Реферат: Жидкие кристалы
Реферат: Жидкие кристалы
ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ
Сказать о каком-то веществе просто жидкий кристалл, это еще
слишком мало. И если неспециалистов вполне удовлетворяет общий термин жидкий
кристалл, то специалисту требуется дать более детальную информацию. Здесь
ситуация похожа на ту, которая возникла бы с вами в столовой или ресторане,
если бы вам в качестве третьего блюда предложили бы просто жидкость, не
конкретизируя, что это такое. Несомненно, большинство из вас такое общее
определение третьего блюда не удовлетворило бы, и каждый в зависимости от
своего вкуса потребовал бы что-либо более определенное — чай, кофе, молоко и т. д. Так же дело
обстоит для специалистов и с жидкими кристаллами, поскольку под этим термином,
как уже бегло говорилось выше, скрывается большое количество весьма
отличающихся друг от друга жидкокристаллических фаз.
ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ — НОВОЕ
СОСТОЯНИЕ ВЕЩЕСТВА
Все чаще на страницах научных, а последнее время и научно-популярных
журналов появляется термин «жидкие кристаллы» (в аббревиатуре ЖК) и статьи,
посвященные жидким кристаллам. В повседневной жизни мы сталкиваемся с часами,
термометрами на жидких кристаллах. Что же это за вещества с таким
парадоксальным названием «жидкие кристаллы» и почему к ним проявляется столь
значительный интерес? В наше время наука стала производительной силой, и
поэтому, как правило, повышенный научный интерес к тому или иному явлению или
объекту означает, что это явление или объект представляет интерес для
материального производства. В этом отношении не являются исключением и жидкие
кристаллы. Интерес к ним, прежде всего, обусловлен возможностями их
эффективного применения в ряде отраслей производственной деятельности.
Внедрение жидких кристаллов означает экономическую эффективность, простоту,
удобство.
Прежде чем рассказывать о конкретных областях применения
жидких кристаллов, необходимо сказать несколько общих слов о том, что же это
все-таки такое — жидкие кристаллы. Тем более, что в ближайшее время изделия,
содержащие жидкокристаллические элементы, будут так же широко распространены,
как в свое время были распространены устройства, содержащие электронные лампы
или транзисторы.
Жидкий кристалл — это специфическое агрегатное состояние вещества,
в котором оно проявляет одновременно свойства кристалла и жидкости. Сразу надо
оговориться, что далеко не все вещества могут находиться в жидкокристаллическом
состоянии. Большинство веществ может находиться только в трех, всем хорошо
известных агрегатных состояниях: твердом или кристаллическом, жидком и
газообразном. Оказывается, некоторые органические вещества, обладающие сложными
молекулами, кроме трех названных состояний, могут образовывать четвертое
агрегатное состояние — жидкокристаллическое. Это состояние осуществляется при
плавлении кристаллов некоторых веществ. При их плавлении образуется
жидкокристаллическая фаза, отличающаяся от обычных жидкостей. Эта фаза
существует в интервале от температуры плавления кристалла до некоторой более
высокой температуры, при нагреве до которой жидкий кристалл переходит в обычную
жидкость. Чем же жидкий кристалл отличается от жидкости и обычного кристалла и
чем похож на них? Подобно обычной жидкости, жидкий кристалл обладает текучестью
и принимает форму сосуда, в который он помещен. Этим он отличается от известных
всем кристаллов. Однако, несмотря на это свойство, объединяющее его с
жидкостью, он обладает свойством, характерным для кристаллов. Это —
упорядочение в пространстве молекул, образующих кристалл. Правда, это
упорядочение не такое полное, как в обычных кристаллах, но, тем не менее, оно
существенно влияет на свойства жидких кристаллов, чем и отличает их от обычных
жидкостей. Неполное пространственное упорядочение молекул, образующих жидкий
кристалл, проявляется в том, что в жидких кристаллах нет полного порядка в
пространственном расположении центров тяжести молекул, хотя частичный порядок
может быть. Это означает, что у них нет жесткой кристаллической решетки.
