Реферат на тему: Жидкие кристаллы по физике

У вас нет времени на реферат или вам не удаётся написать реферат? Напишите мне в whatsapp — согласуем сроки и я вам помогу!

В статье «Как научиться правильно писать реферат», я написала о правилах и советах написания лучших рефератов, прочитайте пожалуйста.

Собрала для вас похожие темы рефератов, посмотрите, почитайте:

1. Реферат на тему: Эпилепсия
2. Реферат на тему: Принтеры
3. Реферат на тему: Сестринский процесс
4. Реферат на тему: Акробатика

Введение

Жидкие кристаллы — вещества, обладающие свойствами как жидкости (текучесть), так и кристаллов (анизотропия). По своей структуре жидкие кристаллы представляют собой желеобразные жидкости, состоящие из удлиненных молекул, которые определенным образом упорядочены по всему объему этой жидкости.

Наиболее характерным свойством жидких кристаллов является их способность изменять ориентацию молекул под воздействием электрических полей, что открывает большие возможности для их применения в промышленности.

По типу жидкие кристаллы обычно делятся на две основные группы: нематические и смектические. Нематические, в свою очередь, делятся на нематематические и холестерические жидкие кристаллы.

История открытия жидких кристаллов

Жидкие кристаллы были открыты в 1888 году австрийским ботаником Ф. Рейнитцером. Он заметил, что кристаллы холестерила бензоната и холестерилацетата имели две температуры плавления и, соответственно, два различных жидкостных состояния — облачное и прозрачное.

Однако ученые не обратили особого внимания на необычные свойства этих жидкостей. Долгое время физики и химики не признавали жидкие кристаллы в принципе, потому что их существование разрушило теорию трех состояний материи — твердого, жидкого и газообразного. Ученые рассматривали жидкие кристаллы как коллоидные растворы или эмульсии. Научное доказательство было предоставлено Отто Леманом, профессором Университета Карлсруэ, после долгих лет исследований, но даже после написания им в 1904 году книги «Flüssigkristalle» («Жидкие кристаллы») открытие не было применено.

В 1963 году американец Дж. Фергюсон использовал важнейшее свойство жидких кристаллов — изменение цвета под влиянием температуры — для обнаружения тепловых полей, невидимых невооруженным глазом. После получения патента на изобретение интерес к жидким кристаллам резко возрос.

В 1965 году в США была проведена первая Международная конференция по жидким кристаллам. В 1968 году американские ученые создали принципиально новые индикаторы для систем отображения информации.

Принцип функционирования основан на том, что молекулы жидких кристаллов, вращающиеся в электрическом поле, по-разному отражают и передают свет. Под действием напряжения, приложенного к проводникам, впаянным в экран, создавалось изображение, состоящее из микроскопических точек.

Но только после 1973 года, когда группа британских химиков во главе с Джорджем Греем синтезировала жидкие кристаллы из относительно дешевого и доступного по цене сырья, эти вещества стали широко использоваться в самых разнообразных устройствах.

Группы жидких кристаллов

В силу своих общих свойств жидкие кристаллы можно разделить на две основные группы:

• термотропные жидкие кристаллы, образующиеся при нагревании твердого тела и присутствующие в определенном диапазоне температур и давлений
• и лиотропные жидкие кристаллы, представляющие собой двух- или многокомпонентные системы, образующиеся в смесях видимых молекул вещества и воды или других полярных растворителей.

Эти стержни имеют видимые молекулы на одном конце полярной группы, а большая часть стержня представляет собой гибкую цепь гидрофобных углеводородов. Эти вещества называются амфифилами. Фосфолипиды — пример амфифилов.

Амфифифильные молекулы имеют тенденцию плохо растворяться в воде и образовывать единицы таким образом, что их полярные группы на границе раздела фаз направлены в жидкую фазу.

При низких температурах смешивание жидкого амфифила с водой приводит к двухфазному разделению системы. Одной из возможностей для амфифилов со сложной структурой является система мыльной воды. Здесь есть алифатический анион CH3-(CH2) и положительные ионы Na+, K+ и др. Полярная группа CO2- имеет тенденцию иметь тесный контакт с молекулами воды, в то время как неполярная группа, амфифильная цепь, избегает контакта с водой. Это явление типично для амфифильных цепей.

Термотропные жидкие кристаллы делятся на три основных класса.

