Свойства жидких кристаллов

 

Как уже было сказано, ещё первым исследователям бросались в глаза необычные оптические свойства жидких кристаллов. Одним из первых достижений в описании свойств жидких кристаллов, как уже упоминалось, было создание теории упругости жидких кристаллов.

Возникает мысль, если оптические свойства жидких кристаллов подобны свойствам обычных кристаллов, то, может быть, жидкий кристалл, подобно обычному кристаллу, обладает и упругими свойствами. Однако не стоит торопиться с суждениями. Жидкий кристалл течет, как обычная жидкость. А жидкость не проявляет свойств упругости, за исключением упругости по отношению к всестороннему сжатию, и поэтому для нее модуль упругости по отношению к обычным деформациям строго равен нулю. Разрешение этого парадокса в том, что жидкий кристалл - это не обычная, а анизотропная жидкость, т.е. жидкость, свойства которой различны в различных направлениях.

Таким образом, построение теории упругости для жидких кристаллов было не простым делом. Во-первых, существенно, что, когда говорят о деформации в жидких кристаллах, то имеют в виду отклонения направления директора от равновесного направления. В обычной же теории упругости деформации описывают смещение отдельных точек твердого тела относительно друг друга под влиянием приложенного воздействия. Таким образом, деформации в жидком кристалле - это совсем не те привычные всем деформации, о которых говорят в случае твердого тела. Кроме того, упругие свойства жидкого кристалла в общем случае следует рассматривать, учитывая его течение, что также вносит новый элемент и тем самым усложняет рассмотрение по сравнению с обычной теорией упругости.

Любую деформацию в жидком кристалле можно представить как одну из трех допустимых в ЖК видов изгибных деформаций либо как комбинацию этих трех видов деформации. Такими главными деформациями являются поперечный изгиб, кручение и продольный изгиб. Коэффициенты пропорциональности между упругой энергией жидкого кристалла и деформациями изгибов называют упругими модулями. Таких упругих модулей в жидких кристаллах по числу деформаций три - K1, К2 и Кз. Численные значения этих модулей несколько отличаются друг от друга. Так, модуль продольного изгиба Кз обычно оказывается больше двух других модулей. Наименьшую упругость жидкий кристалл проявляет по отношению к кручению.

Таким образом, теория упругости жидких кристаллов, описывающая их как сплошную среду, т.е. претендующая только на описание свойств ЖК, усредненных по расстояниям больше межмолекулярных, приводит к выводу, что минимальная энергия жидкого кристалла соответствует отсутствию деформаций в нем.

Таким образом, можно сказать, что упругие свойства жидкого кристалла, сближают его с твердыми телами. При этом обнаруживаются существенные отличия его упругих свойств от свойств кристалла как в качественном, так и количественном отношении. Теперь стоит познакомиться детально со свойством жидкого кристалла, типичным для жидкости, - текучестью, изучением которой занимается наука гидродинамика.

Сразу следует сказать, что, несмотря на солидный возраст гидродинамики, одной из древнейших научных дисциплин, и большие достижения, в этой науке существуют проблемы, не решенные до сих пор. К их числу относится проблема турбулентного, т.е. сопровождающегося нерегулярными вихрями, как в бурном потоке, течения жидкости. Эта проблема не решена еще для самых обычных жидкостей, таких, как вода. А о полном описании турбулентного течения таких сложных сред, как жидкие кристаллы, пока что не идет и речи. Поэтому, говоря здесь о текучести жидких кристаллов, надо иметь в виду их спокойное течение, в котором нет нерегулярных вихрей, или, как принято называть его, «ламинарное течение».

Ламинарное течение обычных жидкостей хорошо изучено. Основной характеристикой, определяющей течение в этих условиях, является вязкость, свойство жидкостей, всем хорошо известное на практике.

Вязкость характеризуется количественно коэффициентом вязкости, который показывает, как сильно трение между соседними слоями текущей жидкости и насколько интенсивно передается движение жидкости от одной ее точки к другой. Именно из-за вязкости при течении жидкости по трубе ее скорость непосредственно на стенках трубы равна нулю, а в сечении трубы не постоянна, а возрастает по мере удаления от стенок, достигая максимума в центре.

Типичными задачами в течении жидкостей являются течение жидкости по трубе и движение тела в жидкости. Течение жидкости в капилляре описывается законом Пуазейля, названным так в честь французского ученого, открывшего эту закономерность. В соответствии с этим законом количество жидкости, протекающей через трубу (капилляр), прямо пропорционально разности давлений на концах трубы, второй степени площади сечения трубы и обратно пропорционально коэффициенту вязкости. Скорость движения шарика в жидкости описывается законом Стокса, названного так по имени английского физика девятнадцатого века, современника Пуазейля. Эта закономерность гласит, что скорость движения шарика в жидкости прямо пропорциональна приложенной к нему силе и обратно пропорциональна радиусу шарика и вязкости жидкости.

