Flydende krystaller

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 5. september 2020; checks kræver 19 redigeringer .

Flydende krystaller (forkortet LCD; engelsk  l iquid crystals , LC) er en fasetilstand , hvori nogle stoffer passerer under visse forhold (temperatur, tryk, koncentration i opløsning). Flydende krystaller har egenskaberne af både væsker (fluiditet) og krystaller ( anisotropi ) på samme tid. Ifølge strukturen er LC'er tyktflydende væsker, der består af aflange eller skiveformede molekyler , ordnet på en bestemt måde gennem hele volumen af ​​denne væske. Den mest karakteristiske egenskab ved LC'er er deres evne til at ændre orienteringen af ​​molekyler under indflydelse af elektriske felter , hvilket åbner store muligheder for deres anvendelse i industrien. I henhold til typen af ​​LC er de normalt opdelt i to store grupper: nematics og smectics . Til gengæld er nematik opdelt i korrekt nematiske og kolesteriske flydende krystaller .

Historien om opdagelsen af ​​flydende krystaller

Flydende krystaller blev opdaget i 1888 af den østrigske botaniker Friedrich Reinitzer.[2] . Han bemærkede, at krystallerne af cholesterylbenzoat og cholesterylacetat havde to smeltepunkter og følgelig to forskellige flydende tilstande - uklare og gennemsigtige. Selve navnet "flydende krystaller" blev opfundet af Otto Lehmann i 1904 [3] . Forskere har dog ikke været meget opmærksomme på disse væskers usædvanlige egenskaber.

I lang tid anerkendte fysikere og kemikere i princippet ikke flydende krystaller, fordi deres eksistens ødelagde teorien om de tre stoftilstande : fast , flydende og gasformig . Forskere tilskrev flydende krystaller enten til kolloide opløsninger eller til emulsioner .

Videnskabeligt bevis blev leveret af professor Otto Lehmann ved Karlsruhe Universitet efter mange års forskning, men selv efter fremkomsten af ​​bogen Liquid Crystals skrevet af ham i 1904, blev opdagelsen ikke anvendt.

Et grundlæggende bidrag til flydende krystallers fysik blev ydet af den sovjetiske videnskabsmand V.K. Frederiks [4] .

Den første praktiske anvendelse af flydende krystaller fandt sted i 1936, da firmaet Marconi Wireless Telegraph patenterede deres elektro-optiske lysventil [5] [6] .

I 1963 brugte amerikaneren J. Fergason ( eng.  James Fergason ) flydende krystallers vigtigste egenskab - at ændre farve under påvirkning af temperatur - til at detektere uensartet opvarmede overfladeområder, der er usynlige for det blotte øje. Efter at han fik patent på en opfindelse ( US Patent 3.114.836 ), steg interessen for flydende krystaller dramatisk.

I 1965 mødtes den første internationale konference om flydende krystaller i USA . I 1968 skabte amerikanske videnskabsmænd fundamentalt nye indikatorer for informationsdisplaysystemer. Princippet for deres drift er baseret på det faktum, at molekylerne af flydende krystaller, der drejer i et elektrisk felt, reflekterer og transmitterer lys på forskellige måder. Under påvirkning af spænding , som blev påført lederne loddet ind i skærmen , dukkede et billede op på det, bestående af mikroskopiske prikker. Og alligevel, først efter 1973 , da en gruppe engelske kemikere ledet af George Gray opnåede flydende krystaller fra relativt billige og tilgængelige råmaterialer, blev disse stoffer udbredt i forskellige enheder.

Grupper af flydende krystaller

I henhold til deres generelle egenskaber kan LC'er opdeles i to store grupper:

  1. Termotropiske LC'er dannet som et resultat af opvarmning af et fast stof og eksisterer i et vist område af temperaturer og tryk.
  2. Lyotropiske LC'er, som er to eller flere komponentsystemer dannet af stavformede molekyler af et givet stof og vand (eller andre polære opløsningsmidler ).

Termodynamiske faser af et stof er kun termotropiske LC'er, da lyotrope LC'er er dispergerede systemer (en opløsning af amfifile stoffer i vand).

Lyotropiske LCD'er

De stavlignende molekyler, der udgør FA'er, har en polær gruppe i den ene ende, og det meste af stangen er en fleksibel hydrofob kulbrintekæde. Sådanne stoffer kaldes amfifiler (amfi - på græsk betyder "fra to ender", philos - "kærlig", "velvillig"). Fosfolipider er et eksempel på amfifiler .

