Хотя они составляют лишь небольшой процент всех органических соединений, значимость жидких кристаллов постоянно возрастает. Увеличивающийся объем практического использования ЖК и их появление во многих системах, например биологических, ввиду чего жидкокристаллические фазы привлекают интерес не только для исследователей из различных областей. В течение последних десятилетий ученые синтезировали десятки тысяч жидкокристаллических соединений и открыли их необыкновенные свойства.
Характеристика жидких кристаллов
Промежуточные состояния между твердыми телами и жидкостями — мезофазы — называются жидкими кристаллами. Их молекулы имеют удлиненную или дискообразную форму. Жидкие кристаллы были открыты в 1888 г. немецким ботаником Ф. Райнитцером. Он исследовал соединение под названием бензоат холестерина. При нагревании этого вещества он наблюдал переход кристаллов твердого тела в мутную жидкость. Дальнейшее повышение температуры приводило к образованию прозрачной жидкости. Последующие исследования Райнитцера и других исследователей были сосредоточены на характеристиках полученного переходного состояния, то есть жидких кристаллов.
Жидкие кристаллы, по способу расположения молекул, делятся на:
- Смектические фазы, S – молекулы расположены в последовательных слоях. Их оси расположены параллельно друг к другу.
- Холестерические фазы, D — аналогично смектической фазе, оси расположены параллельно друг к другу. Молекулы расположены столбиками
- Нематические фазы, N — свободно движущиеся молекулы, выстраиваются в определенных направлениях в пространстве. В случае нематиков – их центры тяжести не упорядочены.
Жидкие кристаллы сочетают в себе особенности, характерные как для жидкостей (способность течь), так и для твердых тел (упорядоченность структуры). Это состояние сохраняется в случае конкретного вещества только в определенном интервале температур. Под влиянием даже незначительного изменения электрического тока или температуры их структура претерпевает трансформацию. Жидкокристаллические фазы обладают очень хорошими оптическими свойствами. Они демонстрируют линейный и круговой дихроизм.
Способы получения жидких кристаллов
Жидкокристаллические фазы существуют только у веществ, молекулы которых имеют правильное строение — сильно анизотропную форму, амфифильность. Они возникают в одно- и многокомпонентных системах. Основным фактором, определяющим получение жидких кристаллов, является постепенное изменение температуры. Она оказывает влияние на порядок фаз, появляющихся одна за другой. Эта последовательность может быть представлена следующим образом: кристаллы – смектики – нематики – холестерики — изотропная жидкость.
Одним из способов получения жидких кристаллов является нагревание твердой кристаллической формы определенного вещества. Образующиеся кристаллы называются термотропной мезофазой. Повышение температуры не приводит к немедленному плавлению твердого вещества, а к переходу его кристаллической формы в жидкокристаллическую. Дальнейшее нагревание приведет к образованию жидкости.
Другой способ заключается в растворении молекул, о которых известно, что они существуют в жидкокристаллических фазах, в подходящем растворителе. Такие кристаллы называются лиотропной мезофазой.
Применение жидких кристаллов
Несомненно, жидкие кристаллы чаще всего ассоциируются с дисплеями. ЖК-экраны, поскольку мы говорим о них, используют явление оптического двулучепреломления. Ячейки, в которые встроены жидкие кристаллы, соединены электродами. Управление полученным напряжением позволяет структурировать молекулы, чтобы получить эффект преломления света. Смешивание жидких кристаллов с красителями привело к тому, что в зависимости от ориентации молекул они поглощают свет с разной длиной волны, становится возможным получение цветного изображения. ЖК-экран, по сравнению с электронно-лучевыми экранами, может работать с максимальным разрешением только в реальном разрешении. Это связано с фиксированным количеством пикселей. Кроме того, они не имеют так называемого эффекта мерцания благодаря меньшей частоте обновления. К несомненным преимуществам жидкокристаллических экранов также можно отнести более низкое энергопотребление, создание более слабого магнитного поля и меньшее вредное воздействие на зрение. ЖК-экраны также использовались в авиационных приборах, калькуляторах и электронных часах.
Иные области применения жидких кристаллов:
- Как добавки к краскам и эмульсиям, они проявляют способность менять цвет под воздействием температуры (тонирование автомобильных стекол, игрушки, меняющие цвет во время купания).
- Набирают популярность кремы с жидкими кристаллами. Они предотвращают потерю влаги эпидермисом.
- Жидкие кристаллы используются в некоторых термометрах – они используют изменение цвета отраженного света в зависимости от температуры. Их аналогичная особенность используется в датчиках температуры.
- Интересным решением является использование жидких кристаллов в качестве логических вентилей. Они используются в оптоэлектронике, где применяются нелинейные явления.