Рідкі кристали (стр. 1 из 5)

У 2008 р., наукова громадськість відзначить 120 років з моменту відкриття рідких кристалів - нового стану речовини. Тоді учені виявили, що речовини в рідкокристалічному стані володіють текучістю, як звичайні рідини, і в той же час їх оптичні властивості вражаюче схожі на властивості твердих кристалів.

Набагато пізніше стала ясна фізична причина існування четвертого стану речовини і його основна умова.

РОЗДІЛ 1.РІДКІ КРИСТАЛИ — НОВИЙ СТАН РЕЧОВИНИ

1.1 Навіщо потрібні РК

У буденному житті ми стикаємося з годинниками, термометрами на рідких кристалах. Інтерес до них перш за все обумовлений можливостями їх ефективного застосування у ряді галузей виробничої діяльності. Впровадження рідких кристалів означає економічну ефективність, простоту, зручність.

Рідкий кристал — це специфічний агрегатний стан речовини, в якій воно проявляє одночасно властивості кристала і рідини. Далеко не всі речовини можуть знаходитися в рідкокристалічному стані. Більшість речовин можуть знаходитися тільки в трьох, всім добре відомих агрегатних станах: твердому або кристалічному, рідкому і газоподібному. Деякі органічні речовини, що володіють складними молекулами, окрім трьох названих станів, можуть утворювати четвертий агрегатний стан — рідкокристалічне. Цей стан здійснюється при плавленні кристалів деяких речовин. При їх плавленні утворюється рідкокристалічна фаза, що відрізняється від звичайних рідин. Ця фаза існує в інтервалі від температури плавлення кристала до деякої вищої температури, при нагріві до якої рідкий кристал переходить в звичайну рідину. Подібно звичайній рідині, рідкий кристал володіє текучістю і приймає форму судини (сосуда), в яку він поміщений. Цим він відрізняється від відомих всім кристалів. Проте не дивлячись на цю властивість, об'єднуючу його з рідиною, він володіє властивістю, характерною для кристалів. Це — впорядкування в просторі молекул, утворюючих кристал. Правда, це впорядкування не таке повне, як в звичайних кристалах, проте воно істотно впливає на властивості рідких кристалів, чим і відрізняє їх від звичайних рідин. Неповне просторове впорядкування молекул, утворюючих рідкий кристал, виявляється в тому, що в рідких кристалах немає повного порядку в просторовому розташуванні центрів тяжіння молекул, хоча частковий порядок може бути. Це означає, що у них немає жорсткої кристалічної решітки. Тому рідкі кристали, подібно до звичайних рідин, володіють властивістю плинності.

Обов'язковою властивістю рідких кристалів, що зближує їх із звичайними кристалами, є наявність порядку просторової орієнтації молекул. Такий порядок в орієнтації може виявлятися, наприклад, в тому що всі довгі осі молекул в рідкокристалічному зразку орієнтовані однаково. Ці молекули повинні володіти витягнутою формою. Окрім простого названого впорядкування осей молекул, в рідкому кристалі може здійснюватися складніший орієнтаційний порядок молекул.[1]

1.2 Трохи історії

Не володіючи сучасною величезною інформацією про будову матерії, дуже важко повірити, що такі, здавалося б, властивості, що взаємно виключають один одного, можуть виявлятися у однієї речовини. Тому, ймовірно, дослідники вже дуже давно стикалися з рідкокристалічним станом, але не віддавали собі в цьому звіту. Проте існування рідких кристалів було встановлене дуже давно, майже сторіччя тому, а саме в 1888 році.

Першим, хто виявив рідкі кристали, був австрійський учений-ботанік Рейнітцер. Досліджуючи нову синтезовану ним речовину холестерилбензоат, він виявив, що при температурі 145°С кристали цієї речовини плавляться, утворюючи мутну, сильно розсіюючу світло, рідину. При продовженні нагріву після досягнення температури 179°С рідина прояснюється, тобто починає поводитися в оптичному відношенні, як звичайна рідина, наприклад вода. Несподівані властивості холестерилбензоат виявляв в мутній фазі. Розглядаючи цю фазу під поляризаційним мікроскопом, Рейнітцер виявив, що вона володіє двупереломленням. Це означає, що показник заломлення світла, тобто швидкість світла в цій фазі, залежить від поляризації.

Явище двупереломлення - це типово кристалічний ефект, що полягає в тому, що швидкість світла в кристалі залежить від орієнтації площини поляризації світла. Істотно, що вона досягає екстремального максимального і мінімального значень для двох взаємно ортогональних орієнтацій площини поляризації. Зрозуміло, орієнтації поляризації, відповідні екстремальним значенням швидкості світлі в кристалі, визначаються анізотропією властивостей кристала і однозначно задаються орієнтацією кристалічних осей щодо напряму розповсюдження світла.

