило) перпендикулярны. В отсутствие жидких кристаллов свет, пропускаемый первым фильтром, практически полностью блокируется вторым. Поверхность электродов, контактирующая с жидкими кристаллами, специально обработана для изначальной ориентации молекул в одном направлении.

В TN-матрице эти направления взаимно перпендикулярны, поэтому молекулы в отсутствие напряжения выстраиваются в винтовую структуру. Эта структура преломляет свет таким образом, что до второго фильтра плоскость его поляризации поворачивается и через него свет проходит уже без потерь. Если не считать поглощения первым фильтром половины неполяризованного света, ячейку можно считать прозрачной.Если же к электродам приложено напряжение, то молекулы стремятся выстроиться в направлении электрического поля, что искажает винтовую структуру. При этом силы упругости противодействуют этому, и при отключении напряжения молекулы возвращаются в исходное положение. При достаточной величине поля практически все молекулы становятся параллельны, что приводит к непрозрачности структуры. Варьируя напряжение, можно управлять степенью прозрачности.

Если постоянное напряжение приложено в течение долгого времени, жидкокристаллическая структура может деградировать из-за миграции ионов. Для решения этой проблемы применяется переменный ток или изменение полярности поля при каждой адресации ячейки (так как изменение прозрачности происходит при включении тока, вне зависимости от его полярности).

Проходящий через ячейки свет может быть естественным - отражённым от подложки (в ЖК-дисплеях без подсветки). Но чаще применяют искусственный источник света, кроме независимости от внешнего освещения это также стабилизирует свойства полученного изображения.

Таким образом, полноценный ЖК-монитор состоит из электроники, обрабатывающей входной видеосигнал, ЖК-матрицы, модуля подсветки, блока питания и корпуса. Именно совокупность этих составляющих определяет свойства монитора в целом, хотя некоторые характеристики важнее других.

Важнейшие характеристики ЖК-мониторов :

Разрешение : Горизонтальный и вертикальный размеры, выраженные в пикселях в отличие от ЭЛТ-мониторов, ЖК имеют одно фиксированное разрешение, остальные достигаются интерполяцией.

Размер точки : расстояние между центрами соседних пикселей. Непосредственно связан с физическим разрешением.

Соотношение сторон экрана (формат): Отношение ширины к высоте, например: 5:4, 4:3, 5:3, 8:5, 16:9, 16:10.

Видимая диагональ : размер самой панели, измеренный по диагонали. Площадь дисплеев зависит также от формата: монитор с форматом 4:3 имеет большую площадь, чем с форматом 16:9 при одинаковой диагонали.

Контрастность : отношение яркостей самой светлой и самой тёмной точек. В некоторых мониторах используется адаптивный уровень подсветки с использованием дополнительных ламп, приведённая для них цифра контрастности (так называемая динамическая) не относится к статическому изображению.

Время отклика : минимальное время, необходимое пикселю для изменения своей яркости.

Угол обзора : угол, при котором падение контраста достигает заданного, для разных типов матриц и разными производителями вычисляется по-разному, и часто не подлежит сравнению. Угол обзора у жидкокристаллических телевизоров последних моделей достигает 160-170 градусов по вертикали и горизонтали, а это делает проблему гораздо менее острой, чем она была несколько лет назад.

Недостатки жидкокристаллических экранов : наличие неработающих пикселей. Неработающие пиксели - пиксели, которые постоянно включены в каком-то одном состоянии и не меняют свой цвет в зависимости от сигнала. В отличие от ЭЛТ, могут отображать чёткое изображение лишь в одном ("штатном") разрешении. Остальные достигаются интерполяцией с потерей чёткости. Причем слишком низкие разрешения (например 320×200) вообще не могут быть отображены на многих мониторах. Цветовой охват и точность цветопередачи ниже, чем у плазменных панелей и ЭЛТ соответственно. На многих мониторах есть неустранимая неравномерность передачи яркости (полосы в градиентах).

Многие из ЖК-мониторов имеют сравнительно малый контраст и глубину чёрного цвета. Повышение фактического контраста часто связано с простым усилением яркости подсветки, вплоть до некомфортных значений. Широко применяемое глянцевое покрытие матрицы влияет лишь на субъективную контрастность в условиях внешнего освещения. Из-за жёстких требований к постоянной толщине матриц существует проблема неравномерности однородного цвета (неравномерность подсветки). Фактическая скорость смены изображения также остаётся ниже, чем у ЭЛТ и плазменных дисплеев.

Зависимость контраста от угла обзора до сих пор остаётся существенным минусом технологии.

