Cristale Lichide

22
Introducere în cristale lichide Studiul de cristale lichide a început în 1888 atunci când un botanist austriac Friedrich Reinitzer a observat că un material cunoscut sub numele de cholesteryl benzoat avut două puncte distincte de topire. În experimentele sale, Reinitzer a crescut temperatura a unui eşantion solid şi am urmărit schimbarea de cristal intr-un lichid tulbure. Deoarece el a crescut temperatura în continuare, materialul a schimbat din nou într-un lichid clar, transparent. Din acest motiv muncă mai devreme, Reinitzer este deseori creditat cu descoperirea unei noi faze a materiei - cu cristale lichide faza. Materiale cu cristale lichide sunt unice în proprietăţile lor şi utilizările. Deoarece cercetarea în acest domeniu continuă şi în noi aplicaţii sunt dezvoltate, cristale lichide va juca un rol important in tehnologie moderna. Acest tutorial ofera o introducere în domeniul ştiinţei şi al cererilor de aceste materiale. Care sunt Cristale lichide? Materiale cu cristale lichide au, în general, câteva caracteristici comune. Printre acestea se numără o structura moleculara tija-cum ar fi, rigidness a axei lungi, puternice şi dipoli şi / sau substituenţi pur polarizable. Caracteristica distinctiv al statului cristalină lichid este tendinţa de molecule ( mesogens ) la punctul de-a lungul unei axe comune, numit director . Acest lucru este în contrast cu molecule în faza lichidă, care nu au nici o ordine intrinsecă. În stare solidă, moleculele sunt foarte ordonate si au puţină libertate de translaţie. Ordinea orientational caracteristică a statului cu cristale lichide este între fazele tradiţionale solide şi lichide şi acest lucru este originea statului mesogenic termen, folosit ca sinonim cu cristale lichide de stat. Notă alinierea medie a moleculelor pentru fiecare etapă în următoarea diagramă. Uneori este dificil de a determina dacă un material este într-o stare de cristal cristal sau lichide. Cristalin materiale pentru a demonstra pe distanţe lungi periodice în trei dimensiuni. Prin definiţie, un izotropic lichid nu are nici o comandă orientational. Substanţele care nu sunt la fel de ordonate ca un solid, dar au un anumit grad de aliniere sunt corect numite cristale lichide.

description

Cristale Lichide

Transcript of Cristale Lichide

Page 1: Cristale Lichide

Introducere în cristale lichide

Studiul de cristale lichide a început în 1888 atunci când un botanist austriac Friedrich Reinitzer a

observat că un material cunoscut sub numele de cholesteryl benzoat avut două puncte distincte

de topire. În experimentele sale, Reinitzer a crescut temperatura a unui eşantion solid şi am

urmărit schimbarea de cristal intr-un lichid tulbure. Deoarece el a crescut temperatura în

continuare, materialul a schimbat din nou într-un lichid clar, transparent. Din acest motiv muncă

mai devreme, Reinitzer este deseori creditat cu descoperirea unei noi faze a materiei - cu cristale

lichide faza.

Materiale cu cristale lichide sunt unice în proprietăţile lor şi utilizările. Deoarece cercetarea în

acest domeniu continuă şi în noi aplicaţii sunt dezvoltate, cristale lichide va juca un rol important

in tehnologie moderna. Acest tutorial ofera o introducere în domeniul ştiinţei şi al cererilor de

aceste materiale.

Care sunt Cristale lichide?

Materiale cu cristale lichide au, în general, câteva caracteristici comune. Printre acestea se

numără o structura moleculara tija-cum ar fi, rigidness a axei lungi, puternice şi dipoli şi / sau

substituenţi pur polarizable.

Caracteristica distinctiv al statului cristalină lichid este tendinţa de molecule ( mesogens ) la

punctul de-a lungul unei axe comune, numit director . Acest lucru este în contrast cu molecule în

faza lichidă, care nu au nici o ordine intrinsecă. În stare solidă, moleculele sunt foarte ordonate si

au puţină libertate de translaţie. Ordinea orientational caracteristică a statului cu cristale lichide

este între fazele tradiţionale solide şi lichide şi acest lucru este originea statului mesogenic

termen, folosit ca sinonim cu cristale lichide de stat. Notă alinierea medie a moleculelor pentru

fiecare etapă în următoarea diagramă.

Uneori este dificil de a determina dacă un material este într-o stare de cristal cristal sau lichide.

Cristalin materiale pentru a demonstra pe distanţe lungi periodice în trei dimensiuni. Prin

definiţie, un izotropic lichid nu are nici o comandă orientational. Substanţele care nu sunt la fel

de ordonate ca un solid, dar au un anumit grad de aliniere sunt corect numite cristale lichide.

Page 2: Cristale Lichide

Pentru a cuantifica exact cat de mult este prezent pentru a într-un material, un parametru de

comandă (S) este definit. În mod tradiţional, parametrul ordine este dat, după cum urmează:

în cazul în care theta este unghiul dintre regizor şi axa lungă de fiecare moleculă. Paranteze

indica o medie de peste tot din molecule din eşantion. Într-un lichid izotrop, medie a termenilor

cosinus este zero, şi, prin urmare, pentru parametrul este egală cu zero. Pentru un cristal perfect,

pentru parametrul evalueaza la unu. Valorile tipice pentru parametrul de comandă a unei game

cristale lichide, între 0,3 şi 0,9, cu valoarea exactă funcţie de temperatură, ca rezultat al mişcării

moleculare cinetice. Acest lucru este ilustrat mai jos, pentru un material nematic cu cristale

lichide (care urmează să fie discutate în secţiunea următoare).

