CC BY
55УДК 548-144
ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ - ЧТО ЭТО?
Ягьяев Вадим Алексеевич, студент, специальность 04.05.01 Фундаментальная и прикладная химия, Оренбургский государственный университет, Оренбург e-mail: [email protected]
Барыльченко Ольга Юрьевна, студент, специальность 04.05.01 Фундаментальная и приклад-ная химия, Оренбургский государственный университет, Оренбург e-mail: [email protected]
Научный руководитель: Каныгина Ольга Николаевна, доктор физико-математических наук, профессор, профессор кафедры химии, Оренбургский государственный университет, Оренбург e-mail: [email protected]
Аннотация. Данная статья посвящена актуальной в нынешнее время теме - жидкие кристаллы. Этот удивительный объект окружает нас повсюду от электронных часов и покрытия на транзисторах до жидкокристаллических дисплеев и мониторов. Целью данной работы является расширение и систематизация знаний о жидких кристаллах. В статье дается объяснение, что представляют из себя с химической и физической точки зрения жидкие кристаллы. Также довольно подробно раскрывается история открытия данной структуры. Статья может быть полезна всем, кто только начал изучать жидкие кристаллы и хочет получить краткий, но содержательный ответ на следующие вопросы: Что такое жидкие кристаллы? Из чего они состоят? Где им находится применение?
Ключевые слова: жидкие кристаллы, жидкокристаллические фазы, молекулы, мезогены, каламитики, дискотики, холестерики, нематики, эффект Фредерикса.
Для цитирования: Ягьяев В. А., Барыльченко О. Ю. Жидкие кристаллы - что это? // Шаг в науку. -№ 1. - С. 12-17.
LIQUID CRYSTALS - WHAT ARE THEY?
Yagyaev Vadim Alekseevich, student, specialty 04.05.01 Fundamental and Applied Chemistry, Orenburg State University, Orenburg e-mail: [email protected]
Barylchenko Olga Yurievna, student, specialty 04.05.01 Fundamental and Applied Chemistry, Orenburg State University, Orenburg e-mail: [email protected]
Research advisor: Kanygina Olga Nikolaevna, Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor, Professor of the Department of Chemistry, Orenburg State University, Orenburg e-mail: [email protected]
Abstract. This article is devoted to the current topic — liquid crystals. This amazing object surrounds us with everything from electronic clocks and transistor coatings to liquid crystal displays and monitors. The aim of this work is to expand and systematize knowledge about liquid crystals. The article explains what liquid crystals are from a chemical and physical point of view. The history of the discovery of this structure is also disclosed in some detail. The article can be useful to everyone who has just started studying liquid crystals and wants to get a short but meaningful answer to the following questions: What are liquid crystals? What are they made of? Where are they used?
Key words: liquid crystals, liquid crystalline phases, molecules, mesogens, calamitics, discotics, cholesterics, nematics, the Fredericksz effect.
Cite as: Yagyaev, V. A., Barylchenko, O. Yu. (2021) [Liquid crystals - what are they?]. Shag v nauku [Step into science]. Vol. 1, рр. 12-17.
Прошло более 100 лет с момента открытия жидких кристаллов. Впервые они были обнаружены австрийским естествоиспытателем Фридрихом Рейнитцером. Ученый обнаружил интересные
свойства сложного эфира холестерина - холесте-рилбензоата (рисунок 1), наблюдая за двумя точками его плавления.
Рисунок 1. Первое ЖК-соединение - холестерилбензоат и диаграмма, показывающая температурную область существования ЖК-фазы
Источник: заимствовано из работы [8]
Соединения Тип жидких кристаллов и температуры фазовых переходов в °С (цифры над стрелками)
N-(4- Метоксибензилидет)-4-бутила н ил ин Сг^И^Т
4-Г1е нтил -4- ци ан об ифенил
Холестерин мирисгаг С[[э г-"------- ' | СК(СН})эС11<СНз>з V ГТТ^ С Н3( СН2) 12СО 71 79 85 Сг -л 8 СЬ -л I
Замещенный трифенилен К Яч^Ч, К=ОСОСцН2з я „ 80 122 Сг -у Б I
жидкокристаллические фазы
Рисунок 2. Некоторые соединения, образующие
Источник: заимствовано из работы [1]
В мутную, сильно светорассеивающую жидкость кристаллическое вещество превращалось только при температуре плавления не ниже 145,5 °С. При нагревании до 178,5 °С жидкость в оптическом
отношении ведет себя как обычная вода, то есть просветляется [3, с. 9]. Ранее неизвестные свойства холестерилбензоата были зарегистрированы в мутной фазе раствора. Проводя опыты с использова-
нием поляризационного микроскопа, Рейнитцер пришел к выводу, что мутная фаза обладает двулу-чепреломлением, то есть ее поляризация зависит от скорости света.
