Рідкі кристали (стр. 3 из 6)

Рисунок 3.2.4 – Вічка типу «сендвіч». 1 – рідкий кристал, 2 – скляна пластина, 3 – провідний шар, 4 – прокладка, 5 – висновки

3.3 Оптичні та електрооптичні властивості рідких кристалів

Спонтанна орієнтація молекул в рідких кристалах наводить до того, що ці речовини проявляють оптичні двопроменезаломлювання, властиве деяким твердим кристалам. Світло, що проходить через однорідно-упорядковані шари рідких кристалів, розпадається на два проміння: незвичайний, напрямок поляризації якого співпадає з напрямком оптичної осі рідкого кристала, й, звичайний, з напрямком поляризації, перпендикулярним цій осі. Кристал вважається оптично позитивним, якщо n_e-n₀>0, й оптично негативним, якщо n_e-n₀<0; n_e та n₀ – коефіцієнти переломлення незвичайного й звичайного промінів.

Нематичні та смектичні рідкі кристали оптично позитивні й напрямок довгих осей молекул співпадає з напрямком оптичної осі. Холестерині рідкі кристали, в яких довгі осі молекул перпендикулярні осі холестеричної спіралі, яка, в свою чергу, паралельна оптичній осі зразка, - оптично негативні. Ця особливість часто служить критерієм відмінності холестеричних рідких кристалів від смектичних.

Знак двопроменезаломлювання та напрямок оптичної осі в рідкокристалічному зразку, як і в твердому кристалі, можна визначити при спостеріганні в мікроскопі в світлі, що сходиться.

Орієнтовані шари рідкокристалічних холестериків, нематиків і смектиків А оптично одноосні, тобто для рідких кристалів характерний тільки один напрямок, в якому світло проходить з однаковою швидкістю незалежно від стану поляризації. В смектиках С є два таких напрямки, вони двохосні. Двохосний стан можна отримати деформацією холестеричних і нематичних рідких кристалів.

Двопроменезаломлювання нематиків монотонно убуває з ростом температури й різко падає до нуля в точці фазового переходу в ізотропну рідину. Коефіцієнт заломлення для незвичайного проміння n_e різко зменшується з ростом температури, а коефіцієнт заломлення звичайного проміння n₀ повільно росте. Показано, що термічна залежність двопроменезаломлювання нема тиків визначається дисперсійними силами й силами відштовхування.

Надзвичайними оптичними властивостями володіють системи типу «закручений нематик». Таку систему можна отримати наступним чином: рідкий кристал поміщають між двома скляними пластинками, поверхні яких оброблені таким чином, щоб шар нематика орієнтувався пленарно, й пластини закручують відносно один одного на 90^о. В результаті повороту пластин оптична ось нематика деформується (рис. 3.3.5). Шар закрученого нематика в паралельних поляроїдах дає темне поле зору, оскільки напрямок поляризації світла, що проходить через шар кристала, повертається на π/2. Більш ретельний експеримент Гука й Таррі показав, що світло, яке проходить через шар закрученого нематика, поляризований по еліпсу – поле зору затемнене не повністю.

Рисунок 3.3.5 – Спосіб отримання закрученого нематика

Смектичні рідкі кристали типу А, молекули в яких збудовані перпендикулярно смектичним плоскостям, оптично одноосні. Кристали смектичні типу С, для яких характерна орієнтація молекул нахилена до плоскості шарів, оптично двохосні.

Найбільш цікаві оптичні властивості мають холестерині рідкі кристали. Холестерини, в відмінності від нематиків й смектиків, оптично негативні. Вони одноосні. Їх надзвичайними оптичними властивостями, що характерні для твердих кристалів в діапазоні рентгенівського випромінювання, є дуже сильна здібність обертати плоскість поляризації, круговий дихроїзм і селективне відображення світла. Ці виключні оптичні властивості рідких кристалів холестеричного типа – слідство їх спіральної структури й того, що довжина шага холестеричної спіралі порівняна з довжиною хвилі видимого світла. [3]

4. ТЕРМОТРОПНІ РІДКІ КРИСТАЛИ

Класифікація рідких кристалів запропонована Леманном потім розширена Фріделем. За цією класифікацією виділяють три типи або групи рідких кристалів: смектичні, нематичні й холестеричні. Рідкі кристали, що входять в кожну з цих груп, розрізняються фізичними, й, перш за все, оптичними властивостями. Ці відміни слідують з їх структурної різниці.

