.

Профессии жидких кристаллов

Язык: русский
Формат: реферат
Тип документа: Word Doc
0 1251
Скачать документ

Ученика 10 «А» класса

Средней 323 школы

Доскач Вячеслава Олеговича

Реферат по физике на тему:

«Профессии жидких кристаллов».

Всё чаще мы стали встречаться с термином «жидкие кристаллы». Мы все
часто с ними общаемся, и они играют немаловажную роль в нашей жизни.
Многие современные приборы и устройства работают на них. К таким
относятся часы, термометры, дисплеи, мониторы и прочие устройства. 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.

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.

Существование жидких кристаллов было установлено очень давно, а именно
в 1888 году, то есть почти столетие назад. Хотя учёные и до 1888 года
сталкивались с данным состоянием вещества, но официально его открыли
позже.

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 е этой
фазе, зависит от поляризации.

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
нерасплавившихся малых частичек кристалла, кристаллитов, которые и
являлись источником двупреломления. Однако более детальные исследования,
к которым Рейнитцер привлек известного немецкого физика Леймана,
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 Лейман 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».

В то время существование жидких кристаллов представлялось каким-то
курьезом, и никто не мог предположить, что их ожидает почти через сто
лет большое будущее в технических приложениях. Поэтому после некоторого
интереса к жидким кристаллам сразу после их открытия о них через
некоторое время практически забыли.

Тем не менее, уже в первые годы были выяснены многие другие удивительные
свойства жидких кристаллов. Так, некоторые виды жидких кристаллов
обладали необычно высокой оптической активностью.

Оптической активностью называют способность некоторых веществ вращать
плоскость поляризации проходящего через них света. Это означает, что
линейно поляризованный свет, распространяясь в таких средах, изменяет
ориентацию плоскости поляризации. Причем угол поворота плоскости
поляризации прямо пропорционален пути, пройденному светом

Так, в твердых телах, как, впрочем, и в обычных жидкостях, удельная
вращательная способность Ра имеет вполне определенный, независящий от
длины волны света знак. Это означает, что вращение плоскости поляризации
света в них происходит в определенном направлении. Против часовой
стрелки при положительном фа и по часовой стрелке при отрицательном Ра.
При этом подразумевается, что наблюдение за вращением плоскости
поляризации осуществляется вдоль направления распространения света.
Поэтому все оптически активные вещества подразделяются на
правовращающие(если вращение происходит по часовой стрелке) и
левовращающие(если вращение происходит против часовой стрелки).

В случае оптически активных жидких кристаллов такая классификация
сталкивалась с трудностями. Дело в том, что направление (знак) вращения
в жидких кристаллах зависело от длины волн света. Для коротких длин волн
величина Ра, например, могла быть положительной, а для более
длинноволнового света—отрицательной. А могло быть и наоборот. Однако
характерным для всех случаев было изменение знака вращения плоскости
поляризации в зависимости от длины волны света, или, как говорят,
инверсия знака оптической активности. Такое поведение вращения плоскости
поляризации совершенно не укладывалось в рамки существовавших
представлений об оптической активности.

Удивительными были также и другие свойства, такие, как сильная
температурная зависимость названных характеристик, их очень высокая
чувствительность к внешним магнитным и электрическим полям и так далее.
Но прежде чем пытаться объяснить перечисленные свойства, необходимо
понять, как устроены жидкие кристаллы, и, в частности, ознакомиться с их
структурными свойствами, ибо в конечном итоге для объяснения описанных
свойств наиболее существенными оказываются именно структурные
характеристики жидких кристаллов.

Здесь следует сказать, что в конце девятнадцатого — начале двадцатого
века многие очень авторитетные учёные весьма скептически относились к
открытию Рейнит-цера и Лемана. (Имя Лемана также можно по праву
связывать с открытием жидких кристаллов, поскольку он очень активно
участвовал в первых исследованиях жидких кристаллов, и даже самим
термином «жидкие кристаллы» мы обязаны именно ему.) Дело в том, что не
только описанные противоречивые свойства жидких кристаллов
представлялись многим авторитетам весьма сомнительными, но и в том, что
свойства различных жидкокристаллических веществ (соединений, обладавших
жидкокристаллической фазой) оказывались существенно различными. Так,
одни жидкие кристаллы обладали очень большой вязкостью, у других
вязкость была невелика. Одни жидкие кристаллы проявляли с изменением
температуры резкое изменение окраски, так что их цвет пробегал все тона
радуги, другие жидкие кристаллы такого резкого изменения окраски не
проявляли. Наконец, внешний вид образцов, или, как принято говорить,
текстура, различных жидких кристаллов при рассматривании их под
микроскопом оказывался совсем различным. В одном случае в поле
поляризационного микроскопа могли быть видны образования, похожие на
нити, в другом — наблюдались изображения, похожие на горный рельеф, а в
третьем — картина напоминала отпечатки пальцев. Стоял также вопрос,
почему жидкокристаллическая фаза наблюдается при плавлении только
некоторых веществ?