Tendinţa de a moleculelor cu cristale lichide de la punctul de-a lungul director conduce la o stare

cunoscută sub numele de anizotropie . Acest termen înseamnă că proprietăţile unui material

depinde de directia in care acestea sunt măsurate. De exemplu, este mai uşor să taie o bucată de

lemn de-a lungul cereale decât împotriva sa. Natura anisotropic de cristale lichide este

responsabil pentru proprietăţile unice optice exploatate de către oamenii de ştiinţă şi ingineri într-

o varietate de aplicaţii.

Caracterizarea Cristale lichide

Următorii parametri descrie structura cu cristale lichide:

Pozitional comenzii

Page 3: Cristale Lichide

Orientational comenzii

Bond Orientational comenzii

Fiecare dintre aceşti parametri descrie măsura în care proba de cristal lichid este comandat.

Pentru pozitional se referă la măsura în care o moleculă medie sau un grup de molecule prezinta

simetrie de translaţie (după cum o arată cristalin material). Orientational ordine, aşa cum sa

discutat mai sus, reprezintă o măsură de tendinţa de a moleculelor pentru a alinia de-a lungul

directorului pe o bază pe distanţe lungi. comenzii Bond Orientational descrie o linie care uneşte

centrele de cel mai apropiat vecin-molecule, fără a necesita o distanţă regulat de-a lungul acelei

linii. Astfel, un relativ rază lungă de acţiune, pentru cu privire la linia de centre, dar numai pentru

intervalul scurt de poziţie de-a lungul acelei linii. (A se vedea discuţia din faze hexatic într-un

text, cum ar fi Chandrasekhar, Cristale lichide)

Cei mai mulţi compuşi cu cristale lichide prezintă polimorfism , sau o afecţiune în cazul în care

mai mult de o fază se observă în stare cristalină lichid. Termenul mesophase este folosit pentru a

descrie "subphases" de materiale cu cristale lichide. Mesophases sunt formate prin schimbarea

valorii de ordine în eşantion, fie prin impunerea ordinea în doar una sau două dimensiuni, sau

permiţând moleculelor să aibă un grad de mişcarea de translaţie. Secţiunea următoare descrie

mesophases de cristale lichide mai în detaliu.

Fazele cu cristale lichide

De stat cu cristale lichide este o etapă distinctă a materiei observate între cristalin (solid) şi

izotrop (lichid) state. Există mai multe tipuri de lichide state cristal, în funcţie de cantitatea de

ordinea în material. Această secţiune va explica şi comportamentul de fază de materiale de cristal

lichid.

Fazele Nematic

Nematic faza de cristal lichid este caracterizat prin molecule care nu au nici pentru poziţional,

dar tind să punct în aceeaşi direcţie (de-a lungul director). În diagrama de mai jos, observaţi că

punctul de moleculele sunt aranjate vertical, dar cu nici o ordine anume.

Page 4: Cristale Lichide

Cristale lichide sunt anizotrope materiale, precum şi proprietăţile fizice ale sistemului variază în

funcţie de alinierea medie cu directorul. Dacă alinierea este mare, materialul este foarte

anizotrop. În mod similar, în cazul în care alinierea este mic, materialul este aproape izotrop.

Tranziţia de fază a unui cristal lichid nematic este demonstrată în filmul următor, cu condiţia de

Dr. Mary Neubert, LCI-KSU. Faza de nematic este văzută ca textura marmorat. Uita-te ca

temperatura a materialelor este ridicată, determinând o tranziţie către lichid negru, izotrop.

O clasă specială de cristale lichide nematic se numeşte nematic chirale. chirale se refera la

abilitatea unica de a reflecta selectiv o componentă a luminii polarizate circular. Nematic

Termenul chiral este folosit alternativ cu cholesteric. Se referă la secţiunea privind cristale

lichide cholesteric pentru mai multe informaţii despre această mesophase.

Fazele Smectic

Cuvântul "smectic" este derivat din cuvântul grecesc pentru săpun. Această origine aparent

ambigue se explică prin faptul că substanţa gros, alunecos adesea găsite la partea de jos a vasului

sapun este de fapt un tip de cristale lichide smectic.

Smectic de stat este un alt mesophase distinct de substanţe cu cristale lichide. Moleculele în

această fază arată un grad de ordine translatie nu sunt prezente în nematic. În starea smectic,

moleculele menţine ordinea generală orientational de nematics, dar, de asemenea, tind să se

alinieze în straturi sau avioane. Propunerea se limitează la cadrul acestor avioane, avioane

separate, şi sunt respectate pentru a fluxului de trecut unul pe altul. Pentru a crescut înseamnă că

statul smectic este mai "solid-like" decât nematic.

Poză de o fază de smectic

(Folosind microscop de polarizare)

Page 5: Cristale Lichide

Mulţi compuşi sunt respectate pentru a forma mai mult de un tip de faze smectic. Aşa cum mulţi

ca 12 din aceste variante au fost identificate, însă numai fazele cele mai distincte sunt discutate

aici.

În smectic-A mesophase, directorul este perpendicular pe planul smectic, şi nu există nici o

ordine anume poziţional în strat. În mod similar, orientează smectic-B mesophase cu regizorul

perpendicular pe planul smectic, dar moleculele sunt aranjate într-o reţea de hexagoane în cadrul

stratului. În smectic-C mesophase, moleculele sunt aranjate ca în smectic-A mesophase, dar

directorul este la un unghi de înclinare constantă măsurat în mod normal, cu planul smectic.

Imagine a smectic o fază Fotografie din smectic o fază

(Folosind microscop de polarizare)

Imagine a fazei smectic C Fotografie din faza smectic C

(Folosind microscop de polarizare)

Ca şi în nematic, smectic-C mesophase are o stare chiral desemnat C *. În concordanţă cu

smectic-C, regizorul face un unghi de înclinare cu privire la stratul de smectic. Diferenţa este că

acest unghi se roteşte de la un strat la formând o spirala. Cu alte cuvinte, director al smectic-C *

mesophase nu este paralelă sau perpendiculară pe straturi, şi se roteşte de la un strat la altul. Notă

răsucire a directorului, reprezentat de săgeţi verzi, în fiecare strat în următoarea diagramă.