Явление двулучепреломления является характерным свойством кристаллических тел, иначе называемое анизотропией - различие показателя преломления в различных направлениях внутри кристалла. Странным казалось то, что в изотропной жидкости, свойства которой должны быть независимы от направления, существовало явление анизотропии. С большей вероятностью можно было поверить в то, что в мутной фазе существовало некоторое скопление тугоплавких мелких кристаллитов, которые, в свою очередь, и были источником двулучепреломления. Однако после продолжительных исследований немецкого физика Отто Лемана стало понятно, что мутная фаза не является двухфазной системой. Ученый смог доказать ее анизотропные свойства. Сам термин «жидкие кристаллы» Леман ввёл в 1904 году, объясняя свой выбор тем, что анизотропия свойственна твердым кристаллам, а вещество в мутной фазе было жидким.
«С того момента вещества, способные одновременно сочетать свойства жидкостей (текучесть, способность образовывать капли) и свойства кристаллических тел (анизотропия) в определенном температурном интервале выше точки плавления (рисунок 2), стали называться жидкими кристалла-
ми или жидкокристаллическими веществами». Для дальнейшего изучения и описания свойств веществ с жидкокристаллической структурой физики ввели новый термин - мезофаза, обозначающий промежуточное агрегатное состояние вещества между жидкостью и твердым телом (в переводе с греческого «мезос» - средний). Исходя из вышесказанного, можно утверждать, что жидкокристаллическое состояние вещества по праву может рассматриваться как четвертое состояние вещества [8, с. 38].
Молекулы жидкокристаллических органических веществ, геометрическая форма которых по своему виду напоминает стержни, называются каламитиками (рисунок 3). Кроме них можно выделить группу веществ, называемых дискотика-ми, получивших свое название благодаря особому дискообразному строению молекул (рисунок 4). Молекулы жидкокристалических соединений называются мезогенами, а фрагменты молекул, способствующие образованию жидкокристаллической фазы - мезогенными группами. Мезогенные группы в большинстве случаев представляют собой бензольные кольца, связанные напрямую друг с другом различными химическими группами: -ЫН-СО-, -СН=СН-, СН=Ы- и др. Параллельное расположение молекул относительно друг друга в ЖК-соеди-нениях обусловлено ассиметричной формой самих мезогенов, что является особенностью для всех видов жидких кристаллов [2].
Рисунок 3. Стержневидные мезогены (каламитики)
Источник: заимствовано из работы [8]
Структуру лиотропных жидких кристаллов можно описать как совокупность молекул, состоящих из двух частей: хвоста и головки. Углеводородным хвостом называют гидрофобную группу, а полярной головкой называют - гидрофильную. При контакте с водой такие соединения образуют
И
мицеллярные растворы, в которых полярные головки выступают наружу, соприкасаясь с водой, а углеводородные хвосты соприкасаются между собой и направлены внутрь. С помощью таких мицелл формируется цилиндрическая или пластинчатая форма лиотропных жидких кристаллов.
К Я
К - С^ + п С^ _ |0~ спя2к. ,соо-
Рисунок 4. Дискотические мезогены (дискотики)
Источник: заимствовано из работы [8]
В образовании жидких кристаллов участвуют полимеры, которые, в свою очередь, делятся на два вида: гребенчатые полимеры (цепь с присоединенными мезогенными группами) и полимеры, цепи которых содержат фрагменты мезогенных групп. При наличии гибкой связи между мезогенными группа-
ми в полимере образуются смектические (молекулы размещаются в слоях, и их центры тяжести подвижны в двух измерениях) или нематические (характеризуется наличием только одномерного ориентаци-онного порядка длинных (каламитики) или коротких (дискотики) осей молекул) фазы (рисунок 5).