Время шло, факты о жидких кристаллах постепенно накапливались, но не
было общего принципа, который позволил бы установить какую-то систему в
представлениях о жидких кристаллах. Как говорят, настало время для
классификации предмета исследований. Заслуга в создании основ
современной классификации жидких кристаллов принадлежит французскому
ученому Ж. Фриделю. В двадцатые годы Фридель предложил разделить все
жидкие кристаллы на две большие группы. Одну группу жидких кристаллов
Фридель назвал нематическими, другую смектическими. (Почему такие на
первый взгляд непонятные названия дал Фридель разновидностям жидких
кристаллов, будет понятно несколько ниже.) Он же предложил общий термин
для жидких кристаллов — «мезо морфная фаза». Этот термин происходит от
греческого слова «мезос» (промежуточный), а вводя его, Фридель хотел
подчеркнуть, что жидкие кристаллы занимают промежуточное положение между
истинными кристаллами и жидкостями как по температуре, так и по своим
физическим свойствам. Нематические жидкие кристаллы в классификации
Фриделя включали уже упоминавшиеся выше холестерические жидкие кристаллы
как подкласс. Когда классификация жидких кристаллов была создана, более
остро встал вопрос: почему в природе реализуется жидкокристаллическое
состояние? Полным ответом на подобный вопрос принято считать создание
микроскопической теории. Но в то время на такую теорию не приходилось и
надеяться (кстати, последовательной микроскопической теории ЖК не
существует и по сей день), поэтому большим шагом вперед было создание
чешским ученым X. Цохером и голландцем С. Озерном феноменологической
теории жидких кристаллов, или, как ее принято называть, теории упругости
ЖК. В 30-х годах в СССР В. К. Фредерике и В. Н. Цветков первыми изучили
необычные электрические свойства жидких кристаллов. Можно условно
считать, что рассказанное выше относилось к предыстории жидких
кристаллов, ко времени, когда исследования ЖК велись малочисленными
коллективами. Современный этап изучения жидких кристаллов, который
начался в 60-е годы и придал науке о ЖК сегодняшние формы, методы
исследований, широкий размах работ сформировался под непосредственным
влиянием успехов в технических приложениях жидких кристаллов, особенно в
системах отображения информации. В это время было понято и практически
доказано, что в наш век микроэлектроники, характеризующийся внедрением
микроминиатюрных электронных устройств, потребляющих ничтожные мощности
энергии для устройств индикации информации, т. е. связи прибора с
человеком, наиболее подходящими оказываются индикаторы на ЖК. Дело в
том, что такие устройства отображения информации на ЖК естественным
образом вписываются в энергетику и габариты микроэлектронных схем. Они
потребляют ничтожные мощности и могут быть выполнены в виде миниатюрных
индикаторов или плоских экранов. Все это предопределяет массовое
внедрение жидкокристаллических индикаторов в системы отображения
информации, свидетелями которого мы являемся » настоящее время. Чтобы
осознать этот процесс, достаточно вспомнить о часах или
микрокалькуляторах с жидкокристаллическими индикаторами. Но это только
начало. На смену традиционным и привычным устройствам идут
жидкокристаллические системы отображения информации.jkbk часто бывает,
технические потребности не только стимулируют разработку проблем,
связанных с практическими приложениями, но и часто заставляют
переосмыслить общее отношение к соответствующему разделу науки. Так
произошло и с жидкими кристаллами. Сейчас понятно, что это важнейший
раздел физики конденсированного состояния.

Другим важным обстоятельством является то, что проводимость в жидких
кристаллах носит ионный характер. Это означает, что ответственными за
перенос электрического тока в ЖК являются не электроны, как в металлах,
а гораздо более массивные частицы. Это положительно и отрицательно
заряженные фрагменты молекул (или сами молекулы), отдавшие или
захватившие избыточный электрон. По этой причине электропроводность
жидких кристаллов сильно зависит от количества и химической природы
содержащихся в них примесей. В частности, электропроводность нематика
можно целенаправленно изменять, добавляя в него контролируемо»
количество ионных добавок, в качестве которых могут выступать некоторые
соли.

