Folyadékkristályok

A folyadékkristályok (rövidítve LCD; angolul  l iquid c rystals , LC) egy olyan fázisállapot, amelybe bizonyos körülmények között (hőmérséklet, nyomás, oldatbeli koncentráció) átjutnak bizonyos anyagok. A folyadékkristályok egyidejűleg rendelkeznek a folyadékok (folyékonyság) és a kristályok ( anizotrópia ) tulajdonságaival. Szerkezete szerint az LC-k viszkózus folyadékok, amelyek megnyúlt vagy korong alakú molekulákból állnak, amelyek meghatározott módon vannak elrendezve a folyadék teljes térfogatában. Az LC-k legjellemzőbb tulajdonsága, hogy képesek megváltoztatni a molekulák orientációját elektromos mezők hatására , ami széles körű ipari alkalmazási lehetőségeket nyit meg. Az LC típusa szerint általában két nagy csoportra osztják őket: nematika és smectics . A nematikát viszont megfelelő nematikus és koleszterikus folyadékkristályokra osztják .

A folyadékkristályok felfedezésének története

A folyadékkristályokat Friedrich Reinitzer osztrák botanikus fedezte fel 1888 -ban.[2] . Észrevette, hogy a koleszteril- benzoát és a koleszteril-acetát kristályainak két olvadáspontja van, és ennek megfelelően két különböző folyékony halmazállapotú - zavaros és átlátszó. A "folyékony kristályok" elnevezést Otto Lehmann alkotta meg 1904-ben [3] . A tudósok azonban nem fordítottak nagy figyelmet e folyadékok szokatlan tulajdonságaira.

A fizikusok és kémikusok hosszú ideig elvileg nem ismerték fel a folyadékkristályokat, mert létezésük megsemmisítette az anyag három halmazállapotának elméletét : szilárd , folyékony és gáznemű . A tudósok a folyadékkristályokat kolloid oldatoknak vagy emulzióknak tulajdonították .

Tudományos bizonyítékkal szolgált a Karlsruhe Egyetem professzora, Otto Lehmann sokéves kutatómunka után, de az általa 1904 -ben írt Liquid Crystals című könyvének megjelenése után sem alkalmazták a felfedezést.

V. K. Frederiks szovjet tudós alapvetően hozzájárult a folyadékkristályok fizikájához [4] .

A folyadékkristályok első gyakorlati alkalmazása 1936-ban történt, amikor a Marconi Wireless Telegraph cég szabadalmaztatta elektro-optikai fényszelepüket [5] [6] .

1963- ban az amerikai J. Fergason ( eng.  James Fergason ) a folyadékkristályok legfontosabb tulajdonságát - a hőmérséklet hatására színváltozást - használta fel a szabad szemmel láthatatlan, nem egyenletesen melegített felületek kimutatására. Miután szabadalmat kapott egy találmányra ( US 3,114,836 ), a folyadékkristályok iránti érdeklődés drámaian megnőtt.

1965 - ben az Egyesült Államokban összeült a folyadékkristályokkal foglalkozó első nemzetközi konferencia . 1968-ban amerikai tudósok alapvetően új mutatókat hoztak létre az információs megjelenítő rendszerek számára. Működésük elve azon a tényen alapul, hogy a folyadékkristályok elektromos térben forgó molekulái különböző módon verik vissza és továbbítják a fényt. A képernyőbe forrasztott vezetékekre alkalmazott feszültség hatására mikroszkopikus pontokból álló kép jelent meg rajta. És mégis, csak 1973 után, amikor egy angol kémikus csoport George Gray vezetésével viszonylag olcsó és hozzáférhető nyersanyagokból nyert folyadékkristályokat, ezek az anyagok széles körben elterjedtek a különféle eszközökben.

Folyadékkristályok csoportjai

Általános tulajdonságaik szerint az LC-ket két nagy csoportra oszthatjuk:

1. A termotróp LC-k szilárd anyag melegítése eredményeként keletkeznek, és bizonyos hőmérséklet- és nyomástartományban léteznek.
2. Liotróp LC-k, amelyek egy adott anyag rúd alakú molekuláiból és vízből (vagy más poláris oldószerekből ) kialakított két vagy több komponensű rendszer.

Egy anyag termodinamikai fázisai csak termotróp LC-k, mivel a liotróp LC-k diszpergált rendszerek (amfifil anyagok vizes oldata).