Приступая к изучению гидродинамики жидких кристаллов, исследователи начали с того, что просто применили описанные методы измерения вязкости к жидким кристаллам. Такой подход ничего хорошего не дал. Результаты измерений вязкости не воспроизводились и зависели, казалось бы, от случайных причин, таких, как предыстория образца, способа изготовления капилляров, применяемых в измерениях. Более того, некоторые измерения показывали зависимость коэффициента вязкости от скорости течения жидкого кристалла. Эти первые результаты показали, что гидродинамика жидких кристаллов гораздо сложней и интересней, чем гидродинамика обычных жидкостей.

Дело в том, что течение жидкости вызывает переориентацию длинных осей молекул. А на введенном выше языке описания жидкого кристалла как сплошной среды с помощью задания в каждой его точке направления директора означает, что течение жидкого кристалла, с одной стороны, может приводить к переориентации директора, а с другой, к тому, что характеристики течения оказываются различными при различной ориентации директора по отношению к направлению скорости течения жидкости. Эти результаты легко понять и на молекулярном уровне. При течении жидкости молекул-палочек по капиллярам, особенно узким, течение будет выстраивать палочки-молекулы вдоль оси капилляра. Если каким-либо образом заставлять оставаться ориентацию палочек неизменной, то легко сообразить, что течение жидкости в случае ориентации палочек поперек капилляра будет затруднено по сравнению с течением при их ориентации вдоль капилляра.

Эти интуитивные представления полностью подтверждаются на эксперименте. Еще в начале 40-х годов В. Н. Цветков исследовал зависимость скорости протекания нематика через капилляры от ориентации директора. При ориентации директора поперек капилляра скорость протекания жидкого кристалла через капилляр оказалась существенно меньше, чем при ориентации директора вдоль оси капилляра. Ориентация директора поперек оси капилляра осуществлялась с помощью прикладываемого перпендикулярно капилляру магнитного поля. Результат опыта, интерпретация которого проводилась с помощью формулы Пуазейля, показал, что при включенном магнитном поле наблюдаемая вязкость почти в 2 раза больше, чем в отсутствии магнитного поля.

Таким образом, опыт показал, что для жидких кристаллов надо разрабатывать свою, более сложную и общую, чем для обычных жидкостей, теорию текучести. Такая теория разрабатывается усилиями многих исследователей. И оказалась она гораздо более сложной, чем обычная гидродинамика. Достаточно сказать, что в общем случае жидкий кристалл описывается восьмью коэффициентами вязкости. И даже упрощенный вариант этой теории, пренебрегающий сжимаемостью жидких кристаллов, содержит пять коэффициентов вязкости. Это определяет как трудности теоретического описания течения жидких кристаллов, так и постановку экспериментов, допускающих однозначную интерпретацию результатов. Здесь надо добавить, что в экспериментальном отношении дополнительные трудности связаны с тем, что в процессе течений в жидком кристалле могут возникать дефекты в ориентации директора. Дефектами называют точки или линии в нематике, на которых ориентация директора не определена.

Таким образом, можно констатировать, что течение жидких кристаллов - это весьма сложный процесс, а исследования гидродинамики ЖК находятся в начале своего пути. Облегчает исследование гидродинамики жидких кристаллов их двулучепреломление, оно позволяет визуализировать наведенные течением жидкого кристалла, изменения ориентации директора и, наоборот, по изменению двупреломления, т.е. оптических свойств, судить о скоростях и изменении скоростей в потоке.

Большинство применений жидких кристаллов связано с управлением их свойствами путем приложения к ним электрических воздействий. Податливость и «мягкость» жидких кристаллов по отношению к внешним воздействиям делают их исключительно перспективными материалами для применения в устройствах микроэлектроники, для которых характерны небольшие электрические напряжения, малые потребляемые мощности и малые габариты. Поэтому для обеспечения оптимального режима функционирования ЖК элемента в каком-либо устройстве важно хорошо изучить электрические характеристики жидких кристаллов.

Начнем описание электрических свойств с электропроводности жидких кристаллов. Электропроводность - это величина, характеризующая количественно способность вещества проводить ток. Она является коэффициентом пропорциональности в формуле, устанавливающей связь между током и приложенным напряжением. Для объема ЖК в один кубический сантиметр это довольно-таки малая величина. Для металлов соответствующая величина на 16-18 порядков больше.

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.