Из сказанного понятно, что ток в жидком кристалле представляет собой
направленное движение ионов в системе ориентированных палочек-молекул.
Если ионы представить себе в виде шариков, то свойство нематика обладать
проводимостью вдоль директора в р. больше, чему, представляется
совершенно естественным и понятным. Действительно, при движении шариков
вдоль директора они испытывают меньше помех от молекул-палочек, чем при
движении поперек молекул-палочек. В результате чего и следует ожидать,
что продольная проводимость о II будет превосходить поперечную
проводимость.

Более того, обсуждаемая модель шариков-ионов в системе ориентированных
палочек-молекул с необходимостью приводит к следующему важному
заключению. Двигаясь под действием электрического тока поперек
направления директора (мы считаем, что поле приложено поперек
директора), ионы, сталкиваясь с молекулами-палочками, будут стремиться
развернуть их вдоль направления движения ионов, т. е. вдоль направления
электрического тока. Мы приходим к заключению, что электрический ток в
жидком кристалле должен приводить к переориентации директора.

Эксперимент подтверждает выводы рассмотренной выше простой механической
модели прохождения тока в жидком кристалле. Однако во многих случаях
ситуация оказывается не такой простой, как может показаться на первый
взгляд.

Часто постоянное напряжение, приложенное к слою нематика, вызывает в
результате возникшего тока не однородное изменение ориентации молекул, а
периодическое в пространстве возмущение ориентации директора. Дело здесь
в том, что, говоря об ориентирующем молекулы нематика воздействии ионов
носителей тока, мы пока что пренебрегали тем, что ионы будут вовлекать в
свое движение также и молекулы нематика. В результате такого вовлечения
прохождение тока в жидком кристалле может сопровождаться
гидродинамическими потоками, вследствие чего может установиться
периодическое в пространстве распределение скоростей течения жидкого
кристалла. Вследствие обсуждавшейся в предыдущем разделе связи потоков
жидкого кристалла с ориентацией директора в слое нематика возникнет
периодическое возмущение распределения директора. Подробней на этом
интересном и важном в приложении жидких кристаллов явлении мы
остановимся ниже, рассказывая об электрооптике нематиков.

Флексоэлектрический эффект. Говоря о форме молекул жидкого кристалла, мы
пока аппроксимировали ее жесткой палочкой. А всегда ли такая
аппроксимация хороша? Рассматривая модели структур молекул, можно прийти
к заключению, что не для всех соединений приближение молекула-палочка
наиболее адекватно их форме. Далее мы увидим, что с формой молекул
связан ряд интересных, наблюдаемых на опыте, свойств жидких кристаллов.
Сейчас мы остановимся на одном из таких свойств жидких кристаллов,
связанном с отклонением ее формы от простейшей молекулы-палочки,
проявляющемся в существовании флексоэлектрического эффекта.

Интересно, что открытие флексоэлектрического эффекта, как иногда говорят
о теоретических предсказаниях, было сделано на кончике пера американским
физиком Р. Мейером в 1969 году.

Рассматривая модели жидких кристаллов, образованных не
молекулами-палочками, а молекулами более сложной формы, он задал себе
вопрос: «Как форма молекулы может обнаружить себя в макроскопических
свойствах?» Для конкретности Р. Мейер предположил, что молекулы имеют
грушеобразную или банановидную форму. Далее он предположил, что
отклонение формы молекулы от простейшей, рассматривавшейся ранее,
сопровождается возникновением у нее электрического дипольного момента.

Возникновение дипольного момента у молекулы несимметричной формы —
типичное явление и связано оно с тем, что расположение «центра тяжести»
отрицательного электрического заряда электронов в молекуле может быть
несколько смещено относительно «центра тяжести» положительных зарядов
атомных ядер молекулы. Это относительное смещение отрицательных и
положительных зарядов относительно друг друга и приводит к возникновению
электрического дипольного момента молекулы. При этом в целом молекула
остается нейтральной, так как величина отрицательного заряда электронов
в точности равна положительному заряду ядер. Величина дипольного момента
равна произведению заряда одного из знаков на величину их относительного
смещения. Направлен дипольный момент вдоль направления смещения от
отрицательного заряда к положительному. Для грушеобразной молекулы
направление дипольного момента по симметричным соображениям должно
совпадать с осью вращения, для банановидной молекулы — направлено
поперек длинной оси.