Liotróp LCD-k

Az FA-kat alkotó rúdszerű molekulák egyik végén poláris csoport van, és a rúd nagy része rugalmas hidrofób szénhidrogénlánc. Az ilyen anyagokat amfifileknek nevezik (amphi - görögül azt jelenti: "két végről", philos - "szerető", "jóindulatú"). A foszfolipidek az amfifilek példái .

Az amfifil molekulák általában rosszul oldódnak vízben, hajlamosak aggregátumok kialakítására oly módon, hogy a fázishatáron lévő poláris csoportjaik a folyékony fázis felé irányulnak. Alacsony hőmérsékleten a folyékony amfifil vízzel való keverése a rendszer két fázisra való szétválását eredményezi. A szappanvíz rendszer a bonyolult szerkezetű amfifilek egyik változataként szolgálhat. Van egy alifás anion (ahol ~ 12-20) és egy pozitív ion stb. A poláris csoport hajlamos szorosan érintkezni a vízmolekulákkal, míg a nem poláris csoport (alifás lánc) kerüli a vízzel való érintkezést. Ez a jelenség az amfifilekre jellemző.

A liotróp folyadékkristályokon működő elektro-optikai eszközök jellemzőit elektromos vezetőképességük anizotrópiája határozza meg , ami viszont összefügg az elektronikus polarizálhatóság anizotrópiájával . Egyes anyagoknál az LC tulajdonságok anizotrópiája miatt az elektromos vezetőképesség megváltoztatja az előjelét. Például az n-oktiloxibenzoesav 146 °C-on nullán megy át, és ez a mezofázis szerkezeti sajátosságaival és a molekulák polarizálhatóságával függ össze.

Termotróp LCD-k

A folyadékkristályos fázisokat alkotó molekulákat mezogéneknek nevezzük . Az LC-ben a dipólmolekulák jellegzetes orientációja van egy bizonyos irányban, amelyet egy egységvektor - az úgynevezett "irányító" - határoz meg.

A termotróp LC-ket négy nagy osztályra osztják (vázlatosan az ábrákon látható az ilyen típusú LC-k sorrendjének jellege):

1. Nematikus folyadékkristályok . Ezekben a kristályokban nincs nagy hatótávolságú rend a molekulák súlypontjainak elrendezésében, nem réteges szerkezetűek, molekuláik folyamatosan csúsznak a hosszú tengelyük irányában, körülöttük forogva, de ugyanakkor időben megtartják a tájékozódási rendet: a hosszú tengelyek egy uralkodó irány mentén vannak irányítva. Úgy viselkednek, mint a közönséges folyadékok. Nematikus fázisok csak azokban az anyagokban találhatók, amelyek molekuláiban nincs különbség a jobb és bal formák között, molekuláik megegyeznek a tükörképükkel (akirális). A nematikus fázis molekuláinak orientációja általában egybeesik a legmagasabb vezetőképesség irányával. Nematikus FA-t képező anyag például a -(p-metoxi-benzilidén)-p-butilanilin.
2. A szmektikus folyadékkristályok réteges szerkezetűek, a rétegek egymáshoz képest mozoghatnak. A szmektikus réteg vastagságát a molekulák hossza határozza meg (főleg a paraffin "farok" hossza), azonban a szmektikumok viszkozitása jóval nagyobb, mint a nematikusoké, a sűrűsége pedig a rétegfelszín normális mentén. nagyban változhat. Jellemző a tereftál-bisz (para-butil-anilin).
3. Koleszterikus folyadékkristályok  - főleg koleszterin és más szteroidok vegyületeiből képződnek. Ezek nematikus LC-k, de hosszú tengelyeik egymáshoz képest el vannak forgatva, így spirálokat képeznek, amelyek e szerkezet rendkívül alacsony képződési energiája miatt (kb. 0,01 J/mol) nagyon érzékenyek a hőmérséklet-változásokra. Tipikus koleszterinként az amil-para-(4-ciano-benzilidén-amino)-cinnamát említhető. A koleszterinek élénk színűek, és a legkisebb hőmérséklet-változás (akár ezred fokig) a hélix magasságának változásához, és ennek megfelelően az LC színének megváltozásához vezet.
4. Oszlopos folyadékkristályok – A mezogének oszlopokba vannak rendezve, amelyek rendezett struktúrákat alkotnak. Gyakran "folyékony filamentumoknak" nevezik őket, amelyek mentén a molekulák transzlációs szabadságfokkal rendelkeznek. A vegyületek ezen osztályát L. D. Landau akadémikus jósolta meg , és csak 1977-ben fedezte fel Chandrasekhar .

