Жидкие кристаллы
Изучение истории открытия жидких кристаллов, их физико-химические свойства (текучесть, анизотропия) и применение. Сущность явления двупреломления. Описание групп жидких кристаллов: лиотропные, термотропные (нематические, смектические, холестерические).
| Рубрика | Химия |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 18.09.2016 |
| Размер файла | 22,1 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Министерство образования и науки РФ.
Себряковский филиал ФГБОУ ВПО «Волгоградский
Государственный архитектурно-строительный университет»
Реферат
по дисциплине: «Химия»
На тему: Жидкие кристаллы
Выполнил:
студент гр. С-11д-15
Поляков Н.И.
Проверил:
профессор Бабкин В.А.
Михайловка, 2016
Введение
Жидкие кристаллы (сокращённо ЖК) -- вещества, обладающие одновременно свойствами как жидкостей (текучесть), так и кристаллов (анизотропия). По структуре ЖК представляют собой жидкости, похожие на желе, состоящие из молекул вытянутой формы, определённым образом упорядоченных во всем объёме этой жидкости. Наиболее характерным свойством ЖК является их способность изменять ориентацию молекул под воздействием электрических полей, что открывает широкие возможности для применения их в промышленности. По типу ЖК обычно разделяют на две большие группы: нематики и смектики. В свою очередь нематики подразделяются на собственно нематические и холестерические жидкие кристаллы . жидкий кристалл анизотропия
1. История открытия жидких кристаллов
Существование жидких кристаллов было установлено очень давно, почти столетие тому назад, а именно в 1888 году.
Впервые жидкие кристаллы обнаружил австрийский ученый-ботаник Рейнитцер. Исследуя новое синтезированное им вещество холестерилбензоат, он обнаружил, что при температуре 145°С кристаллы этого вещества плавятся, образуя мутную, сильно рассеивающую свет жидкость. При продолжении нагрева по достижении температуры 179°С жидкость просветляется, т.е. начинает вести себя в оптическом отношении, как обычная жидкость, например вода. Неожиданные свойства холестерилбензоата обнаружились в мутной фазе. Рассматривая эту фазу под поляризационным микроскопом, Рейнитцер обнаружил, что она обладает двупреломлением. Это означает, что показатель преломления света, т.е. скорость света в этой фазе, зависит от поляризации.
Явление двупреломления -- это типично кристаллический эффект, состоящий в том, что скорость света в кристалле зависит от ориентации плоскости поляризации света. Существенно, что она достигает экстремального максимального и минимального значений для двух взаимно ортогональных ориентаций плоскости поляризации. Разумеется, ориентации поляризации, соответствующие экстремальным значениям скорости света в кристалле, определяются анизотропией свойств кристалла и однозначно задаются ориентацией кристаллических осей относительно направления распространения света.
Из сказанного следует, что существование двупреломления в жидкости, которая должна быть изотропной, т.е. что ее свойства должны быть не зависящими от направления, представлялось парадоксальным. Наиболее правдоподобным в то время могло казаться наличие в мутной фазе нерасплавившихся малых частичек кристалла, кристаллитов, которые и являлись источником двупреломления. Однако более детальные исследования, к которым Рейнитцер привлек известного немецкого физика Лемана, показали, что мутная фаза не является двухфазной системой, т.е. не содержит в обычной жидкости кристаллических включений, а является новым фазовым состоянием вещества. Этому фазовому состоянию Леман дал название «жидкий кристалл» в связи с одновременно проявляемыми им свойствами жидкости и кристалла. Употребляется также и другой термин для названия жидких кристаллов. Это -- «мезофаза», что буквально означает «промежуточная фаза».
Тогда существование жидких кристаллов представлялось каким-то курьезом, и никто не мог предположить, что их ожидает почти через сто лет большое будущее в технических приложениях. Поэтому после некоторого интереса к жидким кристаллам сразу после их открытия о них через некоторое время практически забыли.