Смектичний мезоморфний стан вперше спостерігали в милах (“смегма” – з греч. мило). В таких кристалах витягнуті молекули в формі сигар або веретен розташовані паралельно своїми довгими осями й утворюють шари однакової товщини, близької довжині молекул. Ці, так названі смектичні шари лежать один над іншим на однаковій відстані (рис. 4.6). Молекулярні шари в типових смектичних рідких кристалах рухомі, легко переміщується паралельно друг другу. Температура фазового переходу в мезоморфний стан досить висока. Вона повинна бути такою, щоб розрушити зв’язок між рядами, але не порушить зв’язок між молекулами, які розташовані на близькій відстані. Якщо зв’язок між молекулами в окремому шарі частково порушен, то речовина в межі шару поводить себе як двомірна рідина. По мірі зниження температури упорядкування в шарах збільшується, а при достатньо низьких температурах спостерігається упорядкування не тільки молекул в шарах, але й самих шарів і відповідно їх взаємне прилягання. При подальшому зниженні температури з’являється кристалічна структура, тобто може утворюватись твердий кристал з найпростішою молекулярною структурою.

Рисунок 4.6 – Орієнтування молекул в смектичних рідких кристалах

Добре відомим прикладом ліотропного смектичного подвійного шару є плівки мильних бульок. Внутрішні та зовнішні поверхні плівок й є, власне, смектичні шари, поділенні в бульках водним прошарком. Смектичні рідкі кристали часто називають смектиками.

В деяких рідких кристалах можна спостерігати під мікроскопом наявність мікроструктур у вигляді ниток, кінці яких або вільні, або зв’язані зі стінкою ємності, в якій знаходиться речовина що досліджується. Такі речовини відносяться до групи нематичних рідких кристалів (“нема” – з греч. нить). Орієнтація осей молекул в цих кристалах паралельна, однак вони не створюють окремі шари. Довгі осі молекул лежать вздовж ліній, паралельних певному напрямку, а їх центри розміщенні хаотично (рис. 4.7). Нематичні рідкі кристали називаються також нематиками.

Рисунок 4.7 – Орієнтування молекул в нематичних рідких кристалах

Третю групу рідких кристалів, які розрізняються своїми фізичними і, перш за все, оптичними властивостями, складають холестеричні рідкі кристалі – холестерики. До них відносяться, головним чином, похідні холестерину. Сам холестерин не дає мезофази. В холестеричних рідких кристалах молекули розташовані в шарах, як і в смектиках, однак довгі осі молекул паралельні плоскості шарів, а їх розташування в межах шару нагадують скоріш нематик. Шари в холестеричних рідких кристалах тонкі, мономолекулярні. Кожна молекула має плоску конфігурацію й бокову метильну CH₃-групу, розташовану над або під плоскістю. При такій конфігурації атомів в молекулах слідує, що напрямок орієнтації довгих осей молекул в кожному послідуючому шарі відхилено на ~15 кутових хвилин в порівнянні з попереднім шаром. Ці відхилення підсумуються по всій товщині речовини, що приводить до виникнення спіральної молекулярної структури холестеричного рідкого кристала (рис.4.8).

Деякі з згаданих речовин можуть по черзі знаходитися в двох мезоморфних фазах: холестеричній і смектичній або нематичній і смектичній. Індивідуальних з’єднань, що дають нематичну й холестерину фази, не виявлено. [1]

Рисунок 4.8 – Орієнтування молекул в холестеричних рідких кристалах

5. ЛІОТРОПНІ РІДКІ КРИСТАЛИ

Ліотропні рідкі кристали отримуються розчиненням твердокристалічних речовин. В залежності від концентрації розчин може переходити з ізотропного стану через рідкокристалічний стан нематичного типу в смектичних рідких кристалах. Розчинення декількох речовин в конкретному розчиннику приводить до рідкокристалічного стану холестеричного типу. Можна отримати рідкокристалічний стан також розчиненням багатьох різноманітних компонентів.

Прикладом ліотропного рідкого кристала можуть бути розчини олеату калію в спирті та воді. Ці розчини, відомі під назвою калійного рідкого мила. Якщо каплю такого розчину розмістити між скляними пластинками, то через декілька годин по краях препарату починають з’являтися рідкі кристали смектичного типу. В центральній зоні препарату буде спостерігатись текстура іншого типу, що нагадує сімейство сферолітов.

Іншим прикладом широкодоступних ліотропних рідких кристалів можуть бути розчини деяких барвників. У звичайних чорнилах, що є ненасиченим розчином барвника, після упарювання води з’являються рідкі кристали.

5.1 Структура молекул речовин, що утворюють ліотропні рідкі кристали

Ліотропні рідкі кристали за своєю природою бувають органічними та неорганічними. Дуже часто зустрічаються системи – ліпід-вода. В живих організмах сполучення таких систем певної будови – звичне явище. Молекули ліпідів, одного з самих великих класів органічних речовин, що уміщують жири, віск, фосфіди и т.д. нарівні з вуглеводнями групами, не взаємодіють з водою, мають одну або кілька полярних гідрофільних груп, що легко контактують з водою. Такі молекули називаються амфіфільними, щоб підкреслити їх двояку природу. Подібні ліпіди знаходяться в крові, вони також є основою більшості речовин мозкової тканини. Висновком двоякої структури природи цих молекул є утворювання мезоморфної фази ліотропного типу.