Az LCD-k szokatlan optikai tulajdonságokkal rendelkeznek. A nematika és a smecticus optikailag egytengelyű kristályok. A koleszterikusok periodikus szerkezetüknek köszönhetően erősen verik vissza a fényt a spektrum látható tartományában. Mivel a folyadékfázis a nematika és a koleszterikus tulajdonságok hordozója, külső hatások hatására könnyen deformálódik, és mivel a koleszterikus spirál emelkedése nagyon érzékeny a hőmérsékletre, ezért a fény visszaverődése a hőmérséklettel élesen változik, ami az anyag színének megváltozására. Ezeket a jelenségeket széles körben alkalmazzák különféle alkalmazásokban, mint például forró pontok megtalálása mikroáramkörökben, törések és daganatok lokalizálása emberben, képalkotás infravörös sugarakkal stb.

Fenomenológiai szinten a folyadékkristály- deformációkat általában a Frank-Oseen szabadenergia-sűrűséggel írják le .

A folyadékkristályok alkalmazásai

A folyadékkristályok egyik fontos felhasználási területe a termográfia . A folyadékkristályos anyag összetételének kiválasztásával különböző hőmérsékleti tartományokhoz és különböző kialakításokhoz hoznak létre indikátorokat . Például a folyadékkristályokat film formájában alkalmazzák tranzisztorokra , integrált áramkörökre és elektronikus áramkörök nyomtatott áramköri lapjaira. A hibás elemek - nagyon meleg vagy hideg, nem működő - azonnal észrevehetőek az élénk színfoltokon. Az orvosok új lehetőségeket kaptak: a páciens bőrén lévő folyadékkristályos indikátor gyorsan diagnosztizálja a látens gyulladást , sőt a daganatot is .

Folyadékkristályok segítségével észlelik a káros kémiai vegyületek gőzeit, valamint az emberi egészségre veszélyes gamma- és ultraibolya sugárzást . Folyadékkristályok alapján készültek nyomásmérők és ultrahangdetektorok .

A folyadékkristályos anyagok legígéretesebb felhasználási területe azonban az információtechnológia [7] : az első mutatóktól, amelyek mindenki számára ismertek az elektronikus óráktól és a mikroszámítógépektől a színes tévékig , telefonokig , táblagépekig , laptopokig és folyadékkristályos képernyős számítógép - monitorokig . Az ilyen televíziók nagyon jó minőségű képet nyújtanak, és kevesebb energiát fogyasztanak a katódsugárcsöves televíziókhoz képest . A folyadékkristályos kijelzők az 1927-ben felfedezett Freedericksz csomópontot használják .

M. G. Tomilin javasolta a folyadékkristályok használatát a kétlépcsős fényképészeti technológiákban a képek mentésére, a külső hatások regisztrálása ebben az esetben a mezofázisban történik, és a tárolás - szilárd-kristályos állapotban [8] .

Folyékony kristályokat használnak az "intelligens üveg" előállításához, amely megváltoztathatja a fényáteresztési együtthatót [9] .

Gyártás

A folyadékkristályok fő gyártója a német Merck cég . Ez biztosítja a világ LCD-képernyő-alkatrészei iránti keresletének több mint felét. Megkapta az Információs Kijelzőket Fejlesztők és Gyártók Szövetsége SID-2015 (Society for Information Displays) éves díjának aranyérmét a "Kijelző alkatrészek" jelölésében a folyadékkristályok előállítására szolgáló innovatív technológia kifejlesztéséért UB- FFS [10] .

