Введение
Исследование жидких кристаллов представляет собой актуальную и динамично развивающуюся научную область, непосредственно связанную с такими передовыми технологическими направлениями, как нанотехнологии, аэрокосмическое производство, микроэлектроника и молекулярная биология. Около 130 лет жидкие кристаллы изучались в фундаментальных науках и во многих областях исследований, таких как химия, физика, медицина и техника, что способствовало прогрессу в материаловедении и инновационному применению. Кроме того, в результате последних разработок передовых синтетических методов и методов определения характеристик были выделены наноструктурированные жидкокристаллические соединения, обладающие особыми упорядочивающими свойствами и наделенные новыми функциями, такими как электрооптические эффекты, активация, хромизм, чувствительность или шаблонирование.
Свойства и описание
По сравнению с другими твердыми материалами, жидкие кристаллы обладают уникальными свойствами, поскольку легко реагируют на внешние воздействия, такие как свет, тепло, механическое воздействие, электрические и магнитные поля и устраняют дефекты путем самовосстановления. Таким образом, становится важно найти понимание взаимосвязи между химическими структурами жидкокристаллических соединений и их специфическими функциями.
Жидкие кристаллы - это мягкие вещества, имеющие от одной до нескольких отдельных фаз между кристаллической твердой фазой (Cr) и изотропной жидкой фазой (Iso). Эти промежуточные фазы, или мезофазы, обладают не только типичными свойствами кристаллического упругого тела, такими как позиционный и ориентационный порядок, а также анизотропией оптических, электрических и магнитных свойств, но и свойствами обычной вязкой жидкости, такими как текучесть, образование и плавление капель, механические свойства жидкости. Следовательно, соединения, имеющие мезофазы, обладают промежуточными симметричными свойствами между изотропной жидкостью и кристаллическим твердым веществом, поэтому их вязко-упругую природу можно отнести к жидким кристаллам. Кроме того, уникальное сочетание порядка и мобильности является основой для формирования самосборки и надмолекулярной структуры в технических системах. Как правило, жидкие кристаллы представляют собой молекулы вытянутой формы, которые в мезофазах более или менее параллельны друг другу и способствуют развитию анизотропных физических свойств. Эти свойства, связанные с их вязкоупругой природой, вызывают в жидких кристаллах способность легко реагировать на внешние раздражители и менять их конфигурацию.
В зависимости от конкретных условий возникновения мезофаз жидкие кристаллы подразделяются на два класса: лиотропные и термотропные. Термотропные жидкие кристаллы могут быть получены либо путем нагрева кристаллического вещества, либо путем охлаждения изотропной жидкости. В случае термотропных жидких кристаллов, когда кристаллическое состояние нагревается, позиционное упорядочение молекул исчезает, но не ориентационное, вследствие чего получающаяся упорядоченная динамическая фаза течет как жидкость, но обладает анизотропными свойствами кристалла. При дальнейшем нагревании эта промежуточная структура или мезофаза теряет ориентационный порядок и превращается в жидкость.
Исходя из различной геометрии составляющих, жидкокристаллические молекулы подразделяются на каламитовые или стержнеобразные (вытянутые молекулы), дискотические (дискообразные формы) и молекулы с изогнутым сердечником или банановидные. Другая классификация была основана на симметрии фаз, которая меняется во время фазовых переходов. Кроме того, фазовая симметрия направлена на молекулярную организацию в фазах и определяет физические свойства жидких кристаллов.
Небольшие жидкокристаллические органические молекулы с низким содержанием каламита используются в жидкокристаллических экранах, а π-сопряженные дискотические жидкокристаллические молекулы оказались пригодными для переноса электронов и фотолюминесценции, надмолекулярные нетрадиционные жидкие кристаллы на основе ковалентных взаимодействий и полимерных систем используются для высокопрочных волокон, герметизации микроэлектронных цепей, исполнительных механизмов и органических фотоэлектрических или возобновляемых источниках энергии. Кроме того, комбинация наночастиц (например, CNTs) и жидких кристаллов, способствующая самоорганизации в четко определенные периодические структуры, представляет собой еще одну область исследований, которая занимается улучшением электрооптических характеристик в устройствах или получением метаматериалов.