Amfifile molekyler er som regel dårligt opløselige i vand, har tendens til at danne aggregater på en sådan måde, at deres polære grupper ved fasegrænsen er rettet mod væskefasen. Ved lave temperaturer resulterer blanding af flydende amfifil med vand i adskillelse af systemet i to faser. Sæbevandssystem kan tjene som en af ​​varianterne af amfifiler med en kompleks struktur. Der er en alifatisk anion (hvor ~ 12-20) og en positiv ion osv. Den polære gruppe har en tendens til tæt kontakt med vandmolekyler, mens den ikke-polære gruppe (alifatiske kæde) undgår kontakt med vand. Dette fænomen er typisk for amfifiler.

Karakteristikaene for mange elektrooptiske enheder, der opererer på lyotrope flydende krystaller, bestemmes af anisotropien af ​​deres elektriske ledningsevne , som igen er relateret til anisotropien af ​​den elektroniske polariserbarhed . For nogle stoffer ændrer den elektriske ledningsevne sit fortegn på grund af LC-egenskabernes anisotropi. For eksempel, for n-octyloxybenzoesyre passerer den gennem nul ved en temperatur på 146 °C, og dette er forbundet med mesofasens strukturelle træk og med molekylernes polariserbarhed.

Termotropiske LCD'er

Molekyler, der danner flydende krystalfaser, kaldes mesogener . I LC er der en karakteristisk orientering af dipolmolekyler i en bestemt retning, som bestemmes af en enhedsvektor - den såkaldte "director".

Termotropiske LC'er er underopdelt i fire store klasser (skematisk er arten af ​​rækkefølgen af ​​LC'er af disse typer vist i figurerne):

  1. Nematiske flydende krystaller . I disse krystaller er der ingen lang rækkefølge i arrangementet af molekylernes tyngdepunkter, de har ikke en lagdelt struktur, deres molekyler glider kontinuerligt i retning af deres lange akser og roterer omkring dem, men samtidig gang de bevarer den orienteringsmæssige orden: de lange akser er rettet langs en overvejende retning. De opfører sig som almindelige væsker. Nematiske faser findes kun i stoffer, hvis molekyler ikke har nogen forskel mellem højre og venstre former, deres molekyler er identiske med deres spejlbillede (achiral). Orienteringen af ​​molekylerne i den nematiske fase falder som regel sammen med retningen af ​​den højeste ledningsevne. Et eksempel på et stof, der danner en nematisk FA, er -(p-methoxybenzyliden)-p-butylanilin.
  2. Smektiske flydende krystaller har en lagdelt struktur, lagene kan bevæge sig i forhold til hinanden. Tykkelsen af ​​det smektiske lag bestemmes af længden af ​​molekylerne (hovedsageligt længden af ​​paraffin-"halen"), men viskositeten af ​​smektik er meget højere end for nematik, og tætheden langs normalen til lagoverfladen kan variere meget. Typisk er terephthal bis (para-butylanilin).
  3. Kolesteriske flydende krystaller  - dannes hovedsageligt af forbindelser af kolesterol og andre steroider. Disse er nematiske LC'er, men deres lange akser roteres i forhold til hinanden, så de danner spiraler, der er meget følsomme over for temperaturændringer på grund af denne strukturs ekstremt lave dannelsesenergi (ca. 0,01 J/mol). Amyl para-(4-cyanobenzylidenamino)-cinnamat kan nævnes som et typisk kolesterium. Kolesteriske stoffer er farvestrålende, og den mindste temperaturændring (op til tusindedele af en grad) fører til en ændring i helixens stigning og følgelig en ændring i farven på LC.
  4. Søjleformede flydende krystaller - Mesogener er ordnet i søjler, der danner ordnede strukturer. Ofte kaldes de "flydende filamenter", langs hvilke molekylerne har translationelle frihedsgrader. Denne klasse af forbindelser blev forudsagt af akademiker L. D. Landau og blev først opdaget i 1977 af Chandrasekhar .

LCD'er har usædvanlige optiske egenskaber. Nematics og smectics er optisk enaksede krystaller. Cholesterics reflekterer på grund af deres periodiske struktur kraftigt lys i det synlige område af spektret. Da væskefasen er bæreren af ​​egenskaber i nematik og kolesterik, deformeres den let under påvirkning af ydre påvirkninger, og da spiralstigningen i kolesteriske er meget følsom over for temperatur, ændres lysreflektionen kraftigt med temperaturen, hvilket fører til til en ændring i stoffets farve. Disse fænomener er meget brugt i forskellige applikationer, såsom at finde hot spots i mikrokredsløb, lokalisering af frakturer og tumorer hos mennesker, billeddannelse i infrarøde stråler osv.

På det fænomenologiske niveau beskrives flydende krystaldeformationer normalt ved hjælp af Frank- Oseens frie energitæthed .