Массово производимые ЖК-мониторы плохо защищены от повреждений. Особенно чувствительна матрица, незащищённая стеклом. При сильном нажатии возможна необратимая деградация.

Дисплеи на жидких кристаллах

Известно, какой популярностью пользовались различные электронные игры, обычно устанавливаемые в комнате аттракционов в местах общественного отдыха или фойе кинотеатров. Успехи в разработке матричных жидкокристаллических дисплеев сделали возможным создание и массовое производство подобных игр в миниатюрном, так сказать, карманном исполнении.

Первой такой игрой в России стала игра "Ну, погоди!", освоена отечественной промышленностью. Габариты этой игры, как у записной книжки, а основным ее элементом является жидкокристаллический матричный дисплей, на котором высвечиваются изображения волка, зайца, кур и катящихся по желобам яичек. Задача играющего, нажимая кнопки управления, заставить волка, перемещаясь от желоба к желобу, ловить скатывающиеся с желобов яички в корзину, чтобы не дать им упасть на землю и разбиться. Здесь же отметим, что, помимо развлекательного назначения, эта игрушка выполняет роль часов и будильника, т. е. в другом режиме работы на дисплее "высвечивается" время и может подаваться звуковой сигнал в требуемый момент времени.

В основе любого ЖК-дисплея лежит конструктивный принцип. Основой для последующих слоев ЖКИ являются две параллельные стеклянные пластины с нанесенными на них поляризационными пленками. Различают верхний и нижний поляризаторы, сориентированные перпендикулярно друг другу. На стеклянные пластины в тех местах, где в дальнейшем будет формироваться изображение, наносится прозрачная металлическая окисная пленка, которая в дальнейшем служит электродами. На внутреннюю поверхность стекол и электроды наносятся полимерные выравнивающие слои, которые затем полируются, что способствует появлению на их поверхности, соприкасающейся с ЖК, микроскопических продольных канавок. Пространство между выравнивающими слоями заполняют ЖК веществом. В результате молекулы ЖК выстраиваются в направлении полировки выравнивающего слоя.

Направления полировки верхнего и нижнего выравнивающих слоев перпендикулярны (подобно ориентации поляризаторов). Это нужно для предварительного "скручивания" слоев молекул ЖК на 90° между стеклами. Когда напряжение на управляющие электроды не подано, поток света, пройдя через нижний поляризатор, двигается через слои жидких кристаллов, которые плавно меняют его поляризацию, поворачивая её на угол 90°. В результате поток света после выхода из ЖК материала беспрепятственно проходит через верхний поляризатор (сориентированный перпендикулярно нижнему) и попадает к наблюдателю. Никакого формирования изображения не происходит. При подаче напряжения на электроды между ними создается электрическое поле, что вызывает переориентацию молекул ЖК. Молекулы стремятся выстроиться вдоль силовых линий поля в направлении от одного электрода к другому. Вследствие этого пропадает эффект "скручивания" поляризованного света, под электродом возникает область тени, повторяющая его контуры. Создается изображение, формируемое светлой фоновой областью и темной областью под включенным электродом. Путем варьирования контуров площади, занимаемой электродом, можно формировать самые различные изображения: буквы, цифры, иконки и пр. Так создаются символьные ЖКИ. А при создании массива электродов (ортогональной матрицы) можно получить графический ЖКИ с разрешением, определяемым количеством задействованных электродов.

Требования к матричному дисплею, используемому в качестве экрана телевизора, оказываются значительно выше как по быстродействию, так и по числу элементов, чем в электронной игрушке и словаре-переводчике. Это станет понятным, если вспомнить, что в соответствии с телевизионным стандартом изображение на экране формируется из 625 строк (и приблизительно из такого же числа элементов состоит каждая строка), а время записи одного кадра 40 мс. Поэтому практическая реализация телевизора с жидкокристаллическим экраном оказывается более трудной задачей. Тем не менее, ученые и конструкторы добились налицо грандиозных успехов в техническом решении и этой задачи. Так, японская фирма "Сони" наладила производство миниатюрного, умещающегося практически на ладони телевизора с цветным изображением и размером экрана 3,6 см.

Заключение

О существовании жидких кристаллов стало известно сравнительно давно, однако многие эксперименты, которые можно было провести тридцать лет назад, проведены только сейчас. Важность их потенциальных приложений к термографии и электрооптическим дисплеям была понята лишь десять лет назад. Исследования последних лет показали, что структура жидкого кристалла чрезвычайно подвижна, лабильна: достаточно небольших внешних воздействий, чтобы она изменилась, а это сразу же приводит к изменению макроскопических свойств вещества. Следовательно, жидкие кристаллы являются уникальным материалом, свойства которого можно изменять, используя управляющие воздействия.