Нематические жидкие кристаллы. Эти кристаллы не имеют длинного порядка расположения центров тяжести молекул, они не имеют слоистой структуры, их молекулы скользят непрерывно в направлении своих продольных осей и вращаются вокруг них, но при этом сохраняют порядок ориентации: продольные оси выровнены по преобладающему направлению. Они ведут себя как обычные жидкости. Нематические фазы встречаются только в веществах, молекулы которых не имеют разницы в форме справа и слева; их молекулы идентичны их зеркальному отображению (ахиральному).

Смектические жидкие кристаллы. Они имеют слоистую структуру, слои могут перемещаться относительно друг друга. Толщина слоя смектики определяется длиной молекул, но вязкость смектики значительно выше, чем у нематических кристаллов, а нормальная плотность к поверхности слоя может сильно варьироваться.

Холестерические жидкие кристаллы. — в основном образуются соединения холестерина и других стероидов. Это нестатические жидкие кристаллы, но их длинные оси вращаются относительно друг друга так, что они образуют спирали, которые очень чувствительны к изменениям температуры из-за чрезвычайно низкой энергии формирования этой структуры (около 0,01 Дж/моль). Холестерины имеют яркую окраску, а малейшее изменение температуры (до тысячной доли градуса) вызывает изменение спирального шага и, таким образом, изменение цвета жидких кристаллов.

Во всех перечисленных типах жидких кристаллов характерна ориентация молекул диполя в определенном направлении, которое определяется одним вектором, называемым «директор».

В последнее время были открыты так называемые фазы колонн, которые образуются только дискообразными молекулами, расположенными слоями друг над другом в виде многослойных колонн с параллельными оптическими осями. Их часто называют «жидкими нитями», вдоль которых молекулы имеют трансляционные степени свободы. Этот класс соединений был предсказан академиком Л. Д. Ландау и открыт Чандрасекаром только в 1977 году.

Жидкие кристаллы обладают необычными оптическими свойствами. Нематические и смектические кристаллы являются оптически одноосными кристаллами. Благодаря периодическому строению холестерины сильно отражают свет в видимой области спектра. Так как в нематической и холестериновой фазе носители свойств присутствуют в жидкой фазе, то под влиянием внешних воздействий они слегка деформируются, а так как спиральная стадия в холестерине очень чувствительна к температуре, то световое отражение поэтому сильно меняется с температурой, что приводит к изменению цвета вещества.

Холестерическая жидкость. Структура холестерической жидкости во многом схожа со структурой нематической жидкости, но есть существенная разница.

Можно сказать, что холестерин имеет не математическое состояние слой за слоем, т.е. состоит из стопки не математических слоев (рис. 4,а). Но оси этих слоев, параллельные друг другу, развернуты в одном углу, а для двух соседних слоев этот угол дает небольшое значение α=0.5°.

Расстояние между соседними слоями примерно равно поперечному размеру молекулы a. Если двигаться по оси Z перпендикулярно плоскости слоев, то количество слоев N=π/a делает ориентацию молекул такой же, как и в самом первом слое.

Расстояние h=a*2π/a, на котором повторяется ориентация молекул в пространстве, представляет собой удвоенный период своеобразной решетки (рис. 4,б). Размер обычно называется спиральным шагом, который образуется в пространстве конца молекул, лежащих в последовательных слоях.

Описанная периодическая решетка — так называемая холестерическая спираль — удивляет тем, что ее четкая периодичность влияет только на ориентацию молекул. В то же время молекулы в каждом нетематическом слое могут свободно перемещаться, меняться местами; словом, холестерическая жидкость свободно течет по таким слоям, но спираль почти не нарушается.

Молекулы также могут перемещаться из одного слоя в другой, поворачивая угол α, но это не так просто для них. Все это определяет особые свойства холестерической жидкости, похожие на свойства твердого кристалла.

Характеристики структуры холестерической жидкости наиболее очевидны при изменении температуры вещества и при различных внешних воздействиях.

Холестерическая спираль обладает яркими оптическими свойствами, чувствительна к малейшим повреждениям такой своеобразной решетки. Все это вызвало огромный интерес к изучению и применению холестерических жидких кристаллов. Что вызывает такую структуру холестерина?

Объяснение заключается в особой структуре молекул, составляющих эти вещества. Молекулы холестерина почти такие же, как и в нестатической жидкости, но на их конце есть небольшой выстрел. Этот процесс обычно образуется одним или несколькими атомами, выступающими из главной плоскости, содержащей подавляющее большинство атомов молекулы. Симметрия молекулы нарушена процессом и похожа на симметрию руки, которая только правая и только левая.