Рассматривая жидкий кристалл таких молекул, легко понять, что без
влияния на него внешних воздействий дипольный момент макроскопически
малого, но, разумеется, содержащего большое число молекул объема жидкого
кристалла, равен нулю. Это связано с тем, что направление директора в
жидком кристалле задается ориентацией длинных осей молекул, количество
же молекул, дипольный момент которых направлен по директору в ту и
другую сторону — для грушеобразных молекул, или для банановидных молекул
— поперек направления директора в ту и другую сторону, одинаково. В
результате дипольный момент любого макроскопического объема жидкого
кристалла равен нулю, так как он равен сумме дипольных моментов
отдельных молекул.

Так, однако, дело обстоит лишь в неискаженном образце. Стоит путем
внешнего воздействия, например механического, исказить, скажем, изогнуть
его, как молекулы начнут выстраиваться, и распределение направлений
дипольных моментов отдельных молекул вдоль директора для грушеподобных
молекул и поперек директора для банановидных будет неравновероятным. Это
означает, что возникает преимущественное направление ориентации
дипольных моментов отдельных молекул и, как следствие, появляется
макроскопический дипольный момент в объеме жидкого кристалла. Причиной
такого выстраивания являются сферические факторы, т. е. факторы,
обеспечивающие плотнейшую упаковку молекул. Плотнейшей упаковке молекул
именно и соответствует такое выстраивание молекул, при котором их
дипольные моменты «смотрят» преимущественно в одну сторону.

С макроскопической точки зрения рассмотренный эффект проявляется в
возникновении в слое жидкого кристалла электрического поля при
деформации. Как видно из рисунка, это связано с тем, что при
выстраивании диполей на одной поверхности деформированного кристалла
оказывается избыток зарядов одного, а на противоположной поверхности —
другого знака. Таким обрезом, наличие или отсутствие
флексоэлектрического эффекта несет информацию о форме молекул и ее
дипольном моменте. Для молекул-палочек такой эффект отсутствует. Для
только что рассмотренных форм молекул эффект есть. Однако, как уже,
наверное, заметили наиболее внимательные читатели, для грушеподобных и
банановидных молекул для наблюдения возникновения электрического поля в
слое надо вызвать в нем различные деформации. Грушеподобных молекулы
дают эффект при поперечном изгибе, а банановидные — при продольном
изгибе жидкого кристалла

Предсказанный теоретически флексоэлектрический эффект вскоре был
обнаружен экспериментально. Причем на эксперименте можно было
пользоваться как прямым, так и обратным эффектом. Это означает, что
можно не только путем деформации ЖК индуцировать в нем электрическое
поле и макроскопический дипольный момент (прямой эффект), но и,
прикладывая к образцу внешнее электрическое поле, вызывать деформацию
ориентации директора в жидком кристалле.

Мы поняли что такое жидкие кристаллы, ну а для чего же они нужны?

Электронная игра, электронный словарь и телевизор на жк»

Известно, какой популярностью пользовались различные электронные игры,
обычно устанавливаемые в специальной комнате аттракционов в местах
общественного отдыха или фойе кинотеатров. Успехи в разработке матричных
жидкокристаллических дисплеев сделали возможным создание и массовое
производство подобных игр в миниатюрном, так сказать, карманном
исполнении. Игра «Ну, погоди!», освоена отечественной промышленностью.
Габариты этой игры, как у записной книжки, а основным ее элементом
является жидкокристаллический матричный дисплей, на котором
высвечиваются изображения волка, зайца, кур и катящихся по желобам
яичек. Задача играющего, нажимая кнопки управления, заставить волка,
перемещаясь от желоба к желобу, ловить скатывающиеся с желобов яички в
корзину, чтобы не дать им упасть на землю и разбиться. Здесь же отметим,
что, помимо развлекательного назначения, эта игрушка выполняет роль
часов и будильника, т. е. в другом режиме работы на дисплее
«высвечивается» время и может подаваться звуковой сигнал в требуемый
момент времени.

H J L n „

?

?????n ??y?$??

???????P

hy?

???????±

????y?$????q

Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter

Похожие документы
Обсуждение

Оставить комментарий

avatar
  Подписаться  
Уведомление о
Заказать реферат!
UkrReferat.com. Всі права захищені. 2000-2020