Жидкие кристаллы прибрели огромную роль в науке и технике. Большой интерес жидкие кристаллы представляют для радиоэлектроники и оптоэлектроники. Сейчас налажен промышленный выпуск жидкокристаллических индикаторов для часов, миникалькуляторов и т. д. Отличительной их особенностью является чрезвычайно малая потребляемая мощность, низкие управляющие напряжения, что позволяет сочетать индикаторы с миниатюрными электронными устройствами, облегчая возможность применения миниатюрных источников питания с длительным сроком их работы.

Список литературы

жидкий кристалл оптический диэлектрический

1.А.П. Капустин Электрооптические и акустические свойства жидких кристаллов. -М.: Наука, 1973.

.А. Адамчик, З. Стругальский Жидкие кристаллы -М.: Советское радио, 1979.

.Л.М. Блинов, С.А.Пикин Жидкокристаллическое состояние вещества. -М.: Знание, 1986.

4.Де Жен П. Физика жидких кристаллов. - Пер. с англ. под ред. А.Ф.Сонина. - М.: Мир, 1977.

.Пикин С.А., Блинов Л.М. Жидкие кристаллы. - М.: Наука, 1982.

Жи́дкие криста́ллы (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). По структуре ЖК представляют собой вязкие жидкости, состоящие из молекул вытянутой или дискообразной формы, определённым образом упорядоченных во всем объёме этой жидкости. Наиболее характерным свойством ЖК является их способность изменять ориентацию молекул под воздействием электрических полей, что открывает широкие возможности для применения их в промышленности. По типу ЖК обычно разделяют на две большие группы: нематики и смектики. В свою очередь нематики подразделяются на собственнонематические и холестерические жидкие кристаллы.

История открытия жидких кристаллов

Жидкие кристаллы открыл в 1888 году австрийский ботаник Ф. Рейнитцер. Он обратил внимание, что у кристаллов холестерилбензоата и холестерилацетата было две точки плавления и, соответственно, два разных жидких состояния - мутное и прозрачное. Однако, учёные не обратили особого внимания на необычные свойства этих жидкостей. 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. Научное доказательство было предоставлено профессором университета Карлсруэ Отто Леманном (нем. Otto Lehmann ) после многолетних исследований, но даже после появления в 1904 году написанной им книги «Жидкие кристаллы» открытию не нашлось применения.

В 1963 г. американец Дж. Фергюсон (англ. James Fergason ) использовал важнейшее свойство жидких кристаллов - изменять цвет под воздействием температуры - для обнаружения невидимых простым глазом тепловых полей. После того, как ему выдали патент на изобретение (U.S. Patent 3 114 836), интерес к жидким кристаллам резко возрос.

В 1965 г. в США собралась Первая международная конференция, посвящённая жидким кристаллам. В 1968 г. американские учёные создали принципиально новыеиндикаторы для систем отображения информации. Принцип их действия основан на том, что молекулы жидких кристаллов, поворачиваясь в электрическом поле, по-разному отражают и пропускают свет. Под воздействием напряжения, которое подавали на проводники, впаянные в экран, на нём возникало изображение, состоящее из микроскопических точек. И всё же только после 1973 г., когда группа английских химиков под руководством Джорджа Грея (англ. George William Gray ) получила жидкие кристаллы из относительно дешёвого и доступного сырья, эти вещества получили широкое распространение в разнообразных устройствах.

Виды жидких кристаллов

Термотропные ЖК , образующиеся в результате нагревания твердого вещества и существующие в определенном интервале температур и давлений.

Лиотропные ЖК, которые представляют собой двух или более компонентные системы, образующиеся в смесях стержневидных молекул данного вещества и воды (или других полярных растворителей). Эти стержневидные молекулы имеют на одном конце полярную группу, а большая часть стержня представляет собой гибкую гидрофобную углеводородную цепь. Такие вещества называются амфифилами.

Термотропные ЖК подразделяются на три больших класса:

1, 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. Нематические фазы встречаются только в таких веществах, у молекул которых нет различия между правой и левой формами, их молекулы тождественны своему зеркальному изображению (ахиральны). Примером вещества, образующего нематический ЖК, может служить N-(пара-метоксибензилиден)-пара-бутиланилин.