Как такая форма молекул влияет на порядок ориентации жидкости? Такие молекулы могут быть расположены параллельно друг другу в определенной плоскости, например, в плоскости, в которой лежат сами молекулы.

Это уровни, которые формируют отдельные слои холестерина. И как эти слои могут быть «связаны» друг с другом? Очевидно, что молекулы слоя 2 могут быть параллельны молекулам слоя 1, если слои находятся на расстоянии друг от друга, примерно равном высоте ответвления. В этом случае разветвление не мешает молекулам оставаться параллельными.

Если расстояние между слоями меньше высоты отрогов, то векторы n1 и n2 не могут быть строго параллельны — вмешиваются отроги. Поэтому между векторами n1 и n2 существует небольшой угол α.

Из этого мы делаем вывод, что асимметричные молекулы должны образовывать стопку не математических слоев, а из слоя в слой молекулы должны вращаться под определенным углом α. В зависимости от того, как изогнуты ответвления отдельных молекул, холестерические спирали могут быть как правыми, так и левыми.

Смектическая жидкость. Описанная выше структура специальных молекул объясняет большое разнообразие структур жидкокристаллических растворов. При определенной концентрации таких молекул в воде, например, получаются жидкие кристаллы, в которых молекулы не только имеют одинаковую ориентацию, но и образуют жесткую кристаллическую решетку.

Только эта решетка лишь частично напоминает обычную решетку твердого тела, периодическую в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Такие направления в специальных жидких кристаллах могут быть только двумя или даже одним.

Существует стопка слоев, которые образуются, когда концентрация молекул в воде не очень низкая. Хвосты молекул, кажется, «прячутся» от воды за раковинами головок диполей. Вода — это слой между двумя слоями молекул.

Совокупность таких слоев образует кристаллическую решетку, которая является периодической только в одном направлении — вдоль оси Z. В этом направлении жесткость решетки почти такая же, как у твердого тела, а слои свободно скользят в поперечном направлении, т.е. система ведет себя как жидкость по слоям.

Такая структура напоминает мыло, поэтому эти жидкие кристаллы называются смектическими. По своему расслоению они похожи на холестерин, но в этих двух случаях решетчатые периоды различны. В холестерине период составляет несколько тысяч ангстремов, в смектике — несколько десятков ангстремов (что соответствует длине молекулы).

При определенной концентрации раствора имеется кристаллическая решетка, которая является периодической в двух направлениях. В этом случае молекулы диполей собираются в жидкие колонки или «нити», которые образуют такую решетку, как стопка карандашей.

Такие полукристаллические кристаллы существуют не только в растворах. Они также могут быть отдельными веществами, которые изменяют свое состояние при изменении температуры. В этом случае состояния обычно меняются с понижением температуры в следующем порядке: обычная жидкость — нетематическая жидкость или холестерин — смекка — твердый кристалл. Долгое время не существовало жидких кристаллических веществ с решетками, которые бывали периодическими в двух направлениях, но недавно они были обнаружены.

Такая сетка образуется колоннами жидкости, состоящими из молекул в форме диска. Интересно, что в последнем случае существует и порядок ориентации: плоскости дисков в столбце параллельны друг другу, хотя центры дисков хаотично лежат вдоль оси столбца жидкости.

Эффект Фредерика. Наибольшее впечатление производят оптические свойства жидких кристаллов, которые сделали эти объекты столь популярными. В жидких кристаллах направление оптических осей может изменяться различными действиями, в том числе электрическим или магнитным полем.

Эффект изменения направления ориентации молекул в нематематической жидкости под влиянием поля наблюдался в довоенные годы известным советским ученым В.Фредериксом и сегодня является его названием. С современными популярными электронными часами и компьютерами на жидких кристаллах можно наблюдать это явление — эффект Фредерика.

Прежде чем мы опишем эффект Фредерика, напомним, что такое поляризованный свет. В поляризованном пучке света вектор напряжения электрического поля Е колеблется в одном направлении.

Обычный естественный свет не имеет такой специфической поляризации, так как состоит из всевозможных волн, каждая из которых имеет произвольное направление колебаний вектора E, и все вместе они образуют неполяризованный световой пучок.