В конце девятнадцатого - начале двадцатого века многие очень авторитетные ученые весьма скептически относились к открытию Рейнитцера и Лемана. Дело в том, что не только описанные противоречивые свойства жидких кристаллов представлялись многим авторитетам весьма сомнительными, но и в том, что свойства различных жидкокристаллических веществ (соединений, обладавших жидкокристаллической фазой) оказывались существенно различными. Так, одни жидкие кристаллы обладали очень большой вязкостью, у других вязкость была невелика. Одни жидкие кристаллы проявляли с изменением температуры резкое изменение окраски, так что их цвет пробегал все тона радуги, другие жидкие кристаллы такого резкого изменения окраски не проявляли. Наконец, внешний вид образцов, или, как принято говорить, текстура, различных жидких кристаллов при рассматривании их под микроскопом оказывался совсем различным. В одном случае в поле поляризационного микроскопа могли быть видны образования, похожие на нити, в другом -- наблюдались изображения, похожие на горный рельеф, а в третьем -- картина напоминала отпечатки пальцев. Стоял также вопрос, почему жидкокристаллическая фаза наблюдается при плавлении только некоторых веществ.
Время шло, факты о жидких кристаллах постепенно накапливались, но не было общего принципа, который позволил бы установить какую-то систему в представлениях о жидких кристаллах. Как говорят, настало время для классификации предмета исследований. Заслуга в создании основ современной классификации жидких кристаллов принадлежит французскому ученому Ж. Фриделю. В двадцатые годы Фридель предложил разделить все жидкие кристаллы на две большие группы. Одну группу жидких кристаллов Фридель назвал нематическими, другую смектическими. Он же предложил общий термин для жидких кристаллов -- «мезоморфная фаза». Этот термин происходит от греческого слова «мезос» (промежуточный), и, 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 уже упоминавшиеся выше холестерические жидкие кристаллы как подкласс.
Самые «кристаллические» среди жидких кристаллов -- смекатические. Для смекатических 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 смекатических плоскостях, и в шеренгах -- на нематических. Смекатическим 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 смекатических 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 смекатических. Молекулам дозволено смещаться относительно длинных осей, поэтому упорядоченность становится «односторонней», реакция на внешнее воздействие относительно быстрой, память -- короткой. Смекатические плоскости отсутствуют, а вот нематические сохраняются.
Термин «холестерические жидкие кристаллы» неслучаен, 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. Словом, выбор материала широк.
В достаточно больших объемах кристаллической жидкости образуются домены, физические свойства которых подобны кристаллам. Однако в целом она проявляет свойства, подобные обычным жидкостям. Доменная структура жидких кристаллов образуется по тем же причинам и законам, что в сегнтоэлектриках и ферромагнетиках. Ситуация резко меняется в пленках, толщина которых сопоставима с радиусом взаимодействия молекул жидкости и пластин, формирующих слой. Это важно подчеркнуть, поскольку именно взаимодействие жидкого кристалла и формообразующих элементов создает тот легко управляемый прибор, который столь активно встраивается в современную электронную технику.
2. Группы жидких кристаллов
Лиотропные ЖК: представляют собой двух- или более компонентные системы, образующиеся в смесях стержневидных молекул данного вещества и воды (или других полярных растворителей). Эти стержневидные молекулы имеют на одном конце полярную группу, а большая часть стержня представляет собой гибкую гидрофобную углеводородную цепь. Такие вещества называются амфифилами (амфи -- по-гречески означает «с двух концов», филос -- «любящий», «благорасположенный»). Примером амфифилов могут служить фосфолипиды.
Амфифильные молекулы, как правило, плохо растворяются в воде, склонны образовывать агрегаты таким образом, что их полярные группы на границе раздела фаз направлены к жидкой фазе. При низких температурах смешивание жидкого амфифила с водой приводит к расслоению системы на две фазы. Одним из вариантов амфифилов со сложной структурой может служить система мыло-вода. Здесь имеется алифатический анион СН3-(СН2)n-2-СО2? (где n ~ 12-20) и положительный ион Nа+, К+, NН4+ и др. Полярная группа СО2? стремится к тесному контакту с молекулами воды, тогда как неполярная группа (алифатическая цепь) избегает контакта с водой. Это явление типично для амфифилов .