Рисунок 5. Фазовые переходы в ЖК, происходящие при нагревании образца
Источник: заимствовано из работы [6]
Помимо смектической и нематической фазы жидких кристаллов существует холестерическая фаза. Можно заметить, что слова холестерические жидкие кристаллы и холестерики созвучны с веществом холестерин, производные которого и содержатся в этом типе жидких кристаллов. Строение
холестериков одновременно напоминает строение смектиков (молекулы также находятся в слоях) и нематиков (схожее расположение молекул в слоях) (рисунок 6). Характерная особенность холесте-рических жидких кристаллов состоит в наличии спиральной молекулярной структуры. Существова-
ние спирали обуславливается тем, что угол между каждым монослоем кристалла имеет небольшое отклонение, равное пятнадцати угловым минутам. Шаг холестерической спирали и, соответственно,
Область применения жидких кристаллов разнообразна, но в настоящее время наиболее признанным является биомедицинское применение жидкокристаллических структур. Например, новые возможности получили врачи: обнаружить скрытое воспаление и опухоль помогает жидкокристаллический индикатор, который наносится на кожу пациента.
Особой сферой применения жидких кристаллов является термография (греч. Шегтё теплота, жар
цвет самого холестерика напрямую зависят от изменения температуры, поэтому целесообразно использовать этот тип жидких кристаллов в таких областях, как медицина, термография и дефектоскопия.
р1
й
Е1
1С
Ьг
С Рг
- жк-молекулы, Е - электрод,
+ graphб писать, изображать). Термоиндикаторы позволяют обнаружить неисправные части различных приборов за счет ярких цветовых пятен, свидетельствующих о том, что определенный элемент неисправен. Этим способом обычно проверяют интегральные схемы, печатные платы, электронные схемы и транзисторы, нанося на них тонкий слой жидких кристаллов [5].
В настоящее время невозможно представить раз-
Рисунок 6. Спираль холестерической фазы
Источник: заимствовано из работы [6]
Рисунок 7. Эффект Фредерикса в жидкокристаллических дисплеях: LC G - стеклянная пластина, I - изображение, Р - поляризатор
Источник: заимствовано из работы [9]
личные информационные технологии без использования жидких кристаллов и это, пожалуй, самая перспективная область их применения. Современные жидкокристаллические дисплеи и мониторы работают по принципу перехода Фредерикса, открытому еще в 1927 году [7]. Переход Фредерикса применяется в различных устройствах с батарейным питанием, таких как наручные часы и калькуляторы. Каждый пиксель подобного экрана содержит ячейку с жидким кристаллом, ориентированным определенным образом за счет поверхностных сил (рисунок 7). Прикладывание напряжения к такой ячейке изменяет ориентацию молекул в пространстве между поверхностями, позволяя ячейке пропускать
поляризованный свет. Таким образом, желаемая информация способна отображаться на экране [4].
В заключении стоит отметить, что тема жидких кристаллов не изучена до конца, до сих пор ученые физики, химики и биологи продолжают открывать всё новые и новые свойства этого интересного явления. Не так давно открыты и активно изучаются жидкокристаллические полимеры, появились полимерные ЖК-сегнетоэлектрики, идет интенсивное изучение гибкоцепных элементоорганиче-ских, а также металлсодержащих ЖК-соединений. Хочется быть уверенным в том, что развитие этой темы будет идти интенсивнее и что она позволит сделать будущее человечества чуть лучше.
Литература
1. Блинов Л. М., Пикин С. А. Жидкие кристаллы // Большая российская энциклопедия. - Том 10. -Москва, 2008. - С. 67-69.
2. Блинов Л. М. Жидкие кристаллы: Структура и свойства. - М.: Книжный дом «Либриком», 2013. -480 с.
3. Г. Браун Дж. Уолкен Жидкие кристаллы и биологические структуры. - Пер. с англ. под ред. Я. М. Варшавского. - М.: Мир, 1982. - С. 198.
4. Пикин С. А., Блинов Л. М. Жидкие кристаллы / Под ред. Л. Г. Асламазова. - Москва: Наука, 1982. -208 с.
5. Томилин М. Г. Взаимодействие жидких кристаллов с поверхностью. - Санкт-Петербург: Политехника, 2001. - 325 с.
6. Томилин М. Г., Невская Г. Е. Дисплеи на жидких кристаллах - СПб: СПбГУ ИТМО, 2010. - 108 с.
7. Цветков В. А., Гребенкин М. Ф. Жидкие кристаллы в оптоэлектронике // Жидкие кристаллы / под ред. С. И. Жданова. — М.: Химия, 1979. - С. 160-215.
8. Шибаев В. П. Необычные кристаллы или загадочные жидкости // Соросовский образовательный журнал. - 1996. - № 11. - С. 37-46.
9. ТеспоЬ^ [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://tecnoblog.net/185132/ips-lcd-tft-tn-diferencas-telas/ (дата обращения: 5.05.2020).
Статья поступила в редакцию: 15.05.2020; принята в печать: 19.01.2021.
Авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.