Поэтому жидкие кристаллы, подобно обычным жидкостям, обладают свойством
текучести.
Обязательным
свойством жидких кристаллов, сближающим их с обычными кристаллами, является
наличие порядка пространственной ориентации молекул. Такой порядок в ориентации
может проявляться, например, в том, что все длинные оси молекул в
жидкокристаллическом образце ориентированы одинаково. Эти молекулы должны
обладать вытянутой формой. Кроме простейшего названного упорядочения осей
молекул, в жидком кристалле может осуществляться более сложный ориентационный
порядок молекул.
В зависимости от вида упорядочения осей молекул жидкие
кристаллы разделяются на три разновидности: нематические, смектические и
холестерические.
Исследования по физике жидких кристаллов и их применениям в
настоящее время ведутся широким фронтом во всех наиболее развитых странах мира.
Отечественные исследования сосредоточены как в
академических, так и отраслевых научно-исследовательских учреждениях и
имеют давние традиции. Широкую известность и признание получили выполненные еще
в тридцатые годы в Ленинграде работы В.К. Фредерикса к В.Н. Цветкова В
последние годы бурного изучения жидких кристаллов отечественные исследователи
также вносят весомый вклад в развитие учения о жидких кристаллах в целом и, в
частности, об оптике жидких кристаллов. Так, работы И.Г. Чистякова, А.П.
Капустина, С.А. Бразовского, С.А. Пикина, Л.М. Блинова и многих других
советских исследователей широко известны научной общественности и служат
фундаментом ряда эффективных технических приложений жидких кристаллов.
Об успехах отечественной промышленности в освоении выпуска
продукции, в которой существенным элементом являются жидкие кристаллы, говорит
присуждение в 1983 году Государственной премии СССР большой группе работников
науки и техники за разработку и внедрение в народное хозяйство индикаторных
устройств. Основными элементами этих индикаторных устройств, совершенные
технические характеристики которых послужили основанием для присуждения премии,
являются жидкокристаллические вещества. Присуждение этой премии символизирует
плодотворный союз науки и производства в деле технических приложений жидких
кристаллов. Тут же следует сказать, что среди лауреатов, представителей науки,
— В.Н. Цветков, ветеран научных исследований жидких кристаллов.
Пока мы просто декларировали необычные свойства жидких
кристаллов. Как же они были обнаружены? Ведь, не обладая современной огромной
информацией о строении материи, очень трудно поверить, что такие, казалось бы,
взаимно исключающие друг друга свойства могут проявляться у одного вещества.
Поэтому, вероятно, исследователи уже очень давно сталкивались с
жидкокристаллическим состоянием, но не отдавали себе в этом отчета. Тем не
менее, существование жидких кристаллов было установлено очень давно, почти столетие
тому назад, а именно в 1888 году.
Первым, кто обнаружил жидкие кристаллы, был 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 холестерилбензоат обнаруживал 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.
Напомним, что линейно поляризованным светом, или как часто
говорят, поляризованным светом, называют свет (электромагнитную волну),
электрическое поле которой в процессе распространения остается лежащим в
некоторой неизменной в пространстве плоскости. Эту плоскость принято называть
плоскостью поляризации света. А указания ориентации в пространстве этой
плоскости достаточно для описания линейной поляризации света. Поскольку в
плоскости поляризации лежит и направление распространения волны, то для задания
линейной поляризации достаточно одного параметра, а именно угла (р,
определяющего ориентацию этой плоскости в пространстве (ее вращения вокруг
направления распространения волны).
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 свете в кристалле, определяются анизотропией свойств кристалла и
однозначно задаются ориентацией кристаллических осей относительно направления
распространения света.
Поэтому сказанное поясняет, что существование двупреломления
в жидкости, которая должна быть изотропной, т. е. что ее свойства должны быть
независящими от направления, представлялось парадоксальным. Наиболее
правдоподобным в то время могло казаться наличие в мутной фазе не
расплавившихся 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».
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 |