Термотропные ЖК подразделяются на три больших класса:
1. Нематические жидкие кристаллы. В этих кристаллах отсутствует дальний порядок в расположении центров тяжести молекул, у них нет слоистой структуры, их молекулы скользят непрерывно в направлении своих длинных осей, вращаясь вокруг них, но при этом сохраняют ориентационный порядок: длинные оси направлены вдоль одного преимущественного направления. Они ведут себя подобно обычным жидкостям. Нематические фазы встречаются только в таких веществах, у молекул которых нет различия между правой и левой формами, их молекулы тождественны своему зеркальному изображению (ахиральны). Примером вещества, образующего нематический ЖК, может служить N-(пара-метоксибензилиден)-пара-бутиланилин.
2. Смектические жидкие кристаллы имеют слоистую структуру, слои могут перемещаться относительно друг друга. Толщина смектического слоя определяется длиной молекул (преимущественно, длиной парафинового «хвоста»), однако вязкость смектиков значительно выше, чем у нематиков, и плотность по нормали к поверхности слоя может сильно меняться. Типичным является терефтал-бис (nара-бутиланилин):
3. Холестерические жидкие кристаллы -- образуются, в основном, соединениями холестерина и других стероидов. Это нематические ЖК, но их длинные оси повернуты друг относительно друга так, что они образуют спирали, очень чувствительные к изменению температуры вследствие чрезвычайно малой энергии образования этой структуры (порядка 0,01 Дж/моль). В качестве типичного холестерика можно назвать амил-пара-(4-цианобензилиденамино)-циннамат.
Холестерики ярко окрашены, и малейшее изменение температуры (до тысячных долей градуса) приводит к изменению шага спирали и, соответственно, к изменению окраски ЖК.
Во всех приведенных типах ЖК характерным является ориентация дипольных молекул в определенном направлении, которое определяется единичным вектором -- называемым «директором».
В недавнее время открыты так называемые колончатые фазы, которые часто образуются дискообразными молекулами, расположенными слоями друг на друге в виде многослойных колонн, с параллельными оптическими осями. Часто их называют «жидкими нитями», вдоль которых молекулы обладают трансляционными степенями свободы. Этот класс соединений был предсказан академиком Л. Д. Ландау, а открыт лишь в 1977 Чандрасекаром. Схематично характер упорядоченности жидких кристаллов названных типов представлен на рисунке.
У ЖК необычные оптические свойства. Нематики и смектики -- оптически одноосные кристаллы. Холестерики, вследствие периодического строения, сильно отражают свет в видимой области спектра. Поскольку в нематиках и холестериках носителями свойств является жидкая фаза, то она легко деформируется под влиянием внешнего воздействия, а так как шаг спирали в холестериках очень чувствителен к температуре, то, следовательно, и отражение света резко меняется с температурой, приводя к изменению цвета вещества.
Эти явления широко используются в различных приложениях, например, для нахождения горячих точек в микроцепях, локализации переломов и опухолей у человека, визуализации изображения в инфракрасных лучах и др.
Характеристики многих электрооптических устройств, работающих на лиотропных ЖК, определяются анизотропией их электропроводности, которая, в свою очередь, связана с анизотропией электронной поляризуемости. Для некоторых веществ вследствие анизотропии свойств ЖК удельная электропроводность изменяет свой знак. Например, для н-октилоксибензойной кислоты она проходит через ноль при температуре 146 °C, и связывают это со структурными особенностями мезофазы и с поляризуемостью молекул. Ориентация молекул нематической фазы, как правило, совпадает с направлением наибольшей проводимости.
Все формы жизни так или иначе связаны с деятельностью живой клетки, многие структурные звенья которой похожи на структуру жидких кристаллов. Обладая замечательными диэлектрическими свойствами, ЖК образуют внутриклеточные гетерогенные поверхности, они регулируют взаимоотношения между клеткой и внешней средой, а также между отдельными клетками и тканями, сообщают необходимую инертность составным частям клетки, защищая её от ферментативного влияния. Таким образом, установление закономерностей поведения ЖК открывает новые перспективы в развитии молекулярной биологии.
3. Применение жидких кристаллов
Одно из важных направлений использования жидких кристаллов -- термография. Подбирая состав жидкокристаллического вещества, создают индикаторы для разных диапазонов температуры и для различных конструкций. Например, 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. Новые возможности получили врачи: жидкокристаллический индикатор на коже больного быстро диагностирует скрытое воспаление и даже опухоль.