2, 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 (nара-бутиланилин):

3, Холестерические жидкие кристаллы - образуются, в основном, соединениями холестерина и других стероидов. Это нематические ЖК, но их длинные оси повернуты 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

Указанные типы структур относятся к так называемым термотропным жидким кристаллам, образование которых осуществляется только при термическом воздействии на вещество (нагревание или охлаждение). На рис. 2 показаны схемы расположения стержне- и дискообразных молекул в трех перечисленных структурных модификациях жидких кристаллов.

Свойства ЖК

Жидкий кристалл обладает свойствами и жидкости, и кристалла:

Подобно обычной жидкости, жидкий кристалл обладает текучестью и принимает форму сосуда, в который он помещен.

Он обладает свойством, характерным для кристаллов - упорядочиванием в пространстве молекул, образующих кристалл.

Не имеют жёсткую кристаллическую решётку.

Наличие порядка пространственной ориентации молекул

Осуществление более сложного ориентационного порядка молекул, чем у кристаллов.

Упругость жидкого кристалла

Оптические наблюдения дали значительное количество фактов о свойствах жидкокристаллической фазы, которые необходимо было понять и описать. Одним из первых достижений в описании свойств жидких кристаллов, как уже упоминалось во введении, было создание теории упругости жидких кристаллов. В современной форме она была в основном сформулирована английским ученым Ф. Франком в пятидесятые годы.

Анизотропия физических свойств - основная особенность жидких кристаллов

Поскольку основным структурным признаком жидких кристаллов является наличие ориентационного порядка, обусловленного анизотропной формой молекул, то естественно, что все их свойства так или иначе определяются степенью ориентаци-ониого упорядочения. Количественно степень упорядоченности жидкого кристалла определяется параметром порядка S, введенным В.И. Цветковым в 40-х годах:

S = 0,5 á(3cos 2 q – 1)ñ (2)

где q - угол между осью индивидуальной молекулы жидкого кристалла и преимущественным направлением всего ансамбля, определяемым директором n (рис. 2) (угловые скобки означают усреднение по всем ориентациям молекул). Легко понять, что в полностью разупорядоченной изотропно-жидкой фазе S = 0, а в полностью твердом кристалле S = 1.Параметр порядка жидкого кристалла лежит в пределах от 0 до 1. Именно существование ориентационного порядка обусловливает анизотропию всех физических свойств жидких кристаллов. Так, анизотропная форма молекул каламитиков определяет появление двойного лучепреломления (Dn) и диэлектрической анизотропии (De), величины которых могут быть выражены следующим образом:

Dn || = n || – n ^ и De || = e || – e ^ (3)

где n || , n ^ и e || , e ^ - показатели преломления и диэлектрические постоянные соответственно, измеренные при параллельной и перпендикулярной ориентации длинных осей молекул относительно директора. Значения Dn для ЖК-соединений обычно весьма велики и меняются в широких пределах в зависимости от их химического строения, достигая иногда величины порядка 0,3-0,4. Величина и знак De зависят от соотношения между анизотропией поляризуемости молекулы, величиной постоянного дипольного момента m, а также от угла между направлением дипольного момента и длинной молекулярной осью. Примеры двух ЖК-соединений, характеризующихся положительной и отрицательной величиной De, приведены ниже:

Нагревание жидкого кристалла, понижая его ориентационный порядок, сопровождается монотонным снижением значений Dn и De, так что в точке исчезновения ЖК-фазы приТ пр анизотропия свойств полностью исчезает.

В то же время именно анизотропия всех физических характеристик жидкого кристалла в сочетании с низкой вязкостью этих соединений и позволяет с высокой легкостью и эффективностью осуществлять ориентацию (и переориентацию) их молекул под действием небольших "возмущающих" факторов (электрические и магнитные поля, механическое напряжение), существенно изменяя их структуру и свойства. Именно поэтому жидкие кристаллы оказались незаменимыми электрооптически-активными средами, на основе которых и было создано новое поколение так называемых ЖК-индикаторов.