Page 6: Cristale Lichide

O reprezentare schematică a unui smectic C * fază (stânga), şi o vedere la aceeaşi fază, dar

de-a lungul axei (dreapta).

În unele mesophases smectic, moleculele sunt afectate de diferitele straturi de mai sus şi mai jos

le. Prin urmare, o cantitate mică de trei ordine dimensional este observat. Smectic-G este un

exemplu care să demonstreze acest tip de aranjament.

Fazele Cholesteric

Cholesteric (sau chiral nematic) lichide faza de cristal este de obicei compus din molecule

nematic mesogenic care conţin un centru chiral care produce forţe intermoleculare care

favorizează alinierea între molecule, la un unghi uşor unul de altul. Acest lucru conduce la

formarea unei structuri care pot fi vizualizate ca un teanc de foarte subtire 2-D nematic-ca

straturi cu directorul în fiecare strat răsucite cu privire la cele de mai sus şi mai jos. În această

structură, directorii de fapt, forma într-un model elicoidal continuu despre strat normal după cum

este ilustrat de săgeată neagră în figura următoare şi animaţie. Săgeată neagră în animaţie

reprezintă orientarea director în succesiunea de straturi de-a lungul stivă.

Moleculele prezentate sunt doar reprezentări ale mesogens multe chiral nematic situată în plăci

de grosime infinitezimal cu o distribuţie de orientare în jurul valorii de director. Acest lucru nu

trebuie să fie confundată cu aranjament planar găsite în mesophases smectic.

O caracteristică importantă a mesophase cholesteric este teren . Smoală, p, este definită ca

distanţa este nevoie pentru regizorul pentru a roti o rotire completă în helix cum este ilustrat în

animaţie de mai sus. Un produs secundar a structurii elicoidale a fazei nematic chiral, este

capacitatea sa de a reflecta selectiv lumina de lungimi de undă egală cu lungimea terenului, astfel

încât o culoare va fi reflectata atunci când pas este egală cu lungimea de undă corespunzătoare de

lumină în spectrul vizibil. Efectul se bazează pe dependenţa de temperatură a, la schimbarea

treptată în orientare director între straturi succesive (ilustrat mai sus), care modifică lungimea pas

duce la o modificare de lungimea de undă a luminii reflectate in functie de temperatura. Unghiul

Page 7: Cristale Lichide

la care modificările directorul pot fi făcute mai mari, şi, astfel, strângeţi pas, prin cresterea

temperaturii de molecule, prin urmare, oferindu-le mai multă energie termică. În mod similar, în

scădere de temperatură a moleculelor creste lungimea pas de cristal lichid nematic chirale. Acest

lucru face posibil de a construi un termometru cu cristale lichide, care afişează temperatura

mediului său de culoare reflectată. Amestecuri de diferite tipuri de aceste cristale lichide sunt

adesea folosite pentru a crea senzori cu o mare varietate de răspunsuri la schimbările de

temperatură. Astfel de senzori sunt utilizate pentru termometre de multe ori sub forma de filme

sensibile la căldură pentru a detecta defectele în conexiunile placă de circuit, modele de fluid de

curgere, starea de baterii, prezenţa de radiaţii, sau în noutati, cum ar fi "starea de spirit" inele.

În fabricarea de filme, deoarece punerea chiral cristale lichide nematic direct pe un fond negru ar

duce la degradarea şi, probabil, contaminare, cristalele sunt micro-incapsulate in particule de

dimensiuni foarte mici. Particulele sunt apoi tratate cu un material cu caracter obligatoriu, care

va contracta la intarire, astfel încât pentru a aplatiza microcapsules şi produce cele mai bune de

aliniere pentru culori mai luminoase. O cerere a unei clase de cristale lichide chiral nematic, care

sunt sensibile din punct de temperatură mai este crearea de materiale cum ar fi haine, păpuşi,

cerneluri şi vopsele.

Lungime de undă a luminii reflectate poate fi, de asemenea, controlate prin ajustarea compoziţia

chimică, deoarece cholesterics poate consta fie exclusiv din molecule chirali sau de molecule

nematic cu un dopant chirală dispersate pe întreg. În acest caz, concentraţia dopant este folosit

pentru a ajusta chiralitate şi, astfel, pe teren.

Fazele piloane

Piloane cristale lichide sunt diferite de tipurile anterioare, deoarece acestea sunt in forma de

discuri in loc de tije lungi. Acest mesophase se caracterizează prin coloane aşezate de molecule.

Coloanele sunt ambalate împreună pentru a forma un tablou bidimensional cristalină.

Aranjament a moleculelor în cadrul coloanele şi de amenajare a coloanelor se duce la

mesophases noi.

Faza de tranziţie de simulare

Simularea următoare demonstrează comportamentul de fază de materiale de cristal lichid. Aşa

cum sa arătat, temperatura determină faza a materialului.

Page 8: Cristale Lichide

Modificări în faza de cristale lichide

Vezi macroscopic

Microscopie optica de polarizare este un instrument standard în identificarea fazelor cu cristale

lichide şi tranziţii de fază, dar necesită o experienţă considerabilă, în special în studiul de noi

materiale şi mai puţin familiare.

Filmul următor, cu condiţia de Dr. Mary Neubert, LCI-KSU, prezintă o vedere de o tranziţie de

fază de cristal lichid real. Uita-te ca material, iniţial în stare nematic, schimbă brusc în forma

cristalină solide ca temperatura este scăzută.

X-Rays oferi un mijloc mult mai definitive pentru identificarea de mesophases, dar nu ne alege

pentru a discuta despre aceste metode aici.