С помощью жидких кристаллов обнаруживают парым вредных химических соединений и опасные для здоровья человека гамма- иультрафиолетовое излучения. На основе жидких кристаллов созданы измерители давления, детекторы ультразвука. Но самая многообещающая область применения жидкокристаллических веществ -- информационная техника. От первых индикаторов, знакомых всем по электронным часам, до цветных телевизоров с жидкокристаллическим экраном размером с почтовую открытку прошло лишь несколько лет. Такие телевизоры дают изображение весьма высокого качества, потребляя меньшее количество энергии.
М. Г Томилин предложил использовать жидкие кристаллы в двухступенчатых фотографических технологиях, для сохранения изображений, регистрация внешних воздействий при этом происходит в мезофазе, а хранение -- в твердокристаллическом состоянии.
Заключение
Жидкие кристаллы обладают двойственными свойствами, сочетая в себе свойство жидкостей(текучесть) и свойство кристаллических тел (анизотропию) . Их поведение не всегда удается описать с помощью привычных методов и понятий. Но именно в этом и заключена их привлекательность для исследователей, стремящихся познать еще неизведанное.
Недавно открыты и интенсивно исследуются жидкокристаллические полимеры, появились полимерные ЖК-сегнетоэлектрики, идет активное исследование гибкоцепных элементоорганических и металлсодержащих ЖК-соединений, образующих новые типы мезофаз. Мир жидких кристаллов бесконечно велик и охватывает широчайший круг природных и синтетических объектов, привлекая внимание не только ученых -- физиков, химиков и биологов, но и исследователей-практиков, работающих в самых разнообразных отраслях современной техники (электронике, оптоэлектронике, информатике, голографии и т. п.).
Список используемой литературы
1. В. де Же. Физические свойства жидкокристаллических веществ.
2. А. Ю. Гросберг, А. Р. Хохлов. Статистическая физика макромолекул М.
3. С. Чандрасекар. Жидкие кристаллы.
4. Л. Д. Ландау, Б. М. Лифшиц. Теоретическая физика. Т.5. Статистическая физика.
5. П. де Жен. Физика жидких кристаллов.
6. С. А. Пикин Структурные превращения в жидких кристаллах.
7. А. С. Сонин Введение в физику жидких кристаллов
8. Анисимов Критические явления в жидкостях и жидких кристаллах.
9. Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. Механика жидких кристаллов
10. М. Клеман, О. Д. Лаврентович Основы физики частично упорядоченных сред.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Жидкокристаллическое (мезоморфное) состояние вещества. Образование новой фазы. Типы жидких кристаллов: смекатические, нематические и холестерические. Термотропные и лиотропные жидкие кристаллы. Работы Д. Форлендера, способствовавшие синтезу соединений.
презентация [1,0 M], добавлен 27.12.2010Твёрдые кристаллы: структура, рост, свойства. "Наличие порядка" пространственной ориентации молекул как свойство жидких кристаллов. Линейно поляризованный свет. Нематические, смектические и холестерические кристаллы. Общее понятие о сегнетоэлектриках.
курсовая работа [55,4 K], добавлен 17.11.2012История открытия жидких кристаллов. Их классификация, молекулярное строение и структура. Термотропные жидкие кристаллы: смектический, нематический и холестерический тип. Лиотропные ЖК. Анизотропия физических свойств. Как управлять жидкими кристаллами.
реферат [5,4 M], добавлен 27.05.2010История открытия жидких кристаллов, особенности их молекулярного строения, структура. Классификация и разновидности жидких кристаллов, их свойства, оценка преимуществ и недостатков практического использования. Способы управления жидкими кристаллами.
курсовая работа [58,4 K], добавлен 08.05.2012Теория газообразного состояние вещества. Классификация жидкостей. Метод молекулярных функций распределения. Теория свободного объема. Лиотропные, смектические, термотропные, нематические, холестерические и дискотические жидкие кристаллы, их применение.
презентация [353,6 K], добавлен 15.10.2013Общая характеристика поверхностных явлений в жидких кристаллах. Рассмотрение отличительных особенностей смектических жидких кристаллов, различных степеней их упорядочения. Исследование анизотропии физических свойств мезофазы, степени упорядочения.
