Жидкие кристаллы: проблемы и перспективы

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.

В 1940 году Виктор Николаевич Цветков сформулировал фундаментальные представления современной физики жидких кристаллов. В. H. Цветков объяснил природу ориентирующего воздействия электромагнитных полей на жидкокристаллические образцы.

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. жидкий кристалл молекулярный

Виды

По своим общим свойствам жидкие кристаллы можно разделить на две большие группы:

1. Лиотропные жидкие кристаллы образуются при растворении ряда амфифильных соединений в определенных растворителях и имеют, как правило, более сложную структуру, чем термотропные жидкие кристаллы. Амфифильные соединения состоят из молекул, содержащих гидрофильные и гидрофобные группы. Такие соединения широко распространены в природе. Так, например, любая жирная кислота является амфифильной. Ее молекулы состоят из двух частей: полярной "головки" (СООН-группа) и углеводородного "хвоста" [СН₃(СН₂)n--]. Подобные соединения при растворении в воде, как правило, образуют мицеллярные растворы, в которых полярные головки торчат наружу, находясь в контакте с водой, а углеводородные хвосты, контактируя друг с другом, смотрят вовнутрь. Такие мицеллы и являются теми структурными элементами, из которых строятся лиотропные жидкие кристаллы, формируя, например, цилиндрическую или ламеллярную формы. Примером амфифилов могут служить фосфолипиды. В настоящее время используется при получении высокопрочных и высокомодульных термостойких волокон.

2. Термотропные жидкие кристаллы, образующиеся в результате нагревания твердого вещества и существующие в определенном интервале температур и давлений, различают три основных типа структур жидко кристолличиских-соединений: смектический, нематический и холестерический.

Одну группу жидкие кристаллы Фридель назвал нематическими, другую смектическими. Он же предложил общий термин жидкие кристаллы - "мезоморфная фаза". Этот термин происходит от греческого слова "мезос" (промежуточный), а вводя его, Фридель хотел подчеркнуть, что жидкие кристаллы занимают промежуточное положение между истинными кристаллами и жидкостями, как по температуре, так и по своим физическим свойствам. Нематические жидкие кристаллы в классификации Фриделя включали холестерические жидкие кристаллы как подкласс.

Самые "кристаллические" среди жидких кристаллов - смектические. Для смектических кристаллов характерна двумерная упорядоченность. Молекулы размещаются так, чтобы их оси были параллельны. Более того, они "понимают" команду "равняйся" и размещаются в стройных рядах, упакованных на смектических плоскостях, и в шеренгах - на нематических. Смектическим жидким кристаллам свойственно многое из того, о чем пойдет речь ниже, и нечто особенное - долговременная память. Записав, например, изображение на такой кристалл, можно затем долго любоваться "произведением". Однако эта особенность смектических кристаллов для воспроизводящих элементов индикационных устройств, телевизоров и дисплеев не слишком удобна. Тем не менее, они находят применение в промышленности, к примеру, в индикаторах давления.

Упорядоченность нематических сред ниже, чем у смектических. Молекулам дозволено смещаться относительно длинных осей, поэтому упорядоченность становится "односторонней", а реакция на внешнее воздействие относительно быстрой, память - короткой. Смектические плоскости отсутствуют, а вот нематические сохраняются. Термин "холестерические жидкие кристаллы " не случаен, поскольку наиболее характерным и на практике самым используемым кристаллом этого класса является холестерин. Молекулы холестерина и аналогов размещаются в нематических плоскостях. Особенность молекул холестерического типа в том, что при достаточно сильном боковом притяжении их вершины отталкиваются. Холестерин - доступный и достаточно дешевый материал, сырьем для которого богата любая скотобойня. Очень сложные жидкокристаллические структуры образуют растворы мыла в воде. Здесь можно получить слоистые, дисковые и даже шарообразные структуры.

Методы исследования

Самый первый, так сказать традиционный, способ изучения жидких кристаллов - это поляризационно-оптическая микроскопия. Эта же технология применяется для исследования обычных кристаллов. Коротко суть метода такова: когда поляризованный свет попадает в жидкокристаллическую среду, наблюдается поворот плоскости поляризации, и степень поворота зависит от длины волны. Мезофазы дают характерные картинки, текстуры, при наблюдении в поляризационный микроскоп. Анализ изображения позволяет сделать первичный вывод о том, что за жидкокристаллическая фаза образуется.

Другой метод изучения жидких кристаллов - это рентгеноструктурный анализ.

Кроме того, для изучения свойств жидких кристаллов используют спектральные методы, включая, например, ядерно-магнитный резонанс. И хотя методов много, и изучают жидкие кристаллы уже давно, очень многие их свойства остаются пока непонятными.

Проблемы

Существует хорошая, чёткая теория только самого простого типа жидкокристаллического состояния. А жидкокристаллических фаз множество: несколько десятков. Существует проблема связи структура-свойство. Химики ищут "чёткие представления о том, как химическая структура влияет на свойства конечного вещества"

Также не понятно, почему нагретые ЖК, находящиеся в воде, самоорганизовываются в упорядоченные нанодомены при охлаждении воды.

Применение

Стоит сказать, что расположение молекул в жидких кристаллах изменяется под действием таких факторов, как температура, давление, электрические и магнитные поля; изменения же расположения молекул приводят к изменению оптических свойств, таких, как цвет, прозрачность и способность к вращению плоскости поляризации проходящего света. (У холестерически-нематических в жидких кристаллах эта способность очень велика.) На всем ???м основаны многочисленные применения в жидких кристаллов.