Calorimetrie de scanare diferenţială

Calorimetria de scanare diferenţială (DSC) este un instrument util care completează metodelor

optice în studiul tranziţiilor de fază lichid cristal. Utilizarea acestuia în determinarea energiei

termice furnizate sau extrase în timpul unui proces, cum ar fi o tranziţie de fază este discutată în

proprietatile termice ale polimerilor.

În următoarele două cifre, amenajate de către Prof. Charles Rosenblatt (Departamentul de Fizica,

Case Western Reserve University), DSC urme obţinute cu un eşantion mic de 8 OCB (octyloxy

cyanobyphenyl), la o rată de ° C / min sunt afisate la ilustra utilizarea sa cu cristale lichide.

Curba de jos din figura (a) corespunde unui proces de încălzire. Aceasta este urmată de un proces

de răcire, reprezentată în curba superioară.

O diagramă bară fază care ilustrează procesul de încălzire este amplasat chiar deasupra axei de

temperatura (la o presiune atmosferă). Aceasta include un cristal de cristale lichide (smectic A)

de tranziţie la ° C, urmată de o smectic abia detectabil de tranziţie de la A la nematic la ° C

şi, în final trecerea la nematic izotropică (NI), în apropiere de ° C. De sus, curba de răcire,

prezinta o deplasare uşoară a tranziţiei NI, parţial din cauza histerezis supraracirea şi parţial

instrumentale atribuite la rata de scanare de temperatură. Smectic de tranziţie de la A la cristal

Page 9: Cristale Lichide

este puternic deprimat din cauza supraracirea de smectic o fază. Astfel, diagrama de faza pentru

procesul de răcire nu ar fi identică cu cea pentru încălzire.

Figura (a): complot DSC cu diagrama de fază

Figura (b) este o repetare a acestui termen, începe să termic la o temperatură mai mare de cristal

pentru a smectic O tranziţie, astfel încât o mai mare sensibilitate ar putea fi angajat. Acest lucru

face ca A smectic de tranziţie pentru a nematic mai vizibile şi ilustrează capacitatea de a metodei

DSC este detectarea efecte subtile.

Page 10: Cristale Lichide

Figura (b): DSC complot

Influenţe externe asupra cristale lichide

Oamenii de ştiinţă şi inginerii sunt capabili de a folosi cristale lichide într-o varietate de aplicatii,

deoarece externe perturbare poate cauza modificări semnificative în proprietăţile macroscopice

ale sistemului de cristale lichide. Ambele câmpuri electrice şi magnetice pot fi utilizate pentru a

induce aceste modificări. Magnitudinea de domenii, precum şi viteza cu care moleculele de

aliniere sunt importante caracteristici ocupă cu industria. În cele din urmă, tratamente speciale de

suprafaţă pot fi utilizate în dispozitive cu cristale lichide pentru a forţa orientările specifice ale

directorului .

Efectele câmpului electric şi magnetic

Răspunsul a moleculelor de cristal lichid pentru a un câmp electric este caracteristică majoră

utilizate în aplicaţii industriale. Capacitatea de a directorului pentru a alinia de-a lungul unui

câmp extern este cauzat de natura electrica a moleculelor. Dipolii Permanent electric rezultat

Page 11: Cristale Lichide

atunci când un capăt al unei molecule are o taxa de net pozitiv, în timp ce celălalt capăt are o

taxa de net negativ. Atunci când un câmp electric extern este aplicat cu cristale lichide,

moleculele de dipol tind să se orienteze pe direcţia de pe câmp. În următoarea diagramă, Sagetile

negre reprezinta vectorul câmp electric şi săgeţi roşii arată cele vigoare electrice pe molecula.

Chiar dacă o moleculă nu formează o dipol permanent, acesta poate fi încă influenţate de un

câmp electric. În unele cazuri, domeniul produce uşoară re-aranjament a electronilor şi protonilor

în molecule astfel că rezultatele induse de dipol electric. Deşi nu la fel de puternic ca dipoli

permanent, cu orientare în domeniul extern încă apare.

Efectele câmpurilor magnetice asupra moleculelor cu cristale lichide sunt similare la câmpuri

electrice. Deoarece câmpurile magnetice sunt generate de deplasarea sarcinilor electrice, dipolii

permanent magnetice sunt produse de electroni se deplasează despre atomi. Atunci când un câmp

magnetic este aplicat, moleculele vor tinde să se alinieze cu sau împotriva domeniu. (A se vedea

Chandrasekhar, 1992, pentru discuţii ulterioare)

Preparate de suprafaţă

În absenţa unui câmp extern, director al unui cristal lichid este liber să punct în orice direcţie.

Este posibil, totuşi, pentru a forţa directorul de la punctul într-o anumită direcţie prin

introducerea unui agent din afara sistemului. De exemplu, atunci când un strat subtire polimer

(de obicei, o poliimidă) se intinde pe un substrat de sticla si frecat într-o singură direcţie, cu o

cârpă, se observă faptul că moleculele de cristale lichide în contact cu această suprafaţă alinia cu

direcţia de frecare. Mecanismul prezent Acceptăm pentru acest lucru este considerat a fi o

creşterea epitaxială a straturilor de cristale lichide pe lanţurile de polimer parţial aliniat în

straturile superficiale aproape de poliimidă.

Freedericksz de tranziţie

Concurenţa între orientarea către produse de suprafaţă şi ancorarea de efecte de câmp electric

este adesea exploatat în dispozitive cu cristale lichide. Luaţi în considerare în cazul în care

moleculele de cristale lichide sunt aliniate paralel cu suprafaţa şi un câmp electric este aplicat

perpendicular pe celulă ca în diagrama de mai jos. La început, după cum câmpul electric creşte în

mărime, nici o schimbare în aliniere apare. Cu toate acestea, la o magnitudine prag de câmp

electric, deformare apare. Deformare are loc în cazul în care directorul schimbă orientarea de la

o molecula la alta. Apariţia unei astfel de schimbare de la un aliniat la un deformat de stat se

numeşte de tranziţie Freedericksz şi pot fi, de asemenea, produs prin aplicarea unui câmp

magnetic suficient de puternic.

