Flytande kristaller

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 5 september 2020; kontroller kräver 19 redigeringar .

Flytande kristaller (förkortat LCD; engelska  liquid crystals , LC) är ett fastillstånd i vilket vissa ämnen passerar under vissa förhållanden (temperatur, tryck, koncentration i lösning). Flytande kristaller har egenskaperna hos både vätskor (fluiditet) och kristaller ( anisotropi ) samtidigt. Enligt strukturen är LC: er viskösa vätskor som består av långsträckta eller skivformade molekyler , ordnade på ett visst sätt genom hela volymen av denna vätska. Den mest karakteristiska egenskapen hos LCs är deras förmåga att ändra orienteringen av molekyler under påverkan av elektriska fält , vilket öppnar stora möjligheter för deras tillämpning inom industrin. Beroende på typen av LC delas de vanligtvis in i två stora grupper: nematika och smektiska . I sin tur är nematik uppdelad i rätt nematiska och kolesteriska flytande kristaller .

Historien om upptäckten av flytande kristaller

Flytande kristaller upptäcktes 1888 av den österrikiske botanikern Friedrich Reinitzer.[2] . Han märkte att kristallerna av kolesterylbensoat och kolesterylacetat hade två smältpunkter och följaktligen två olika flytande tillstånd - grumlig och transparent. Själva namnet "flytande kristaller" myntades av Otto Lehmann 1904 [3] . Men forskare har inte ägnat mycket uppmärksamhet åt de ovanliga egenskaperna hos dessa vätskor.

Under en lång tid kände fysiker och kemister i princip inte igen flytande kristaller, eftersom deras existens förstörde teorin om materiens tre tillstånd : fast , flytande och gasformig . Forskare tillskrev flytande kristaller antingen till kolloidala lösningar eller till emulsioner .

Vetenskapliga bevis gavs av professorn Otto Lehmann vid Karlsruhe-universitetet efter många års forskning, men inte ens efter att boken Liquid Crystals kom från honom 1904, tillämpades inte upptäckten.

Ett grundläggande bidrag till fysik av flytande kristaller gjordes av den sovjetiske vetenskapsmannen V.K. Frederiks [4] .

Den första praktiska tillämpningen av flytande kristaller inträffade 1936 när Marconi Wireless Telegraph-företaget patenterade sin elektrooptiska ljusventil [5] [6] .

1963 använde amerikanen J. Fergason ( eng.  James Fergason ) flytande kristallers viktigaste egenskap - att ändra färg under inverkan av temperatur - för att upptäcka ojämnt uppvärmda ytområden som är osynliga för blotta ögat. Efter att han beviljats ​​patent på en uppfinning ( US Patent 3 114 836 ) ökade intresset för flytande kristaller dramatiskt.

År 1965 träffades den första internationella konferensen ägnad åt flytande kristaller i USA . 1968 skapade amerikanska forskare i grunden nya indikatorer för informationsdisplaysystem. Principen för deras funktion är baserad på det faktum att molekylerna av flytande kristaller, som vänder sig i ett elektriskt fält, reflekterar och överför ljus på olika sätt. Under påverkan av spänning , som applicerades på ledarna lödda i skärmen , dök en bild upp på den, bestående av mikroskopiska prickar. Och ändå, först efter 1973 , när en grupp engelska kemister ledda av George Gray fick flytande kristaller från relativt billiga och tillgängliga råvaror, blev dessa ämnen utbredda i olika enheter.

Grupper av flytande kristaller

Enligt deras allmänna egenskaper kan LCs delas in i två stora grupper:

  1. Termotropiska LCs bildas som ett resultat av uppvärmning av ett fast ämne och existerar i ett visst temperatur- och tryckintervall.
  2. Lyotropa LC, som är två eller flera komponentsystem bildade av stavformade molekyler av ett givet ämne och vatten (eller andra polära lösningsmedel ).

Termodynamiska faser av ett ämne är endast termotropiska LC, eftersom lyotropa LC:er är dispergerade system (en lösning av amfifila ämnen i vatten).

Lyotropa LCD-skärmar

De stavliknande molekylerna som utgör FA har en polär grupp i ena änden, och det mesta av staven är en flexibel hydrofob kolvätekedja. Sådana ämnen kallas amfifiler (amfi - på grekiska betyder "från två ändar", philos - "kärleksfull", "välvillig"). Fosfolipider är ett exempel på amfifiler .