реферат [655,6 K], добавлен 10.10.2015Основные виды кристаллов. Естественный и искусственный рост кристаллов. Выращивание кристаллов как физико-химический процесс, требуемое оборудование. Способы образования кристаллов. Выращивание монокристаллов из расплава, растворов и паровой фазы.
реферат [57,3 K], добавлен 07.06.2013Изучение понятия, видов и способов образования кристаллов - твердых тел, в которых атомы расположены закономерно, образуя трехмерно-периодическую пространственную укладку - кристаллическую решетку. Образование кристаллов из расплава, раствора, пара.
презентация [6,3 M], добавлен 08.04.2012Причины и условия кристаллизации материальных частиц. Теории зарождения и роста идеальных кристаллов в работах Гиббса, Фольмера, Косселя и Странского. Описание точечных, линейных, двухмерных и объемных дефектов. История получения искусственных кристаллов.
реферат [21,4 K], добавлен 18.11.2010Типы и классы кристаллических решеток. Элементарные ячейки ионных решеток кристаллов, их кристаллографический признак. Осуществление металлической связи между положительными ионами металлов. Сущность явления полиморфизма. Как вырастить кристалл меди.
презентация [34,6 M], добавлен 30.03.2011Изучение понятия выращивания искусственных кристаллов – сложного физико-химического процесса, течение которого зависит от многих самых разнообразных факторов, и в котором четко прослеживается атомная природа вещества. Рост из растворов, из газовой фазы.
презентация [983,4 K], добавлен 13.11.2011Общая характеристика и история открытия ртути. Распространенность и формы нахождения элемента побочной подгруппы в природе. Сущность амальгамов как твердых или жидких растворов. Конфигурация внешних электронных оболочек атома. Ядовитость соединений ртути.
реферат [45,7 K], добавлен 14.04.2015История открытия и изучение структурной формулы кофеина как алкалоида пуринового ряда. Характеристика физико-химических свойств кристаллов кофеина. Технология получения кофеина: качественная реакция и синтез. Его применение в медицине: таблетки и дозы.
презентация [571,1 K], добавлен 02.05.2013Разделение жидких однородных смесей на составляющие вещества или группы, физико-химические основы процесса и закон Коновалова, технологический расчёт и материальный баланс. Физические свойства веществ, участвующих в процессе, конструктивный расчет.
курсовая работа [125,7 K], добавлен 28.05.2012Физические и физико-химические свойства ферритов. Структура нормальной и обращенной шпинели. Обзор метода спекания и горячего прессования. Магнитные кристаллы с гексагональной структурой. Применение ферритов в радиоэлектронике и вычислительной технике.
курсовая работа [97,0 K], добавлен 12.12.2016Понятие строения вещества и основные факторы, влияющие на его формирование. Основные признаки аморфного и кристаллического вещества, типы кристаллических решеток. Влияние типа связи на структуру и свойства кристаллов. Сущность изоморфизма и полиморфизма.
контрольная работа [24,1 K], добавлен 26.10.2010Физико-химические, магические и лечебные свойства платины. История ее открытия и исследований, особенности добычи. Применение данного металла и его сплавов в медицине и ювелирном деле. Платиновые изделия в мире. Стоимость платины по банковскому курсу.
презентация [723,0 K], добавлен 14.04.2015Изучение физических и химических свойств метана, этана и циклопропана. Использование в быту и промышленности хранилища газообразных и жидких углеводородов. Определение массы бесцветного газа, находящегося в подземном резервуаре геометрической формы.
контрольная работа [100,4 K], добавлен 29.06.2014Изучение процессов превращения поваренной соли, выражающихся в растворении и кристаллизации. Понятие насыщенного и ненасыщенного раствора. Приготовление солевых растворов, наблюдение за процессом кристаллизации, информация о строении кристаллов.
практическая работа [225,4 K], добавлен 12.03.2012Строение атома кремния, его основные химические и физические свойства. Распространение силикатов и кремнезема в природе, использование кристаллов кварца в промышленности. Методы получения чистого и особо чистого кремния для полупроводниковой техники.
реферат [243,5 K], добавлен 25.12.2014