Page 12: Cristale Lichide

De tranziţie Freedericksz este fundamentală pentru funcţionarea afişează mai multe cristale

lichide, deoarece orientarea regizorul (şi, prin urmare proprietăţile) poate fi controlat cu uşurinţă

prin aplicarea unui câmp. Consultaţi Aplicaţii secţiunea pentru mai multe informaţii despre

cristale lichide folosite în afişează.

Lumina si Polarizarea

Această secţiune va introduce unele dintre conceptele de bază care sunt importante în înţelegerea

comportamentului optic de cristale lichide. Acest lucru nu este deloc o discuţie completă a

subiectului, este destinat numai pentru a fi utilizate în contextul lichide comportament optice cu

cristale. Vă rugăm să consultaţi Jenkins şi alb pentru un tratament detaliate.

Lumina si Polarizarea

Lumina poate fi reprezentat ca o unda electromagnetica transversal alcătuit din reciproc

perpendiculare, câmpuri electrice şi magnetice fluctuante. Partea stângă a Următoarea diagramă

arată câmpul electric în planul XY, câmpul magnetic în planul XZ şi propagarea undei în direcţia

x. Jumătatea din dreapta prezinta o linie de depistarea a vectorului câmp electric ca o propagă. În

mod tradiţional, numai vectorul câmp electric este tratată cu componenta, deoarece câmpul

magnetic este în esenţă acelaşi.

Page 13: Cristale Lichide

Această rubrică sinusoidal diferite electric poate fi gândit ca o lungime de coardă deţinute de doi

copii la capetele opuse. Copiii încep să înlocuiască se termină în aşa fel încât coarda se mişcă

într-un plan, fie în sus şi în jos, la stânga şi la dreapta, sau de la orice unghi în între.

Lumina obisnuita alb este compus din valuri, care fluctuează de la toate unghiurile posibile.

Lumina este considerat a fi "liniar polarizate", atunci când acesta conţine valuri care numai

fluctua într-un singur plan specific. Este ca şi cum în cazul în care coarda este înşirate printr-un

gard - val poate mişca în sus şi în jos, dar este blocat de mişcare în orice altă direcţie. Un

polarizor este un material care permite numai lumina cu un anumit unghi de vibraţie pentru a

trece prin. Direcţia de fluctuaţie a trecut de către polarizatorul este numit "uşor" axă.

Dacă două polarizatoare sunt stabilite în serie, astfel încât axele lor optice sunt trece paralel,

lumina prin ambele. Cu toate acestea, în cazul în care axele sunt stabilite la 90 de grade afară

(trecut), lumina polarizata de primul se stinge de-al doilea. Ca unghiul se roteste 0 la 90 de grade,

cantitatea de lumina care este transmisă scade. Acest efect este demonstrat în următoarea

diagramă. Polarizatoare sunt paralele în partea de sus şi au trecut în partea de jos.

Polarizat de lumină

Polarizare liniară este doar un caz special de polarizat circular de lumină. În considerare două

valuri de lumina, unul polarizat în planul YZ şi de altă natură în planul XY. În cazul în care

valurile atinge nivelul lor maxim şi minim de puncte, în acelaşi timp (acestea sunt în fază), suma

lor vector conduce la un val, liniar polarizate la 45 de grade. Acest lucru este arătat în diagrama

de mai jos.

În mod similar, dacă cele două valuri sunt 180 de grade din faze, rezultanta este liniar polarizată

la 45 de grade în sens opus.

Page 14: Cristale Lichide

În cazul în care două valuri sunt 90 de grade defazate (una este într-un extremum, iar celălalt este

la zero), unda rezultată este polarizat circular. Într-adevăr, vectorul rezultat câmpul electric din

suma a componentelor se roteşte în jurul valorii de origine, astfel cum se propaga unda.

Următoarea diagramă arată suma a vectorilor de câmp electric pentru astfel de două valuri.

Cazul cel mai general este atunci când diferenţa de fază este la un unghi arbitrar (nu neaparat 90

sau 180 de grade.) Aceasta se numeste polarizare eliptica, deoarece urmele electric vectorul

câmp efectueze o elipsă (în loc de o linie sau un cerc ca mai înainte.)

Aceste concepte pot fi destul de abstract prima dată când sunt prezentate. Simularea următoare

permite utilizatorului să schimbe trecerea de faza de la o valoare arbitrară pentru a observa starea

de polarizare rezultate.

Birefringenţa în cristale lichide

Secţiunea anterioară şi-a prezentat conceptele de lumină polarizată şi polarizatoare . Această

secţiune va arăta modul în care aceste idei sunt importante pentru cristale lichide.

Cristalele lichide se dovedesc a fi birefringent, din cauza lor anizotrope naturii. Asta este, ele

demonstrează refracţie dublă (având în doi indici de refracţie). Paralel cu lumina polarizata

directorului are un indice de refractie diferit (adică se deplaseaza cu o viteză diferită) decât

perpendicular pe lumina polarizata directorului. În următoarea diagramă, linii albastre reprezintă

domeniul directorul şi cu săgeţile arată vectorul de polarizare.

Page 15: Cristale Lichide

Astfel, atunci când lumina intră dintr-un material birefringent, cum ar fi un eşantion nematic cu

cristale lichide, procesul este modelată în termeni de lumină fiind rupt în sus, în rapid (numit raza

ordinară) şi lente (denumit raze extraordinare) componente. Deoarece cele două componente de

călătorie la viteze diferite, unde iesi din faza. În cazul în care razele sunt recombinate ca acestea

ieşire material birefringent, starii de polarizare a schimbat din aceasta cauza diferenţei de fază.

