cristale lichide
DESCRIPTION
Cristale LichideTRANSCRIPT
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.
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
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.
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)
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.
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
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.
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
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.
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
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.
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.
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.
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.
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
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.
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
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.
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
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.
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
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.