Amfifila molekyler är som regel dåligt lösliga i vatten, tenderar att bilda aggregat på ett sådant sätt att deras polära grupper vid fasgränsen är riktade mot vätskefasen. Vid låga temperaturer resulterar blandning av flytande amfifil med vatten i att systemet separeras i två faser. Tvålvattensystem kan fungera som en av varianterna av amfifiler med en komplex struktur. Det finns en alifatisk anjon (där ~ 12-20) och en positiv jon , etc. Den polära gruppen tenderar att nära kontakt med vattenmolekyler, medan den opolära gruppen (alifatiska kedjan) undviker kontakt med vatten. Detta fenomen är typiskt för amfifiler.

Egenskaperna hos många elektrooptiska enheter som arbetar på lyotropa flytande kristaller bestäms av anisotropin av deras elektriska ledningsförmåga , vilket i sin tur är relaterat till anisotropin av den elektroniska polariserbarheten . För vissa ämnen, på grund av LC-egenskapernas anisotropi, ändrar den elektriska ledningsförmågan sitt tecken. Till exempel, för n-oktyloxibensoesyra, passerar den genom noll vid en temperatur av 146 °C, och detta är associerat med mesofasens strukturella egenskaper och med molekylernas polariserbarhet.

Termotropiska LCD-skärmar

Molekyler som bildar flytande kristallfaser kallas mesogener . I LC finns det en karakteristisk orientering av dipolmolekyler i en viss riktning, som bestäms av en enhetsvektor - den så kallade "direktören".

Termotropiska LC:er är indelade i fyra stora klasser (schematiskt visas arten av ordningen av LC:er av dessa typer i figurerna):

  1. Nematiska flytande kristaller . I dessa kristaller finns det ingen ordning på lång räckvidd i arrangemanget av molekylernas tyngdpunkter, de har inte en skiktad struktur, deras molekyler glider kontinuerligt i riktning mot sina långa axlar och roterar runt dem, men samtidigt gång de behåller orienteringsordningen: de långa axlarna är riktade längs en dominerande riktning. De beter sig som vanliga vätskor. Nematiska faser finns endast i ämnen vars molekyler inte har någon skillnad mellan höger och vänster form, deras molekyler är identiska med deras spegelbild (achiral). Orienteringen av molekylerna i den nematiska fasen sammanfaller som regel med riktningen för den högsta konduktiviteten. Ett exempel på ett ämne som bildar en nematisk FA är -(p-metoxibensyliden)-p-butylanilin.
  2. Smektiska flytande kristaller har en skiktad struktur, skikten kan röra sig i förhållande till varandra. Tjockleken på det smektiska skiktet bestäms av molekylernas längd (främst längden på paraffin-"svansen"), men viskositeten hos smektiska ämnen är mycket högre än hos nematik, och densiteten längs normalen till skiktets yta kan variera mycket. Typiskt är tereftal-bis (para-butylanilin).
  3. Kolesteriska flytande kristaller  - bildas huvudsakligen av föreningar av kolesterol och andra steroider. Dessa är nematiska LC, men deras långa axlar roteras i förhållande till varandra så att de bildar spiraler som är mycket känsliga för temperaturförändringar på grund av den extremt låga bildningsenergin hos denna struktur (ca 0,01 J/mol). Amylpara-(4-cyanobensylidenamino)-cinnamat kan nämnas som ett typiskt kolesteriskt ämne. Cholesterics är ljust färgade, och den minsta förändringen i temperatur (upp till tusendelar av en grad) leder till en förändring av helixens stigning och följaktligen till en förändring i LC-färgen.
  4. Kolumnformade flytande kristaller - Mesogener ordnas i kolumner som bildar ordnade strukturer. Ofta kallas de "flytande filament", längs vilka molekylerna har translationella frihetsgrader. Denna klass av föreningar förutspåddes av akademiker L. D. Landau och upptäcktes först 1977 av Chandrasekhar .

LCD-skärmar har ovanliga optiska egenskaper. Nematik och smektik är optiskt enaxliga kristaller. Cholesterics, på grund av sin periodiska struktur, reflekterar starkt ljus i det synliga området av spektrumet. Eftersom vätskefasen är bärare av egenskaper i nematik och kolesterik, deformeras den lätt under påverkan av yttre påverkan, och eftersom helixstigningen i kolesterik är mycket känslig för temperatur, ändras därför ljusreflektionen kraftigt med temperaturen, vilket leder till till en förändring av ämnets färg. Dessa fenomen används i stor utsträckning i olika tillämpningar, såsom att hitta hot spots i mikrokretsar, lokalisera frakturer och tumörer hos människor, avbildning i infraröda strålar, etc.

