Всем привет! Сегодня я поведаю о таком интересном явлении, как жидких кристаллах и где это использует человек?
Жидкие кристаллы – такое агрегатное состояние вещества между жидким и твердым. Поэтому и свойства данных кристаллов довольно интересные:
Свойства ЖК
· Подобно обычной жидкости, жидкие кристаллы обладают текучестью и принимают форму сосуда, в который он помещен.
· Они обладают свойством, характерным для кристаллов - упорядочиванием в пространстве молекул, образующих кристалл.
· Не имеют жёсткую кристаллическую решётку.
· Наличие порядка пространственной ориентации молекул
· Осуществление более сложного ориентационного порядка молекул, чем у кристаллов.
Известно несколько тысяч органических соединений, образующих жидкие кристаллы. Некоторые из них представлены на рисунке 1.
Виды жидких кристаллов
Лиотропные ЖК, которые представляют собой двух или более компонентные системы, образующиеся в смесях стержневидных молекул данного вещества и воды (или других полярных растворителей). Эти стержневидные молекулы имеют на одном конце полярную группу, а большая часть стержня представляет собой гибкую гидрофобную углеводородную цепь (Рис. 2).
Термотропные ЖК, образующиеся в результате нагревания твердого вещества и существующие в определенном интервале температур и давлений.
Термотропные ЖК подразделяются на три больших класса (Рис. 3):
Смектические – такие ЖК имеют слоистую структуру, слои которой способны перемещаться друг относительно друга. Плотность слоя с приближением к поверхности может меняться. Кроме того, они обладают относительно высокой вязкостью.
Нематические – не обладают слоистой структурой, а их вытянутые молекулы непрерывно скользят вдоль своих длинных осей, при этом вращаясь вокруг них. Такие ЖК подобны жидкостям. К этому агрегатному состоянию способны прийти только те вещества, молекулы которых имеют форму, при которой они не отличаются от своего зеркального отражения.
Холистерические – образовываются в соединениях различных стероидов. Во многом схожи с нематическими ЖК, за исключением расположения молекул. Длинные оси молекул холистерических ЖК повернуты друг относительно друга таким образом, что молекулы образуют спирали (Рис. 4).
Основная особенность такого типа жидких кристаллов – его молекулы сверхчувствительны к любому изменению температуры и в зависимости от нее – меняют свою ориентацию, а значит и саму спираль. Примечательно, что в зависимости от шага спирали холистерических ЖК также меняют свой цвет. В связи с двумя указанными свойствами, такие жидкие кристаллы нашли широкое применение в различных сферах человеческой деятельности.
Оптические свойства жидких кристаллов
В области высоких интенсивностей цвета, для жидких кристаллов характерна нелинейность, вызванная молекулярной переориентацией в электрическое поле световой волны. Особый интерес представляют холистерические виды ж.к., так как они имеют спиральную структуру инфракрасное и видимое излучение дифрагирует на ней, что приводит к отражению волны веществом, имеющим переменный по спектру коэффициент отражения и распространению вдоль оси спирали.
Упругость жидкого кристалла
Анизотропия физических свойств — основная особенность жидких кристаллов. Поскольку основным структурным признаком жидких кристаллов является наличие ориентационного порядка, обусловленного неравномерной формой молекул, то все их свойства так или иначе определяются степенью ориентационного упорядочения.
Нагревание жидкого кристалла приводит к понижению ориентации молекул в структуре, что сопровождается уменьшением различий свойств, характерных для твердых кристаллических веществ, а в определенной точке анизотропия свойств полностью исчезает.
В то же время именно анизотропия всех физических характеристик жидкого кристалла в сочетании с низкой вязкостью этих соединений и позволяет осуществлять ориентацию (и переориентацию) их молекул под действием небольших "возмущающих" факторов (электрические и магнитные поля, механическое напряжение), существенно изменяя их структуру и свойства. Именно поэтому жидкие кристаллы оказались незаменимыми электрооптически-активными средами, на основе которых и было создано новое поколение так называемых ЖК-индикаторов.