Как управлять жидкими кристаллами

Основой любого ЖК-индикатора является так называемая электрооптическая ячейка, устройство которой изображено на рис. 5. Две плоские стеклянные пластинки с нанесенным на них прозрачным проводя щим слоем из окиси олова или окиси индия, выполняющие роль электродов, разделяются тонкими прокладками из непроводяшего материала (полиэтилен, тефлон). Образовавшийся зазор между пластинками, который колеблется от 5 до 50 мкм (в зависимости от назначения ячейки), заполняется жидким кристаллом, и вся"сандвичевая" конструкция по периметру "запаивается" герметикой или другим изолирующим материалом (рис. 5). Полученная таким образом ячейка может быть помешена между двумя очень тонкими пленочными поляризаторами, плоскости поляризации которых образуют определенный угол с целью наблюдения эффектов ориентации молекул под действием электрического поля. Приложение к тонкому ЖК-слою даже небольшого электрического напряжения (1,5-3 В) вследствие относительно низкой вязкости и внутреннего трения анизотропной жидкости приводит к изменению ориентации жидкого кристалла. При этом важно подчеркнуть, что электрическое поле воздействует не на отдельные молекулы, а на ориентированные группы молекул (рои или домены), состоящие из десятков тысяч молекул, вследствие чего энергия электростатического взаимодействия значительно превышает энергию теплового движения молекул. В итоге жидкий кристалл стремится повернуться таким образом, чтобы направление максимальной диэлектрической постоянной совпало с направлением электрического поля. А вследствие большой величины двулучепреломления Dn процесс ориентации ведет к резкому изменению структуры и оптических свойств жидкого кристалла.

Впервые воздействие электрических и магнитных полей на жидкие кристаллы было исследовано русским физиком В.К. Фредериксом, и процессы их ориентации получили название электрооптических переходов (или эффектов) фредерикса. Один из трех, наиболее часто встречающихся вариантов ориентации молекул показан на рис. 5. а. Этопланарная ориентация, которая характерна для нематиков с отрицательной диэлектрической анизотропией (De < 0), когда длинные оси молекул параллельны стеклянным поверхностям ячейки.

Рис. 5. Электрооптическая ячейка типа "сандвич" с планарной ориентацией молекул (а) и схемы расположения молекул жидких кристаллов в ячейке: б - гомеотропная и в - твист-ориентация. 1 - слой жидкого кристалла. 2 - стеклянные пластинки, 3 - токопроводящий слой, 4 - диэлектрическая прокладка, 5 - поляризатор, 6 - источник электрического напряжения.

Гомеотропная ориентация реализуется для жидких кристаллов с положительной диэлектрической анизотропией (De > 0) (рис. 5, б). В этом случае длинные оси молекул с продольным дипольным моментом располагаются вдоль направления поля перпендикулярно поверхности ячейки. И наконец, возможна твист- или закрученная ориентация молекул (рис. 5, в). Такая ориентация достигается специальной обработкой стеклянных пластинок, при которой длинные оси молекул поворачиваются в направлении от нижнего к верхнему стеклу электрооптической ячейки. Обычно это достигается натиранием стекол в разных направлениях или использованием специальных веществ-ориентантов, задающих направление ориентации молекул.

В основе действия любого ЖК-индикатора лежат структурные перестройки между указанными типами ориентации молекул, которые индуцируются при приложении слабого электрического поля. Рассмотрим, например, как работает ЖК-циферблат электронных часов. Основу циферблата составляет уже знакомая нам электрооптическая ячейка, правда несколько дополненная (рис. 6, а, б). Помимо стекол с напыленными электродами, двух поляризаторов, плоскости поляризации которых противоположны, но совпадают с направлением длинных осей молекул у электродов, добавляется еще располагаюшееся под нижним поляризатором зеркало (на рисунке не показано). Нижний электрод обычно делают сплошным, а верхний - фигурным, состоящим из семи небольших сегментов-электродов, с помощью которых можно изобразить любую цифру или букву (рис. 6, в). Каждый такой сегмент "питается" электричеством и включается согласно заданной программе от миниатюрного генератора. Исходная ориентация нематика закрученная, то есть мы имеем так называемую твист-ориентацию молекул (см. рис. 5, в и 6, а). Свет падает на верхний поляризатор и становится плоскополяризованным в соответствии с его поляризацией.

Рис. 6 Схема работы ЖК-индикатора на твист-эффекте: а - до включения электрического поля, б - после включения поля, в - семисегментной буквенно-цифровой электрод, управляемый электрическим полем.

При отсутствии электрического поля (то есть в выключенном состоянии) свет, "следуя" твист-ориентации нематика, меняет свое направление в соответствии с оптической осью нематика и на выходе будет иметь то же направление поляризации, что и нижний поляризатор (см. рис. 6, а). Другими словами, свет отразится от зеркала, и мы увидим светлый фон. При включении электрического поля для нематического жидкого кристалла с положительной диэлектрической анизотропией (De > 0) произойдет переход от закрученной твист-ориентации к гомеотропной ориентации молекул, то есть длинные оси молекул повернутся в направлении, перпендикулярном к электродам, и спиральная структура разрушится (рис. 6, б). Теперь свет, не изменив направления исходной поляризации, совпадающей с поляризацией верхнего поляризатора, будет иметь направление поляризации, противоположное нижнему поляроиду, а они, как видно на рис. 6, б, находятся в скрещенном положении. В этом случае свет не дойдет до зеркала, и мы увидим темный фон. Другими словами, включая поле, можно рисовать любые темные символы (буквы, цифры) на светлом фоне, используя, например, простую семисегментную систему электродов (рис. 6, в).