Специальные кристаллы — поляризаторы — преобразуют неполяризованный свет в линейно поляризованный, так как они могут пропускать только те волны, в которых вектор E четко ориентирован относительно оптической оси поляризатора. Например, турмалиновый кристалл пропускает через себя только свет, поляризованный вдоль оптической оси кристалла, в то время как волны с перпендикулярной поляризацией сильно поглощаются им.

Если на пути луча света находятся два поляризатора, оси которых параллельны, то свет будет проходить через показанную оптическую систему, а если оси поляризатора пересекаются, то свет не будет проходить через эту систему.

Теперь поместим два стакана между двумя скрещенными поляризаторами и нематической жидкостью между ними, предварительно слегка отполировав их в определенном направлении. Такая полировка очков необходима для выравнивания оптической оси жидкого кристалла (n) в определенном направлении.

Например, при параллельной полировке стекол молекулы, прилипающие к стеклам параллельно микрорезине на поверхности стекла, благодаря описанным межмолекулярным взаимодействиям, задают одинаковую ориентацию пи-вектора в глубине слоя нематематической жидкости. Если неполированные стекла предварительно обработать специальными химикатами, можно добиться ориентации оси перпендикулярно поверхности стекла.

Если окончательно повернуть разрезанные стекла перпендикулярно друг другу, то можно получить ориентацию вектора n, закрученного по толщине слоя.

Так как же поляризованный свет проходит через ориентированный слой нематематической жидкости и через оптические системы в целом? Если поляризация света параллельна оси n, то свет проходит через жидкий кристалл, не изменяя его поляризации. То же самое происходит, когда поляризация света перпендикулярна оптической оси. В случае витой ориентации поляризация света также вращается вдоль n-осей.

Что происходит в слое жидких кристаллов, когда свет проходит сквозь него? В жидком кристалле поле проходящей через него световой волны вызывает разделение зарядов на молекулы и дипольные колебания.

Предположим, что в молекуле кристаллы электронов движутся слегка вдоль продольной оси молекулы, т. е. по направлению n. Затем, в случае, показанном на рис. 9 a, вдоль толщины слоя распространяется падающая волна и вторичные волны, а векторы E в волнах совпадают по направлению.

В случае диполей не образуются диполи и не испускаются вторичные волны; это означает, что падающая волна проходит без затухания. Наконец, в случае 9-ой поляризации свет меняет свое направление в соответствии с вращением оптической оси толщины слоя. Вращение вектора Е в контакте с осью обеспечивает отсутствие ослабления вторичного волнового излучения на любой глубине слоя. (Это явление интерференции возможно при наличии многочисленных диполей на световом тракте — источников вторичных волн, т.е. когда толщина слоя значительно превышает длину волны света).

Таким образом, свет проникает в слой нематической жидкости и достигает второго поляризатора. А вот и ситуация, которую мы уже знаем. В случаях a и b (рис. 9) свет не может проникать в оптическую систему, а в случае (рис. 9) он может проходить свободно.

Теперь представим себе случай, когда топоры стенок пней пересеклись, но в более толстом слое, благодаря некоторому влиянию, были повернуты почти перпендикулярно стеклам.

В этой ситуации свет практически не проходит через второй поляризатор. Остается еще один шаг к массовому применению такой системы. Необходимо научиться управлять оптической осью нестатической жидкости так, чтобы при отсутствии интерференции эта ось была ориентирована, как на рисунке 9с, а при включении интерференции она была наклонена под заметным углом, как на рисунках 9,b и d. При выключении воздействия молекулы возвращаются в прежнее положение из-за условий на стеклянных поверхностях и взаимодействия между ними.

Оказалось, что это очень просто сделать в нематематическом жидком кристалле с помощью электрического поля, заключив между полированными стеклами слой, на который наносится прозрачный электрод.

Подключая слабый аккумулятор к этим электродам и закрывая цепь, мы делаем нашу оптическую систему светонепроницаемой, а также делаем цепь прозрачной, как это сделал Фредерикс вначале.

Почему электрическое поле вращает молекулы так, как мы хотим, и насколько оно должно быть сильным? Ответ на первую часть вопроса легко найти на рисунке 10. Оставить молекулу, в которой диполь образуется слегка вдоль продольной оси, в электрическом поле и между векторами Е и, конечно же, под углом.

Значит, есть силы, которые генерируют крутящий момент.

Этот импульс также поворачивает молекулу так, что ее продольная ось выровнена вдоль вектора E.