På den fenomenologiska nivån beskrivs deformationer av flytande kristaller vanligtvis med Frank-Oseens fria energitäthet .

Tillämpningar av flytande kristaller

En av de viktiga användningsområdena för flytande kristaller är termografi . Genom att välja sammansättningen av en flytande kristallsubstans skapas indikatorer för olika temperaturområden och för olika konstruktioner. Till exempel appliceras flytande kristaller i form av en film på transistorer , integrerade kretsar och kretskort i elektroniska kretsar. Felaktiga element - mycket varma eller kalla, icke-fungerande - märks omedelbart av ljusa färgfläckar. Läkare har fått nya möjligheter: en flytande kristallindikator på patientens hud diagnostiserar snabbt latent inflammation och till och med en tumör .

Med hjälp av flytande kristaller upptäcks ångor av skadliga kemiska föreningar och gamma- och ultraviolett strålning som är farlig för människors hälsa . Tryckmätare och ultraljudsdetektorer har skapats på basis av flytande kristaller .

Men det mest lovande användningsområdet för flytande kristallämnen är informationsteknik [7] : från de första indikatorerna, bekanta för alla från elektroniska klockor och mikroräknare , till färg- TV , telefoner , surfplattor , bärbara datorer och datorskärmar med flytande kristallskärm . Sådana TV-apparater ger en bild av mycket hög kvalitet och förbrukar mindre energi jämfört med TV-apparater på katodstrålerör . Flytande kristallskärmar använder Freedericksz- korsningen , upptäckt redan 1927.

M. G. Tomilin föreslog att använda flytande kristaller i tvåstegs fotografisk teknik för att spara bilder, registreringen av yttre påverkan sker i detta fall i mesofasen och lagring - i det fasta kristallina tillståndet [8] .

Flytande kristaller används vid tillverkning av "smart glas" som kan ändra ljustransmissionskoefficienten [9] .

Produktion

Huvudtillverkaren av flytande kristaller är det tyska företaget Merck . Det ger mer än hälften av världens efterfrågan på LCD-skärmskomponenter. Hon fick guldmedaljen för den årliga utmärkelsen från Association of Developers and Manufacturers of Information Displays SID-2015 (Society for Information Displays) i nomineringen "Components for displays" för utveckling av innovativ teknik för produktion av flytande kristaller UB- FFS [10] .

Länkar

Anteckningar

  1. ↑ Shibaev. Ovanliga kristaller eller mystiska vätskor  (neopr.)  // Soros Educational Journal. - 1996. - Nr 11 . - S. 41 .
  2. ↑ Reinitzer, Friedrich. Beiträge zur Kenntniss des Cholesterins  (neopr.)  // Monatshefte für Chemie (Wien). - 1888. - T. 9 , nr 1 . - S. 421-441 . - doi : 10.1007/BF01516710 .
  3. ↑ Otto Lehmann. Flussige Krystalle (Liquid Crystals) // Zeitschrift für Physikalische Chemie. — Leipzig, 1904.
  4. ↑ Repyova A., Frederiks V. Om teorin om anisotropa vätskor och några nya observationer om dem // V congress rus. fysiker, Moskva, 15-20 dec. 1926 - M: GIZ, 1926. - S. 16-17.
  5. ↑ LCD-skärm (Liquid Crystal Display  ) . datorns historia. Hämtad 25 mars 2019. Arkiverad från originalet 3 april 2019.
  6. ↑ Barnett Levin; Nyman Levin. Patent nr GB441274 (A) Sökande Marconi wireless telegraph co.  (engelska) . https://www.epo.org/index.html . Europeiska patentverket (13 januari 1934). Tillträdesdatum: 12 maj 2019.
  7. ↑ Tsvetkov V. A., Grebenkin M. F. Liquid crystals in optoelectronics // Liquid crystals / ed. S. I. Zhdanova. - M .: Chemistry, 1979. - S. 160-215
  8. ↑ Tomilin M. G.// Fotografisk teknologi baserad på flytande kristaller. Arkiverad 24 december 2014 på Wayback Machine  - Artikel. — Vetenskaplig och teknisk bulletin från NRU ITMO. — UDC 535:771.36.
  9. ↑ Bakom smart glas finns framtiden , OKNAMEDIA (1 september 2015). Arkiverad från originalet den 6 april 2019. Hämtad 6 april 2019.
  10. ↑ Mercks innovativa flytande kristallteknologi vinner pris , Modern Electronics (30 juli 2015). Arkiverad från originalet den 6 april 2019. Hämtad 6 april 2019.

Litteratur

På ryska

På engelska

  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk
I bibliografiska kataloger