Таков принцип действия любого ЖК-индикатора. Основными преимуществами этих индикаторов являются низкие управляющие напряжения (1,5-5 В), малые потребляемые мощности (1-10 мкВт), высокая контрастность изображения, легкость встраивания в любые электронные схемы, надежность в работе и относительная дешевизна.

Заключение

Итак, жидкие кристаллы обладают двойственными свойствами, сочетая в себе свойство жидкостей(текучесть) и свойство кристаллических тел (анизотропию). Их поведение не всегда удается описать с помощью привычных методов и понятий. Но именно в этом и заключена их привлекательность для исследователей, стремящихся познать еще неизведанное.

Недавно открыты и интенсивно исследуются жидкокристаллические полимеры, появились полимерные ЖК-сегнетоэлектрики, идет активное исследование гибкоцепныхэлементоорганических и металлсодержащих ЖК-соединений, образующих новые типы мезофаз. Мир жидких кристаллов бесконечно велик и охватывает широчайший круг природных и синтетических объектов, привлекая внимание не только ученых - физиков, химиков и биологов, но и исследователей-практиков, работающих в самых разнообразных отраслях современной техники (электронике, оптоэлектронике, информатике, голографии и т. п.).

ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ И ПРИБОРЫ НА ИХ ОСНОВЕ В настоящее время технологии жидкокристаллических мониторов ЖК были известны химикам еще с 1888 г., но только 1960-х годов началось их практическое использование (для экранов часов и калькуляторов). В 1990 г. Де Жен получил Нобелевскую премию за теорию ЖК. В настоящее время жидкие кристаллы произвели революцию в электронике они используются в самых различных дисплеях (в часах, мини телевизорах), ЖК мониторах для компьютеров, как визуальные термодатчики (изменение цвета от температуры) и др. Твердое тело мезофаза жидкость (3-мерное) (1-2-мерная) (изотропная Термином жидкий кристалл (ЖК) обозначается мезофаза между твердым состоянием и изотропным жидким состоянием, при этом мезофаза сохраняет фундаментальные свойства присущие двум состояниям материи. «Мезос», означает промежуточный, средний. В отдельных случаях мезофаза оказывается стабильной в широкой области температур, включая комнатную, тогда говорят о ЖК.

Химичаская структура молекул, образующих жидкие кристаллы. а) -стержневые молекулы, образующие ЖК – смектики и нематики, б)- молекулы, образующие ЖК –дискотики. Нематики. Это название происходит от греческого «нема» (nhma), что означает нить. Для характеристики ориентационного порядка нематиков вводится вектор единичной длины – директор, направление которого совпадает с направлением усредненной ориентации длинных осей молекул. Кроме того, вводится еще одна величина, параметр порядка S, которая характеризует степень ориентационного упорядочения молекул., где - угол между направлениями директора и мгновенным направлением длинной оси молекул. Очевидно, что параметр может принимать значения от 0 до 1. Значение S = 1 соответствует полной ориентационной упорядоченности, S = 0 означает полный ориентационный беспорядок и соответствует изотропнjq жидкости.

Смектики. Название произошло от греческого «смегма» (smhgma), что означает «мыло». В этих материалах, помимо ориентационной упорядоченности молекул, существует частичное упорядочение центров тяжести молекул. Иначе говоря, центры тяжести молекул организованы в слои, расстояние между которыми фиксированы. Слои молекул легко смещаются относительно друг друга, и смектики на ощупь мылоподобные. оси молекулы Колонноидальный дискотик можно также отнести к смектикам Нематики – более текучая фаза ЖК не имеет слоев, а имеет только преимущественное направление (директор Типы жидких кристаллов А – нематик, Б – смектик, С дискотик

Холестерики, получившие свое название от холестерола (первого открытого соединения). Такая молекула имеет оптическую ось, вокруг которой может поворачиваться директор. при переходе от одного слоя к другому директор постепенно вращается, создавая уникальную спиральную структуру. Показаны оптическая ось молекулы, направление директора и шаг винта – р, (расстояние, на котором директор поворачивается на 360). Длина волны света, который отражается от ЖК- холестерика =np, где n-коэффициент преломления. Часто эти длины волн располагаются в видимом диапазоне. Важным свойством холестерика является зависимость шага винта от температуры, т.е. зависимость от температуры длины волны отраженного света. Более высокие температуры соотвествуют голубому цвету, более низкие- красному.