Тому сказане пояснює, що існування двупереломлення в рідині, яка повинна бути ізотропною, тобто що її властивості повинні бути незалежними від напряму, представлялося парадоксальним. Найбільш правдоподібним у той час могла здаватися наявність в мутній фазі малих частинок кристала, що не розплавилися, кристалітів, які і були джерелом двупереломлення. Проте детальніші дослідження, до яких Рейнітцер привернув відомого німецького фізика Лемана, показали, що каламутна фаза не є двофазною системою, тобто не містить в звичайній рідині кристалічних включень, а є новим фазовим станом речовини. Цьому фазовому стану Леман дав назву «Рідкий кристал» у зв'язку з властивостями рідини і кристала, що одночасно проявлялися ним. Уживається також і інший термін для назви рідких кристалів. Це — «мезофаза», що буквально означає «проміжна фаза».

У той час існування рідких кристалів представлялося якимсь курйозом, і ніхто не міг припустити, що їх чекає майже через сто років велике майбутнє в технічних застосуваннях. Тому після деякого інтересу до рідких кристалів відразу після їх відкриття про них через деякий час практично забули.

Проте вже в перші роки було з'ясовано багато інших дивовижних властивостей рідких кристалів. Так, деякі види рідких кристалів володіли незвично високою оптичною активністю.

Оптичною активністю називають здатність деяких речовин обертати площину поляризації світла, що проходить через них. Це означає, що лінійно поляризоване світло, розповсюджуючись в таких середовищах, змінює орієнтацію площини поляризації. Причому кут повороту площини поляризації прямо пропорційна шляху L, пройденому світлом, де кут повороту на одиничному шляху і називається питомою обертальною здатністю.

Дивовижними були також й інші властивості, такі, як сильна температурна залежність названих характеристик, їх дуже висока чутливість до зовнішніх магнітних і електричних полів і т д.

В кінці ХІХ — початку ХХ століття багато дуже авторитетних вчених вельми скептично відносилися до відкриття Рейнітцера і Лемана. (Ім'я Ламана також можна по праву пов'язувати з відкриттям рідких кристалів, оскільки він дуже активно брав участь в перших дослідженнях рідких кристалів.) Річ у тому, що не тільки описані суперечливі властивості рідких кристалів представлялися багатьом авторитетам вельми сумнівними, але і в тому, що властивості різних рідкокристалічних речовин (з'єднань, що володіли рідкокристалічною фазою) виявлялися істотно різними. Так, одні рідкі кристали володіли дуже великою в'язкістю, у інших в'язкість була невелика. Одні рідкі кристали проявляли із зміною температури різку зміну забарвлення, так що їх колір пробігав всі тони веселки, інші рідкі кристали такої різкої зміни забарвлення не проявляли. Нарешті, зовнішній вигляд зразків, або, як прийнято говорити, текстура, різних рідких кристалів при розгляді їх під мікроскопом виявлявся зовсім різним. У одному випадку в полі поляризаційного мікроскопа могли бути видні утворення, схожі на нитки, в іншому — спостерігалися зображення, схожі на гірський рельєф, а в третьому — картина нагадувала відбитки пальців. Стояло також питання, чому рідкокристалічна фаза спостерігається при плавленні тільки деяких речовин?

Ось в таких умовах скептицизму з боку багатьох авторитетів і достатку суперечливих фактів вели свої роботи перші, тоді нечисленні, дослідники рідких кристалів, справжні ентузіасти своєї справи. До їх числа слід віднести німецького хіміка Д.Форлендера, який на початку ХХ століття в університетському місті Галле (Німеччина) спільно з своїми учнями вивчав хімію рідких кристалів. Він намагався відповісти на питання, якими властивостями повинні володіти молекули речовини, щоб воно мали рідкокристалічну фазу. Форлендер знайшов велику кількість нових з'єднань, що володіють рідкокристалічною фазою, і уважно досліджував властивості молекул відповідних з'єднань, зокрема структурні. В результаті його робіт стало ясно, що рідкі кристали утворюють речовини, молекули яких мають подовжену форму.[7]

Час йшов, факти про рідкі кристали поступово накопичувалися, але не було загального принципу, який дозволив би встановити якусь систему в уявленнях про рідкі кристали. Як то кажуть, настав час для класифікації предмету досліджень. Заслуга в створенні основ сучасної класифікації рідких кристалів належить французькому ученому Ж.Фріделю. В 20-і роки Фрідель запропонував розділити всі рідкі кристали на дві великі групи. Одну групу рідких кристалів Фрідель назвав нематичними, іншу смектичними. Він же запропонував загальний термін для рідких кристалів — «мезоморфна фаза». Цей термін походить від грецького слова «мезос» (проміжний), а вводячи його, Фрідель хотів підкреслити, що рідкі кристали займають проміжне положення між дійсними кристалами і рідинами як по температурі, так і по своїх фізичних властивостях. Нематичні рідкі кристали в класифікації Фріделя включали вже згадувані вище холестеричні рідкі кристали як підклас.