Lumina călătorie printr-un mediu birefringent va

ia una din cele două căi, în funcţie de polarizare sale.

Birefringenţa a unui material este caracterizată prin diferenţa, n, a indicilor de refracţie pentru

razele ordinare şi extraordinare. Pentru a fi un pic mai mult cantitativ, deoarece indicele de

refracţie a unui material este definit ca raportul dintre viteza luminii în vid la faptul că în

materialul, avem pentru acest caz, n e = c / V | | şi n o = c / V pentru vitezele de un val care

călătoresc perpendicular, directorului şi a polarizat paralel şi perpendicular, directorului, astfel

încât valoarea maximă pentru birefringenţa, = n n e - n o. Nu vom face aici cu cazul general al

unui val de călătorii într-o direcţie arbitrară faţă de director într-un eşantion cu cristale lichide, cu

excepţia să se constate că n variază de la zero la maxim valoarea, în funcţie de direcţia de

deplasare. Condiţia e n> n o descrie un material pozitiv uniaxial, astfel încât cristalele lichide

nematic se află în această categorie. Pentru tipice cristale lichide nematic, n o este de aproximativ

1,5 şi diferenţa maximă, n, poate varia între 0,05 şi 0,5.

Lungimea probei este un alt parametru important, deoarece schimbare de fază se acumulează,

atâta timp cât lumina se propagă în material birefringent. Orice stat polarizare pot fi produse cu

combinaţia potrivită de birefringenţa şi parametrii de lungime.

Este convenabil aici pentru a introduce conceptul de drumul optic în mass-media, deoarece

pentru cele de mai sus cele două componente de undă care călătoresc cu viteze diferite într-un

Page 16: Cristale Lichide

material birefringent, diferenţa de drum optic va duce la o schimbare în starea de polarizare a

undei, deoarece progreseaza prin mediu. Noi definim drumul optic pentru un val calatoresc o

distanţă L într-un cristal ca nL, astfel încât diferenţa drumul optic pentru componentele val două

enumerate mai sus vor fi L (n e - n o) = L n. Diferenţa de fază rezultate între cele două

componente (suma cu care componenta lent, extraordinare se situează în urma o rapid, ordinare)

este la doar 2 L n / în cazul în care v v este lungimea de undă în vid.

Simularea următoarele demonstrează proprietăţile optice ale unui material birefringent. Un val de

lumină polarizată liniar intră într-un cristal a cărui extraordinară (lent) indicele de refractie poate

fi controlată de către utilizator. Durata probei poate fi, de asemenea, variate, iar statul polarizare

de ieşire este afişat. Conceptul de diferenţă drum optic şi influenţa acesteia asupra starii de

polarizare poate fi, de asemenea, explorate aici. Acest lucru conduce la o discuţie de plăci retard

optice sau întârzietori fază, în cadrul simulării.

Birefringenţa

Aplicarea la studii polarizat Lumina de cristale lichide

Luaţi în considerare cazul în care un eşantion de cristal lichid este plasat între polarizatoare

traversat de transport ale căror axe sunt aliniate la un anumit unghi între direcţia rapidă şi lentă a

materialului. Datorită naturii birefringent a probei, lumina polarizată liniar de intrare devine

eliptic polarizate, după cum aţi aflat deja în simulare. Atunci când această ray ajunge la polarizor

al doilea rând, există în prezent o componentă care poate trece prin, şi regiunea apare luminos.

Pentru monocromatica de lumina (o singură frecvenţă), de amploarea diferenţei de fază este

determinată de lungimea şi birefringenţa a materialului. În cazul în care proba este foarte subţire,

componentele ordinare si extraordinare nu se foarte departe de fază. De asemenea, în cazul în

care proba este suficient de gros, diferenţa de fază pot fi mari. În cazul în care diferenţa de fază

este egal cu 360 de grade, val revine la starea iniţială şi polarizare este blocată de către

polarizatorul secunde. Dimensiunea de schimbare de fază determină intensitatea luminii

transmise.

În cazul în care axa de transport de polarizor prima este paralel fie de ghidare ordinare sau

extraordinare, lumina nu este spart în componente, şi nici o schimbare în starea de polarizare se

produce. În acest caz, nu este o componentă transmise, precum şi regiunea apare întuneric.

Într-un cristal lichid tipic, birefringenţa si lungimea nu sunt constante pe întregul eşantion. Acest

lucru înseamnă că unele zone să apară lumina si altele par întunecate, aşa cum se arată în

imaginea următoare microscop de un cristal lichid nematic, luate între polarizatoare trecut.

Zonele luminoase şi cele întunecate ce denotă regiunile din diferite orientare director,

birefringenţa, şi lungime.

Page 17: Cristale Lichide

Multumim Imagine de E. companiei Merck

Textura Schlieren, ca acest aranjament special, este cunoscut, este caracteristic fazei nematic.

Regiunile întunecate care reprezintă alinierea în paralel sau perpendicular, directorului sunt

numite perii. Următoarea secţiune va descrie texturile de cristale lichide mai în detaliu, dar

înainte de a merge acolo vă permite să vedeţi cum birefringenţa poate duce la imagini

multicolore în examinarea de cristale lichide în conformitate cu lumină albă polarizată.