Применение жидких кристаллов в дисплеях основное применение ЖК связано с электро-оптическими (ЭО) приборами. Для таких применений ЖК (нематик) должен обладать четырьмя необходимыми свойствами, а именно: поверхностным упорядочением, переориентацией директора электрическим полем или диэлектрической анизотропией, вращением плоскости поляризации света или оптической анизотропией и ориентационной эластичностью (способностью молекул к различным поворотам). 1.Поверхностное упорядочение. Обычно ЭО дисплей представляет собой стеклянную кювету толщиной меньше 20 мкм, в которую помещен ЖК. Направление директора ЖК может быть задано обработкой поверхностей кюветы таким образом, чтобы молекулы ЖК выстраивались в определенном направлении параллельно плоскости кюветы или перпендикулярно к ней.

0. Эта анизотропия является основной дв" title="2. Диэлектрическая анизотропия ЖК может быть записана как разность диэлектрической проницаемости в направлении параллельном директору и перпендикулярном ему = -. Если директор выстраивается параллельно полю то >0. Эта анизотропия является основной дв" class="link_thumb"> 6 2. Диэлектрическая анизотропия ЖК может быть записана как разность диэлектрической проницаемости в направлении параллельном директору и перпендикулярном ему = -. Если директор выстраивается параллельно полю то >0. Эта анизотропия является основной движущей силой для работы дисплеев. Электрический вклад в свободную энергию кристаллов содержит член, который зависит от угла между директором (n) и приложенным электрическим полем (E), при этом директор будет вращаться, чтобы минимизировать свободную энергию и выстраивается параллельно полю. Отметим, что этот вклад не является дипольным, не зависит от направления электричского поля. 3. Оптическая анизотропия связана с анизотропией коэффициента преломления – n, или двулучепреломлением. Это означает, что материал имеет два значения n для направлений поляризации света параллельно и перпендикулярно директору, разница между ними n=n -n есть мера оптической анизотропии. Для работы ЖК дисплея эта величина должна быть >0,2. 4. Ориентационная эластичность необходима для обеспечения поворота молекул при приложении поля и возврата их в исходное положение после выключения поля. Это свойство описывается эластичными константами наклона, закручивания и изгиба К 11, К 22 и К3 3 0. Эта анизотропия является основной дв"> 0. Эта анизотропия является основной движущей силой для работы дисплеев. Электрический вклад в свободную энергию кристаллов содержит член, который зависит от угла между директором (n) и приложенным электрическим полем (E), при этом директор будет вращаться, чтобы минимизировать свободную энергию и выстраивается параллельно полю. Отметим, что этот вклад не является дипольным, не зависит от направления электричского поля. 3. Оптическая анизотропия связана с анизотропией коэффициента преломления – n, или двулучепреломлением. Это означает, что материал имеет два значения n для направлений поляризации света параллельно и перпендикулярно директору, разница между ними n=n -n есть мера оптической анизотропии. Для работы ЖК дисплея эта величина должна быть >0,2. 4. Ориентационная эластичность необходима для обеспечения поворота молекул при приложении поля и возврата их в исходное положение после выключения поля. Это свойство описывается эластичными константами наклона, закручивания и изгиба К 11, К 22 и К3 3"> 0. Эта анизотропия является основной дв" title="2. Диэлектрическая анизотропия ЖК может быть записана как разность диэлектрической проницаемости в направлении параллельном директору и перпендикулярном ему = -. Если директор выстраивается параллельно полю то >0. Эта анизотропия является основной дв"> title="2. Диэлектрическая анизотропия ЖК может быть записана как разность диэлектрической проницаемости в направлении параллельном директору и перпендикулярном ему = -. Если директор выстраивается параллельно полю то >0. Эта анизотропия является основной дв">

Простейший ЭО прибор. При этом верхнюю и нижнюю поверхность кюветы натирают в перпендикулярных направлениях, так что директор ЖК поворачивается от верха кюветы к низу на 90 0, таким образом, вращая плоскость поляризации Контраст изображения достигается с помощью скрещенных поляроидов. В скрещенных поляроидах эта ячейка выглядит светлой. Если теперь приложить электрическое поле, директор молекул ЖК будет выстраиваться параллельно полю, вращение плоскости поляризации исчезнет, и свет в скрещенных поляроидах перестанет проходить Напряжение, необходимое для поворота директора составляет обычно 2-5В и определяется диэлектрической анизотропией и эластичными константами. Вращение плоскости поляризации в ЖК кювете