Применение жидких кристаллов
ЖК-дисплеи
Прежде всего следует отметить не наиболее полезное, но наиболее известное применения ЖК – жидкокристаллические дисплеи. Иногда они называются LCD-дисплеи, что есть сокращением английского «liquid crystal display». В век гаджетов такие дисплеи присутствуют практически в любом электронном устройстве: телевизоры, мониторы компьютеров, цифровые фотоаппараты, навигаторы, калькуляторы, электронные книги, планшеты, телефоны, электронные часы, плееры и др. (Рис. 5).
Сзади вашего телевизора яркий свет; Есть много цветных квадратов, мерцающих на передней и задней части. Что происходит между? Вот как каждый цветной пиксель включается или выключается:
Как выключаются пиксели (Рис 6):
Свет распространяется от задней части телевизора к передней части от большого яркого света.
Горизонтальный поляризационный фильтр перед светом блокирует все световые волны, кроме тех, которые колеблются горизонтально.
Только световые волны, вибрирующие горизонтально, могут пройти.
Транзистор выключает этот пиксель за счет перехода от электричества, протекающего через его жидких кристаллов. Это заставляет кристаллы выпрямляться (поэтому они полностью раскручены), и свет проходит сквозь них без изменений.
Световые волны возникают из жидких кристаллов, все еще вибрирующих горизонтально.
Вертикальный поляризационный фильтр перед жидкими кристаллами блокирует все световые волны, кроме тех, которые колеблются вертикально. Горизонтально вибрирующий свет, который проходил через жидкие кристаллы, не может пройти через вертикальный фильтр.
На данный момент свет не достигает экрана. Другими словами, этот пиксель темный.
Как включаются пиксели (Рис. 7):
Иллюстрации, показывающие, как включаются пиксели ЖК-телевизора.
Яркий свет в задней части экрана сияет, как и раньше.
Горизонтальный поляризационный фильтр перед источником света блокирует все световые волны, кроме тех, которые колеблются горизонтально.
Только световые волны, вибрирующие горизонтально, могут пройти.
Транзистор переходит на этот пиксель за счет перехода от электричества, протекающего через его жидких кристаллов. Это заставляет кристаллы крутиться. Скрученные кристаллы поворачивают световые волны на 90 °, проходя через них.
Световые волны, которые попадают в жидкие кристаллы, вибрирующие горизонтально, выходят из них, вибрируя вертикально.
Вертикальный поляризационный фильтр перед жидкими кристаллами блокирует все световые волны, кроме тех, которые колеблются вертикально. Вертикально вибрирующий свет, возникающий из жидких кристаллов, теперь может проходить через вертикальный фильтр.
Пиксель горит. Красный, синий или зеленый фильтр дает пикселю его цвет.
Термография
Менее популярное, но более важное применение ЖК – это термография. Термография позволяет получить тепловое изображение объекта, в результате регистрации инфракрасного излучения – тепла. Инфракрасные приборы ночного зрения используются пожарными, в случае задымления помещения, с целью обнаружения пострадавших в пожаре. Также они нашли применение у служб безопасности и военных служб.
Тепловые изображения позволяют обнаруживать места перегрева, нарушения теплоизоляции, или другие аварийные участки при обслуживании линий электропередачи или строительстве (Рис 8).
Также термография используется при медицинской визуализации, в основном для наблюдения молочных желез. Это позволяет обнаруживать различные онкологические заболевания, вроде рака молочной железы.
Компьютерная термография в медицине (Рис. 9). Помимо этого, ЖК-индикаторы, расположенные на коже пациента, позволяют обнаруживать воспаления и опухоли у человека.
Электронные индикаторы
Электронные индикаторы, создаваемые при помощи жидких кристаллов, реагируют на различные температуры, в результате чего могут проинформировать о сбоях и нарушениях в электронике. К примеру, ЖК в виде пленки наносят на печатные платы и интегральные схемы, а также – транзисторы. Неисправные сегменты электроники легко отличить при наличии такого индикатора.
Индикаторы из жидких кристаллов используют и для обнаружения паров различных вредных химических соединений, а также обнаружения ультрафиолетового и гамма-излучения. С применением ЖК разрабатываются детекторы ультразвука и измерители давления.