Culori care decurg din Studii de lumina polarizata

Până la acest punct, ne-am confruntat doar cu lumina monocromatica are în vedere proprietăţile

optice ale materialelor. În înţelegerea originii a culorilor, care sunt observate în studiile de

cristale lichide plasate între polarizatoare trecut liniar, acesta va fi de ajutor pentru a reveni la

exemple de plăci încetinire discutate în simularea birefringenţa. Acestea sunt proiectate pentru o

anumită lungime de undă şi, astfel, va produce rezultatele dorite pentru o bandă relativ îngustă de

lungimi de undă în jurul valorii de faptul că o valoare deosebită. Dacă, de exemplu, o placă full-

val concepute pentru lungime de undă este este plasat între polarizatoare trecut la unele

orientare arbitrare şi Amestec iluminat de lumina alba, lungime de undă nu vor fi afectate de

încetinire şi aşa va fi şi stinge ( absorbite) de către analizor. Cu toate acestea, toate celelalte

lungimi de undă se vor confrunta cu unele retard şi emerge din placa de full-undă într-o varietate

de state polarizare. Componentele de această lumină a trecut prin analizorul va forma apoi de

culoare complementare

Modele de culoare observate la microscop de polarizare, împreună cu extinctii observat deja în

legătură cu Simulatoare birefringenţa sunt foarte utile în studiul de cristale lichide în multe

situaţii, inclusiv identificarea de texturi, de faze cu cristale lichide şi observaţiile de schimbări de

fază .

Simularea de mai jos ilustrează rolul birefringenţa în formarea de imagini colorate pe un eşantion

de cristal lichid situat între polarizatoare traversat liniară atunci când a observat, de exemplu,

într-un microscop. Simulare vă permite să reglaţi birefringenţa, lungimea, şi orientarea, a

probei cu cristale lichide. Aici, este unghiul dintre regizor şi direcţia verticală (direcţia de

transmitere a Polarizor).

Culori de la birefringenţa

Page 18: Cristale Lichide

Dependenţa de temperatură a birefringenţa

Amintiti-va ca birefringenţa a unui material din anizotropia rezultatelor sale şi anizotropia de

cristale lichide arată o dependenţă puternică de temperatură, dispare la nematic la tranziţia de

fază izotrope. Prin urmare, birefringenţa arată o dependenţa de temperatură semnificative. Acest

lucru este discutat şi ilustrate în următoarele simulare.

Texturi si Defecte

Proprietati unice optice ale cristalelor lichide a le permite să fie utilizate într-o varietate de

aplicaţii. Această secţiune explică modul în care aceste caracteristici apar.

Cu cristale lichide Texturi

Textura Termenul se refera la orientarea moleculelor cu cristale lichide în apropierea unei

suprafaţă. Fiecare mesophase cu cristale lichide se pot forma propriile sale texturi caracteristice,

care sunt utile în identificare. Noi considerăm texturile nematic aici, amânarea discuţiilor de

texturi cholesteric până la secţiunea cu privire la polimer stabilizat cristale lichide cholesteric.

În cazul în care materialele mesogenic se limitează între plăci spaţiate strâns cu suprafeţe frecat

(aşa cum este descris mai sus) şi orientate cu frecare de ghidare paralel, întregul eşantion de

cristal lichid pot fi orientate într-o textură planare , aşa cum se arată în diagrama de mai jos.

Mesogens poate fi, de asemenea, orientat normal la o suprafaţă cu utilizarea de filme adecvate

polimer, sau în prezenţa unui câmp electric aplicat normală la suprafaţă, dând naştere la textura

homeotropic , aşa cum este ilustrat mai jos.

Defecte sub microscop

Schimbarile bruste de luminozitate văzut în imaginile din secţiunea anterioară privind

birefringenţa semnal de o schimbare rapidă în orientarea director în apropierea unei linii sau

singularitate punctul cunoscut sub numele de disclination. Un disclination este o regiune în care

directorul este nedefinit. Ceea ce urmează este o diagramă care arată orientarea directorului în

jurul unui disclination.

Page 19: Cristale Lichide

Defecte focale conice sunt responsabile pentru multe dintre structurile din cristale lichide

smectic. Următorul este un microscop TEM a unui conic focale.

Diagrama şi micrographs în această secţiune au fost furnizate de profesorul Steven Hudson a

Departamentului de Ştiinţe macromoleculare, CWRU.

Proprietăţi chimice de cristale lichide

Cristale lichide pot fi clasificate în două categorii principale: cristale lichide thermotropic, şi

cristale lichide lyotropic. Aceste două tipuri de cristale lichide se disting prin mecanismele care

unitatea lor de auto-organizare, dar ele sunt, de asemenea, similare în multe feluri.

Tranzacţiilor Thermotropic apar în cele mai multe cristale lichide, şi ele sunt definite de faptul că

tranziţiile la starea cristalină lichid sunt induse termic. Asta este, se poate ajunge la starea

cristalină lichidă prin creşterea temperaturii de un solid şi / sau scăderea temperaturii unui lichid.

Cristale lichide Thermotropic pot fi clasificate în două tipuri: cristale lichide enantiotropic, care

Page 20: Cristale Lichide

poate fi schimbată în stare să ducă la scăderea cu cristale lichide, fie la temperatura de un lichid

sau ridicarea temperaturii de un solid, şi cristale lichide monotropic, care pot fi modificate doar

în stare de cristal lichid, fie de o creştere a temperaturii unui solid sau o scădere a temperaturii de

un lichid, dar nu ambele. În general, mesophases thermotropic apar din cauza forţelor de

dispersie anizotrope între moleculele şi din cauza interacţiunilor de ambalare.

Spre deosebire de mesophases thermotropic, lyotropic tranziţii cu cristale lichide apar cu

influenta de solvenţi, nu de o schimbare de temperatura. Mesophases Lyotropic apar ca rezultat

al solvent induse de agregare a mesogens constitutiv în structurile micelara. Mesogens Lyotropic

sunt de obicei amfifilice, ceea ce înseamnă că acestea sunt compuse din ambele lyophilic

(solvent-atragerea) şi lyophobic (solvent care respinge) piese. Acest lucru face ca ei să formeze

în structurile micelara, în prezenţa unui solvent, deoarece se încheie lyophobic va rămâne

împreună ca se termina lyophilic extinde spre exterior spre soluţia. Deoarece concentraţia

soluţiei este crescut, iar soluţia este răcit, creşterea micele în dimensiune şi în cele din urmă

coaliza. Aceasta separă de stat nou format din cristale lichide cu solvent.