ЖК дисплей имеет несколько слоев: две панели, сделанные из очень чистого стекла -подложка. Слои содержат тонкий слой жидких кристаллов между собой. На панелях имеются бороздки,. Бороздки расположены таким образом, что они параллельны на каждой панели, но перпендикулярны между двумя панелями.. Соприкасаясь с бороздками, молекулы в жидких кристаллах ориентируются одинаково во всех ячейках. Две панели расположены очень близко друг к другу. Сверху и снизу помещены две поляризационные пленки Для подсветки обычно используется лампа, иногда дисплеи, например, дисплеи часов работают в отраженном свете

Для подачи информации на стеклянные панели наносится слой полупрозрачного ITO, в качестве электрода. Электроды наносятся в виде точек или сегментов, на которые подается отдельная информация Если расположить большое число электродов, которые создают разные электрические поля в отдельных местах экрана (ячейки), то появится возможность при правильном управлении потенциалами этих электродов отображать на экране буквы и другие элементы изображения. Электроды помещаются в прозрачный пластик и могут принимать любую форму. Технологические новшества позволили ограничить их размеры величиной маленькой точки (0.3 мкм), на одной и той же площади экрана можно расположить большее число электродов, что увеличивает разрешение Цвет получается в результате использования трех фильтров, которые выделяют из излучения источника белого света три основные компоненты. Комбинируя три основные цвета для каждой точки или пикселя экрана, появляется возможность воспроизвести любой цвет. Изображение формируется строка за строкой путем последовательного подвода управляющего напряжения на отдельные ячейки, делающего их прозрачными. Электроды к ЖК дисплею Дисплеи с пассивной матрицей

Дисплеи с активной матрицей В активной матрице (active matrix) используются отдельные усилительные элементы для каждой ячейки экрана -матрице электродов, которая управляет ячейками жидких кристаллов дисплея. В случае с пассивной матрицей разные электроды получают электрический заряд циклическим методом при построчном обновлении дисплея, а в результате разряда емкостей элементов изображение исчезает, так как кристаллы возвращаются к своей изначальной конфигурации. В случае с активной матрицей к каждому электроду добавлен запоминающий транзистор, который может хранить цифровую информацию (двоичные значения 0 или 1) и в результате изображение сохраняется до тех пор, пока не поступит другой сигнал. Запоминающие транзисторы должны производиться из прозрачных материалов, что позволит световому лучу проходить сквозь них. Для этих целей используются тонкие пленки Thin Film Transistor (или ТFT). Это те управляющие элементы, при помощи которых контролируется каждый пиксель на экране. транзистор очень тонкий, 0,1–0,01 мкм. Изготовлен из аморфного кремния (a-Si),

Сегнетоэлектрические дисплеи Несмотря на широкое применение дисплеев с активной матрицей на основе нематических ЖК, у них имеется принципиальный недостаток – большое время релаксации (время поворота директора ЖК после выключения электрического поля ~ 20 ms). Сейчас существует принципиально другая технология для изготовления плоских, быстро переключающихся дисплеев, основанная на применении сегнетоэлектрических, жидкокристаллических смектиков (флуоробифенил на рис). На первый взгляд кажется странным, что для создания быстрых приборов используется более вязкая (по сравнению с нематиком) смектическая фаза ЖК. Молекулы такого смектика обладают дипольным моментом и расположены слоями, в каждом слое наклонены под одинаковым углом к плоскости слоя. Одинаковый угол

Одинаковый угол наклона возникает вследствие взаимодействия диполей молекул наличия сегнетоэлектрической фазы. Приложение электрического поля может изменить направление диполей на противоположное и соответственно изменится угол наклона молекул. Таким образом, в слое молекул имеется две возможные ориентации диполей и самих молекул (без электрического поля и с ним), рис. Время поворота молекул в этом случае достаточно мало 1мкс, что на 2-3 порядка меньше времени возврата молекул в нематической фазе. исходно поляризаторы света устанавливаются таким образом, чтобы свет не проходил (один параллельно направлению директора молекул, другой – перпендикулярно). После приложения электрического поля, диполи молекул поворачиваются параллельно полю, а директор молекул разворачивается на некоторый угол по отношению к поляризатору, при этом свет начинает частично проходить через структуру. Слой молекул в смектике в сегнето-электрической фазе.