Anvendelser af flydende krystaller

En af de vigtige anvendelser af flydende krystaller er termografi . Ved at vælge sammensætningen af ​​et flydende krystalstof skabes indikatorer for forskellige temperaturområder og for forskellige designs. For eksempel påføres flydende krystaller i form af en film på transistorer , integrerede kredsløb og printkort i elektroniske kredsløb. Defekte elementer - meget varme eller kolde, ikke-fungerende - kan straks bemærkes af lyse farvepletter. Læger har fået nye muligheder: en flydende krystalindikator på patientens hud diagnosticerer hurtigt latent betændelse og endda en tumor .

Ved hjælp af flydende krystaller opdages dampe af skadelige kemiske forbindelser og gamma- og ultraviolet stråling, der er farlig for menneskers sundhed . Trykmålere og ultralydsdetektorer er blevet til på basis af flydende krystaller .

Men det mest lovende anvendelsesområde for flydende krystalstoffer er informationsteknologi [7] : fra de første indikatorer, kendt for alle fra elektroniske ure og mikroberegnere , til farve- tv'er , telefoner , tablets , bærbare computere og computerskærme med en flydende krystalskærm . Sådanne fjernsyn giver et billede af meget høj kvalitet, der bruger mindre energi sammenlignet med fjernsyn på katodestrålerør . Flydende krystalskærme bruger Freedericksz- krydset , opdaget tilbage i 1927.

M. G. Tomilin foreslog at bruge flydende krystaller i to-trins fotografiske teknologier til at gemme billeder, registreringen af ​​ydre påvirkninger sker i dette tilfælde i mesofasen og opbevaring - i fast-krystallinsk tilstand [8] .

Flydende krystaller bruges til fremstilling af "smart glas", der kan ændre lystransmissionskoefficienten [9] .

Produktion

Hovedproducenten af ​​flydende krystaller er det tyske firma Merck . Det giver mere end halvdelen af ​​verdens efterspørgsel efter LCD-skærmkomponenter. Hun modtog guldmedaljen for den årlige pris fra Association of Developers and Manufacturers of Information Displays SID-2015 (Society for Information Displays) i nomineringen "Components for displays" for udvikling af innovativ teknologi til produktion af flydende krystaller UB- FFS [10] .

Links

Noter

  1. ↑ Shibaev. Usædvanlige krystaller eller mystiske væsker  (neopr.)  // Soros Educational Journal. - 1996. - Nr. 11 . - S. 41 .
  2. ↑ Reinitzer, Friedrich. Beiträge zur Kenntniss des Cholesterins  (neopr.)  // Monatshefte für Chemie (Wien). - 1888. - T. 9 , nr. 1 . - S. 421-441 . - doi : 10.1007/BF01516710 .
  3. ↑ Otto Lehmann. Flussige Krystalle (Liquid Crystals) // Zeitschrift für Physikalische Chemie. — Leipzig, 1904.
  4. ↑ Repyova A., Frederiks V. Om teorien om anisotrope væsker og nogle nye observationer om dem // V congress rus. fysikere, Moskva, 15.-20. dec. 1926 - M: GIZ, 1926. - S. 16-17.
  5. ↑ Liquid Crystal Display (LCD  ) . computerens historie. Hentet 25. marts 2019. Arkiveret fra originalen 3. april 2019.
  6. ↑ Barnett Levin; Nyman Levin. Patent nr. GB441274 (A) Ansøger Marconi wireless telegraph co.  (engelsk) . https://www.epo.org/index.html . Det europæiske patentkontor (13. januar 1934). Dato for adgang: 12. maj 2019.
  7. ↑ Tsvetkov V. A., Grebenkin M. F. Flydende krystaller i optoelektronik // Flydende krystaller / udg. S. I. Zhdanova. - M .: Kemi, 1979. - S. 160-215
  8. ↑ Tomilin M. G.// Fotografiske teknologier baseret på flydende krystaller. Arkiveret 24. december 2014 på Wayback Machine  - artikel. — Videnskabelig og teknisk bulletin fra NRU ITMO. — UDC 535:771.36.
  9. ↑ Bag smart glas er fremtiden , OKNAMEDIA (1. september 2015). Arkiveret fra originalen den 6. april 2019. Hentet 6. april 2019.
  10. ↑ Mercks innovative flydende krystalteknologi vinder pris , Modern Electronics (30. juli 2015). Arkiveret fra originalen den 6. april 2019. Hentet 6. april 2019.

Litteratur

På russisk

På engelsk

  Gå til Wikidata-elementet  Ordbøger og encyklopædier
I bibliografiske kataloger