Linkek

• https://www.xumuk.ru/encyklopedia/1540.html Folyadékkristályok a "XuMuK" kémiai enciklopédiában
• Beszélgetés a folyadékkristályokról Alekszej Jurjevics Bobrovszkij kémia doktorral a Science 2.0 programban

Jegyzetek

1. ↑ Shibaev. Szokatlan kristályok vagy titokzatos folyadékok  (neopr.)  // Soros Educational Journal. - 1996. - 11. sz . - S. 41 .
2. ↑ Reinitzer, Friedrich. Beiträge zur Kenntniss des Cholesterins  (neopr.)  // Monatshefte für Chemie (Wien). - 1888. - T. 9 , 1. sz . - S. 421-441 . - doi : 10.1007/BF01516710 .
3. ↑ Lehmann Ottó. Flussige Krystalle (folyékony kristályok) // Zeitschrift für Physikalische Chemie. – Lipcse, 1904.
4. ↑ Repjova A., Frederiks V. Az anizotróp folyadékok elméletéről és néhány új megfigyelésről // V congress rus. fizikusok, Moszkva, december 15-20. 1926 - M: GIZ, 1926. - S. 16-17.
5. ↑ Folyadékkristályos kijelző (LCD  ) . számítógép története. Letöltve: 2019. március 25. Az eredetiből archiválva : 2019. április 3.
6. ↑ Barnett Levin; Nyman Levin. GB441274 (A) számú szabadalom bejelentő Marconi vezeték nélküli távíró co.  (angol) . https://www.epo.org/index.html . Európai Szabadalmi Hivatal (1934. január 13.). Hozzáférés időpontja: 2019. május 12.
7. ↑ Tsvetkov V. A., Grebenkin M. F. Folyékony kristályok az optoelektronikában // Folyadékkristályok / szerk. S. I. Zsdanova. - M .: Kémia, 1979. - S. 160-215
8. ↑ Tomilin M. G.// Folyadékkristályokon alapuló fényképészeti technológiák. Archivált : 2014. december 24. a Wayback Machine -nél  - Cikk. — Az NRU ITMO tudományos és műszaki közleménye. – UDK 535:771.36.
9. ↑ Az okosüveg mögött a jövő , OKNAMEDIA (2015. szeptember 1.). Archiválva az eredetiből 2019. április 6-án. Letöltve: 2019. április 6.
10. ↑ A Merck innovatív folyadékkristályos technológiája elnyeri a Modern Electronics díjat (2015. július 30.). Archiválva az eredetiből 2019. április 6-án. Letöltve: 2019. április 6.

Irodalom

Oroszul

• Zhdanov S. I. Folyadékkristályok. — M.: Kémia , 1979. — 328 p.
• Chandrasekhar S. Folyékony kristályok. — M.: Mir, 1980. — 344 p.
• Pikin SA Strukturális átalakulások folyadékkristályokban. — M.: Nauka, 1981. — 336 p.
• Pikin S. A., Blinov L. M. Folyékony kristályok / Szerk. L. G. Aszlamazova. — M .: Nauka , 1982. — 208 p. - ( "Kvantum" könyvtár . 20. szám). — 150.000 példány.
• Sonin AS Bevezetés a folyadékkristályok fizikájába. — M.: Nauka, 1983. — 320 p.
• Sonin A. S. Egy évszázados út: A folyadékkristályok felfedezésének és tanulmányozásának történetéből. — M.: Nauka, 1988. — 224 p. - ISBN 5-02-000084-1 .
• Anisimov MA Kritikus jelenségek folyadékokban és folyadékkristályokban. — M.: Nauka, 1987. — 272 p.
• Landau L. D., Lifshits E. M. Folyadékkristályok mechanikája // Rugalmasság elmélete. - M . : Nauka, 2003. - S. 264.
• Kleman M., Lavrentovich OD A részben rendezett közegek fizikájának alapjai. — M.: FIZMATLIT, 2007. — 680 p.
• Voronov V.K., Podoplelov A.V. Fizika az ezredfordulón: sűrített állapot . - M. : LKI, 2012. - S.  336 . - ISBN 978-5-382-01365-7 .
• Blinov L. M. Folyadékkristályok: szerkezet és tulajdonságok. - M .: Könyvesház "LIBROKOM", 2013. - 480 p.

Angolul

• de Gennes PG, Prost J. The Physics of Liquid Crystals. 2. kiadás – Clarendon Press, Oxford, 1993
• Blinov LM, Chigrinov VG Elektromos hatások folyadékkristályos anyagokban. — Springer, 1994
• Kats EI, Lebedev VV Fluktuációs hatások a folyadékkristályok dinamikájában. — Springer, 1994

Szótárak és enciklopédiák	Nagy dán Nagy katalán Nagy orosz Brockhaus és Efron a világ körül Britannica (online) Universalis
Bibliográfiai katalógusokban	BNF : 11981189m J9U : 987007531570605171 LCCN : sh85077357 NDL : 00561894 NKC : ph126495