Здесь важно отметить, что на самом деле необходимо вращать очень большое количество таких молекул одновременно, но нет необходимости вращать каждую молекулу по отдельности. Поскольку взаимодействующие молекулы ориентированы одинаково, достаточно подтолкнуть одну молекулу так, чтобы другие вращались после первой молекулы.

Для реализации описанного эффекта требуется определенное конечное значение разности потенциалов на электродах — пороговое напряжение.

Это пороговое значение определяется из условия равенства моментов между двумя силами: силами, исходящими от электрического поля, и восстанавливающей силой взаимодействия между молекулами, которая стремится выровнять молекулы так же, как молекулы, прилипающие к стеклу.

Получается, что независимо от толщины слоя, пороговое напряжение может составлять доли вольта, а толщина слоев — сотые доли миллиметра. Это во много раз меньше, чем требуется для получения таких же оптических эффектов в твердых кристаллах, что привело к большому практическому интересу к жидким кристаллам при изготовлении всех типов циферблатов.

Эти явления используются для различных целей, таких как поиск горячих точек в микроцепочках, локализация переломов и опухолей человека, визуализация в инфракрасных лучах и т.д.

Свойства многих электрооптических приборов, работающих с Liotropic LC, определяются анизотропией их электропроводности, которая, в свою очередь, связана с анизотропией их электронной поляризуемости.

Для некоторых веществ удельная электропроводность меняет свой признак из-за анизотропии свойств жидких кристаллов. Например, для н-октилоксибензойной кислоты она проходит через нулевую точку при 146 °C и связывается со структурными особенностями мезофазы и поляризуемостью молекул. Ориентация молекул нематематической фазы обычно совпадает с направлением наибольшей проводимости.

Все формы жизни так или иначе связаны с деятельностью живой клетки, многие из структурных соединений которой напоминают структуру жидких кристаллов. Обладая замечательными диэлектрическими свойствами, жидкие кристаллы образуют внутриклеточные гетерогенные поверхности, регулируют взаимоотношения между клеткой и внешней средой, а также между отдельными клетками и тканями, информируют о необходимой инерции по отношению к компонентам клетки и защищают их от ферментативных воздействий. Таким образом, определение закономерностей поведения жидких кристаллов открывает новые перспективы в развитии молекулярной биологии.

Заключение

Одним из наиболее важных применений жидких кристаллов является термография. Подбирая состав жидкокристаллического вещества, они создают индикаторы для различных температурных диапазонов и для различных конструкций.

Например, жидкие кристаллы наносятся в виде пленки на транзисторы, интегральные схемы и печатные платы электронных схем. Дефектные элементы — сильно нагретые или холодные, нефункциональные — сразу видны через яркие цветовые пятна. Врачи получили новые возможности: Жидкокристаллический индикатор на коже пациента быстро диагностирует скрытое воспаление и даже опухоль.

Жидкие кристаллы обнаруживают пары вредных химических соединений и опасное гамма- и ультрафиолетовое излучение.

На основе жидких кристаллов разработаны манометры и ультразвуковые детекторы. Однако наиболее перспективным направлением применения жидких кристаллов являются информационные технологии. Прошло всего несколько лет с тех пор, как первые индикаторы, которые все знают об электронных часах, появились на цветных телевизорах с жидкокристаллическими экранами размером с почтовую открытку. Эти телевизоры производят очень высококачественное изображение и потребляют меньше электроэнергии.

Список литературы

1. Блинов Л.М., Пикин С.А. Жидкокристаллическое состояние вещества. — М.: Знания, 1986. — 64 с. — (Новое в жизни, науке, технике. Сир. «Физика»; № 6).
2. Жена П. Физика жидких кристаллов. — Пер. из Англии, под редакцией А.Ф.Сонина. — М.: Мир, 1977 .
3. Пикин С.А., Блинов Л.М. Жидкие кристаллы. — М.: Наука, 1985.
4. Пистяков И.Г. Жидкие кристаллы. — М.: Наука, 1964. — 272 с.
5. Чандрасекар С. Жидкие кристаллы. Пер. с англ. М.: Мир, 1983. 344
6. Каманина Н.В. Электрооптические системы на основе жидких кристаллов и фуллеренов — перспективных материалов наноэлектроники. Свойства и области применения. Учебник. — СПб: СПбГУИТМО, 2005 — 137с.