Un număr foarte mare de compuşi chimici sunt cunoscute pentru a expune unul sau mai multe

faze lichide cristaline. În pofida diferenţelor semnificative în compoziţia chimică, aceste

molecule au unele caracteristici comune în chimice şi proprietăţilor fizice. Există două tipuri de

cristale lichide thermotropic: discotics şi tijă în formă de molecule. Discotics sunt plate disc, cum

ar fi molecule constând dintr-un miez de inele aromatice adiacente. Acest lucru permite două

comanda dimensionale columnare. Rod în formă de molecule au o geometrie alungit, anizotrope

care permite alinierea preferenţial de-a lungul-o singură direcţie spaţiale.

Tija-cum ar fi scăzut molar de masă (LMM) cristale lichide, cum ar fi 5CB se arată în

următoarea diagramă:

necesită o conformaţie extinsă a moleculei care trebuie menţinută prin rigiditatea şi linearitatea a

componentelor sale. Asta este, pentru ca o molecula pentru a afişa caracteristicile unui cristal

lichid, acesta trebuie să fie rigidă şi în formă de tijă. Aceasta se realizează prin interconectarea a

două unităţi ciclice rigide. Grupul de interconectare ar trebui să cauzeze compus rezultat de a

avea o conformaţie liniară plan. Legarea de unităţi care conţin mai multe obligaţiuni, cum ar fi -

(CH = N) -,-N = N-, - (CH = CH) n-,-CH = NN = CH-, etc sunt folosite, deoarece, se

restricţionează libertatea de rotaţie. Aceste grupuri pot conjugat cu inele fenilenă, sporirea

polarizability anizotrope. Acest lucru creşte durata moleculare şi menţine rigiditatea.

Page 21: Cristale Lichide

Aplicatii de cristale lichide

Tehnologia cu cristale lichide a avut un efect mai multe domenii majore ale ştiinţei şi ingineriei,

precum şi tehnologia de dispozitiv. Cererile pentru acest tip de material de construcţii sunt încă

descoperite şi va continua să ofere soluţii eficiente pentru multe probleme diferite.

Ecranele cu cristale lichide

Cea mai comună aplicaţie a tehnologiei cu cristale lichide este ecranele cu cristale lichide

(LCDs.) Această rubrică a crescut într-o industrie multi-miliarde de dolari, şi multe descoperiri

stiintifice semnificative şi de inginerie au fost făcute. Vă rugăm să consultaţi capitolul LCD

pentru mai multe detalii.

Termometre cu cristale lichide

Aşa cum sa demonstrat mai devreme, chiral nematic (cholesteric) cristale lichide reflecta lumina

cu o lungime de undă egală cu pas. Deoarece pas este dependent de temperatură, de culoare

reflectată, de asemenea, depinde de temperatură. Cristale lichide face posibilă ecartament cu

precizie temperatura doar uitandu-te la culoarea de termometru. Prin amestecarea compuşi

diferite, un dispozitiv practic pentru orice gama de temperatura poate fi construit.

"Inel starea de spirit", o noutate populare câţiva ani în urmă, au profitat de capacitatea unică de a

cristalului chirale lichid nematic. Mai multe aplicaţii importante şi practice au fost dezvoltate în

domenii diverse, precum medicina şi electronice. Special dispozitive cu cristale lichide poate fi

ataşat la nivelul pielii pentru a afişa o "hartă" a temperaturilor. Acest lucru este util, deoarece de

multe ori probleme fizice, cum ar fi tumorile, au o temperatură diferită de ţesutul din jur. Senzori

de temperatură cu cristale lichide poate fi, de asemenea, utilizată pentru a găsi conexiuni proaste

pe o placă de circuit, prin detectarea temperaturii caracteristice mai mare. [Collings, 140-142]

Optice Imaging

O cerere de cristale lichide, care este abia acum se analizează este optice imagistice şi de

înregistrare. În această tehnologie, o celula de cristal lichid este plasat între două straturi de

fotoconductor. Lumina este aplicat la fotoconductorul, care creşte conductivitatea materialului.

Acest lucru determină un câmp electric pentru a dezvolta în cristale lichide corespunzătoare

intensitatea luminii. Modelul electric poate fi transmise de către un electrod, care permite ca

imaginea să fie înregistrate. Aceasta tehnologie este încă în curs de dezvoltare si este una dintre

cele mai promiţătoare domenii de cercetare cu cristale lichide.

Alte aplicaţii cu cristale lichide

Cristale lichide au o multitudine de alte utilizări. Ele sunt folosite pentru testarea mecanică

nedistructivă a materialelor în condiţii de stres. Aceasta tehnica este, de asemenea utilizat pentru

vizualizarea de RF (radio frecvenţă), unde în ghiduri de undă. Ele sunt folosite în aplicaţii

medicale în cazul în care, de exemplu, presiunea tranzitorie transmise de mers pe jos un picior pe

Page 22: Cristale Lichide

sol este măsurată. Minima molar de masă (LMM) cristale lichide au aplicaţii, inclusiv discuri

optice care poate fi ştearsă, full color ", diapozitive electronice" pentru asistată de calculator

desen (CAD), şi modulatori lumina pentru imagini color electronice.

Deoarece noi proprietăţi şi tipuri de cristale lichide sunt investigate şi cercetate, aceste materiale

sunt sigur că pentru a obţine o importanţă crescândă în aplicaţii industriale şi ştiinţifice.