· Несмотря на большое число возможных применений жидких кристаллов, основное их применение вязано с электрооптическими приборам:

Повседневно в современном мире используются мониторы на жидких кристаллах. Также жидкие кристаллы в виде плёнки наносят на транзисторы, интегральные схемы и печатные платы электронных схем. Неисправные элементы - сильно нагретые или холодные, неработающие - сразу заметны по ярким цветовым пятнам.

· Температурная зависимость цвета позволяет также контролировать качество изделий без их разрушения. Если металлическое изделие нагревать, то его внутренний дефект изменит распределение температуры на поверхности. Эти дефекты выявляются по изменению цвета нанесенного на поверхность жидкокристаллического материала.

· Применение в ювелирной промышлености, например, "перстень настроения". Так же применяется в других декоративных предметах.

· При оценке аэродинамики моделей летательных аппаратов в аэродинамических трубах одной из характеристик является скорость теплообмена. Жидкие кристаллы, нанесенные на поверхность модели, способны дать двумерную картину распределения температуры на ее поверхности.

· Применяются в датчиках давления.

· Используется в дозиметрах излучения. Сигналом о превышении безопасной дозы ионизирующего излучения служит изменение окраски или непосредственный буквенный сигнал на специально приготовленной пленке, содержащей холестерик.

· Жидкокристаллические полимеры получают путем "химического связывания" полимерных цепей с молекулами обычных низкомолекулярных жидких кристаллов. Прочность таких полимерных волокон оказывается высока. Примером может служить волокно "Кевлар-49". Удельный вес волокна значительно ниже, чем у стали, а прочность - выше.

· Стекло на жидких кристаллах. В выключенном состояние оно прозрачное, а во включённом нет.

· Различные химические вещества, растворяясь в жидком кристалле, меняют его цвет, т.е. холестерик является индикатором на химические примеси. Для каждого химического вещества подбирается "свой" жидкий кристалл. Уже подобраны холестерики, реагирующие на присутствие паров хлороформа, дихлорэтана, ацетона, бензола, бензина, оксидов азота, хлора, фтора и др., причем они реагируют на ничтожные доли примесей. Это нашло свое применение в охране окружаюцей среды; контроль за состоянием воздушных бассейнов городов, промышленных и транспортных центров, оценка состояния водных бассейнов и отклонений от нормы питьевой воды.

· Зависимость цвета от температуры используется для медицинской диагностики. Применяется для диагностики урологических, стоматологических, неврологических, онкологических и других заболеваний.

· С помощью жидких кристаллов обнаруживают опасные для здоровья человека гамма- и ультрафиолетовое излучения.

· С помощью жидких кристаллов создаются очки, которые способны защищать глаза человека от ультрафиолетовых лучей, стереотелевизоры.

· Нахождение токсинов в воде.

· Применяются в косметики(в виде добавок к эмульсиям).

· В лекарствах против опухолей, кожных заболеваний.

· В доставки лекарств и биологически активных веществ.

· В трансдермальные терапевтические системы (проникающих через кожу лекарственных препаратах)

Перспективы в будущем

· Жидкие кристаллы оказались очень чувствительными к ультразвуку, что позволяет исследовать внутренние органы человека без рентгена, т.е. без ионизирующих лучей, которые сами по себе опасны для здоровья человека.

· Открытие может привести к созданию недорогих, портативных альтернатив для существующих детекторов ДНК

· Возможность записи-хранения оптической информации в качестве альтернативы дискам

· Управляемые оптические транспаранты. Возникла идея создания проекционных устройств на жидких кристаллах, в которых изображение, полученное на жидкокристаллическом экране малого размера могло бы быть спроектировано в увеличенном виде на обычный экран, подобно тому, как это происходит в кинотеатре с кадрами кинопленки. Оказалось, что такие устройства могут быть реализованы на жидких кристаллах, если использовать сэндвичевые структуры, в которые наряду со слоем жидкого кристалла входит слой фотополупроводника. Причем запись изображения в жидком кристалле, осуществляемая с помощью фотополупроводника, производится лучом света.

Такие транспаранты обладают очень высокой разрешающей способностью. Так, объем информации, содержащейся на телевизионном экране, может быть записан на транспаранте размерами менее 1Х 1 см. Этот способ записи изображения, помимо всего прочего, обладает большими достоинствами, так как он делает ненужной сложную систему коммутации, т. е. систему подвода электрических сигналов, которая применяется в матричных экранах на жидких кристаллах.

· Пространственно-временные модуляторы света. Управляемые оптические транспаранты могут быть использованы не только как элементы проекционного устройства, но и выполнять значительное число функций, связанных с преобразованием, хранением и обработкой оптических сигналов. В связи с тенденциями развития методов передачи и обработки информации с использованием оптических каналов связи, позволяющих увеличить быстродействие устройств и объем передаваемой информации, управляемые оптические транспаранты на жидких кристаллах представляют значительный интерес и с этой точки зрения. В этом случае их еще принято называть пространственно-временными модуляторами света (ПВМС), или световыми клапанами.

Перспективы и масштабы применения ПВМС в устройствах обработки оптической информации определяются тем, насколько сегодняшние характеристики оптических транспарантов могут быть улучшены в сторону достижения максимальной чувствительности к управляющему излучению, повышения быстродействия и пространственного разрешения световых сигналов, а также диапазона длин волн излучения, в котором надежно работают эти устройства.

Заключение

Жидкие кристаллы 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, "нелинейная оптика".

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