Между мезофазами, нематическая фаза (N) наименее упорядочена (так как она имеет только ориентационный порядок длины) и более текучая (менее вязкая) и легко реагирует на электрические поля или образование монодоменной жидкокристаллической фазы, успешно применяемой для плоских дисплеев. Когда хиральные мезогены вводятся в жидкокристаллическую структуру, образуется хиральная фаза. В холестерической мезофазе или хиральной нематической фазе (N*) молекулярная ориентация скручивается через среду с определенной периодичностью, при этом позиции молекул не коррелируют. Смектические фазы (Sm) отличаются от нематических по их расслоению или упорядочиванию в слоях.
Сегнетоэлектричество возникает в случае молекул, представляющих собой спонтанную и обратимую электрическую поляризацию (Р), которая может быть переключена с помощью внешнего электрического поля. Это физическое явление может быть успешно реализовано органическими сегнетоэлектрическими материалами и использоваться в таких устройствах, как компьютерная память, сенсоры и оптика. В самоупорядоченных жидкокристаллических системах сегнетоэлектричество возникает из-за организации хиральных мезогенов или внутреннего диполя ахиральных молекул, что позволяет легко переключаться между молекулярными диполями. В большинстве обычных жидкокристаллических фаз (N, SmA и SmC) высокая вращательная симметрия вокруг длинной молекулярной оси предотвращает появление сегнетоэлектричества. Для хиральной фазы SmC* были зарегистрированы электрооптические эффекты со скоростями ниже микросекундного порядка, так что жидкокристаллическая фаза SmC* может включаться или выключаться примерно в 103 раза быстрее, чем нематические жидкие кристаллы.
В жидкокристаллических системах хиральность вызывает одномерную спиральную структуру, где спираль перпендикулярна локальному директору (для холестерических мезофаз) или наклонена от нормального слоя так, что директор с определенной периодичностью (для фаз SmC*) прецессирует вокруг оси спирали. Замечательное поведение фаз SmC* вызвало уникальные оптические свойства, такие как электрооптические эффекты, низкопороговое лазерное излучение, круговой дихроизм или отражение Брэгга.
Хотя молекулы изогнутого сердечника (BC) являются нехиральными мезогенами, для этого нетрадиционного жидкокристаллического класса были получены данные о полярных свойствах. Новизна BC-структур обусловлена простым изгибом примерно на 120° мезогенного ядра, в результате чего получается компактное упаковочное расположение молекул, что ограничивает свободу вращения с высоким воздействием на структуру жидкокристаллических фаз. В соответствии с направлением полярной оси в соседних слоях эти фазы могут иметь сегнетоэлектрическое (FE) или антисегнетоэлектрическое (AF) поведение. Процесс переключения в соединениях BC под воздействием электрического поля был связан с типом взаимодействия π-π между ароматическими циклами, которое происходит после молекулярно ограниченного вращения вокруг наклонного конуса, при этом хиральность в слоях остается неизменной (изменение направления наклона и полярности).
Для того чтобы жидкие кристаллы могли быть полезны в устройствах, они должны быть выровнены и расположены определенным образом. Поэтому образцы создаются между парой специально обработанных стеклянных пластин с расстоянием между ними в нескольких микрон. По сравнению с другими мезофазами, выравнивание в фазе SmC* является более. Помещая жидкокристаллический образец сегнетоэлектрического кристалла между скрещенными поляризаторами, директор n которых выровнен вдоль одного из поляризаторов, спираль подавляется поверхностным действием. Следовательно, образец становится электрооптическим переключателем, который показывает спонтанную поляризацию и две поверхности, которые взаимодействуют для стабильного разматывания спонтанного результата сегнетоэлектрической спирали. Это устройство известно как устройство поверхностно-стабилизированного-сегнетоэлектрического-жидкокристаллического типа (SSFLC), очень привлекательное для применения в дисплеях благодаря очень быстрой реакции переключения. Таким образом, SSFLC представляют большой интерес для электрооптических устройств на основе эффекта памяти. Кроме того, еще одно применение оптически адресованной SSFLC нацелено на оптическую голографию.
Заключение
Жидкие кристаллы были открыты более ста лет назад. Но только в наше время, появились доступные технологии, позволяющие в полной мере использовать уже открытые свойства жидких кристаллов в различных областях и изучать их новые вариации и новые свойства. Так же появилась возможность создавать новые инновационные материалы с использованием жидких кристаллов, и применять их в множестве различных областей науки и производства.