Из сказанного понятно, что ток в жидком кристалле представляет собой направленное движение ионов в системе ориентированных палочек-молекул. Двигаясь под действием электрического тока поперек направления директора, ионы, сталкиваясь с молекулами-палочками, будут стремиться развернуть их вдоль направления движения ионов, т. е. вдоль направления электрического тока. Можно прийти к заключению, что электрический ток в жидком кристалле должен приводить к переориентации директора.

С формой молекул связан ряд интересных, наблюдаемых на опыте, свойств жидких кристаллов. 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 стерические факторы, т.е. факторы, обеспечивающие плотнейшую упаковку молекул.

С макроскопической точки зрения рассмотренный эффект проявляется в возникновении в слое жидкого кристалла электрического поля при деформации. 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.

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.

Применение кристаллов

 

Кристаллы встречаются нам по всюду: мы ходим по кристаллам, строим из них, выращиваем их в лабораториях и в заводских установках, создаём приборы и изделия из кристаллов, широко применяем их в технике и науке, едим кристаллы (поваренную соль), лечимся ими, находим кристаллы в живых организмах, выходим на просторы космических дорог, используя приборы из кристаллов.

Кристаллы являются незаменимыми во многих областях человеческого существования.

Самый твердый и самый редкий из природных минералов - алмаз. За всю историю человечества его добыто всего около 150 т, хотя в мировой алмазодобывающей промышленности сейчас работает почти миллион человек. Сегодня алмаз в первую очередь камень-работник, а не камень-украшение. Около 80% всех добываемых природных алмазов и все искусственные алмазы используются в промышленности. Роль алмазов в современной технике так велика, что, по подсчетам американских экономистов, прекращение применения алмазов привело бы к уменьшению мощности промышленности США вдвое.

Примерно 80% применяемых в технике алмазов идет на заточку инструментов и резцов «сверхтвердых сплавов». Алмазы служат опорными камнями (подшипниками) в хронометрах высшего класса для морских судов и в других особо точных навигационных приборах. На алмазных подшипниках не обнаруживается никаких следов износа даже после 25000000 оборотов.

Несколько уступая алмазу по твердости, соревнуется с ним но разнообразию технических применении рубин. Новая область для широкого применения рубинов в научных исследованиях и в технике открылась с изобретением рубинового лазера - прибора, в котором рубиновый стержень служит мощным источником света, испускаемою в виде тонкого светового луча.

Исключительная роль выпала на долю кристаллов в современной электронике. Большинство полупроводниковых электронных приборов изготовлено из кристаллов германия или кремния.

Опираясь на законы оптики, ученые искали прозрачный бесцветный и бездефектный минерал, из которого можно было бы шлифованием и полированием изготавливать линзы. Нужными оптическими и механическими свойствами обладают кристаллы неокрашенного кварца, и первые линзы, в том числе и для очков, изготавливались из них. Даже после появления искусственного оптического стекла потребность в кристаллах полностью не отпала; кристаллы кварца, кальцита и других прозрачных веществ, пропускающих ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, до сих пор применяются для изготовления призм и линз оптических приборов.

Один из способов контроля ответственных деталей механизмов и машин - ультразвуковая дефектоскопия. Главный элемент УЗД дефектоскопа - кварцевая пластинка. Отраженная дефектом звуковая волна создает переменное электрическое поле (Эффект Холла). Пьезоэлектрический эффект в сильной степени проявляется в кристаллах титана, свинца, его производных. Такие кристаллы - основа пьезоэлектрических микрофонов и телефонов. Они преобразуют давление в электродвижущую силу в манометрах, служат для стабилизации частоты радиопередатчиков, измерения механических напряжений и вибраций.

Сегнетоэлектрики - это кристаллические вещества, обладающие уникальными свойствами, например, способностью к самопроизвольной электрической поляризации, которая может возникать даже в отсутствии внешнего поля. Впервые это свойство было обнаружено И.В. Курчатовым и П.П. Кобяко при исследовании кристаллов сегнетовой соли (NaKC4H4O6*4H2О). Сегнетоэлектрики характеризуются анизотропией. Температура, ограничивающая область сегнетоэлектрических свойств - точка Кюри. Причина таких свойств сегнетоэлектриков - взаимодействие входящих в них кристаллы молекул приводит к самопроизвольной поляризации диэлектриков. Важное практическое значение - емкость конденсатора пропорциональна ε диэлектрика, помещенного между обкладками. Поэтому, используя диэлектрик с большой ε можно получить малогабаритные конденсаторы. В технике применяют сегнетоэлектрические конденсаторы на основе титаната бария, у которого точка Кюри примерно 133°С, диэлектрическая проницаемость ε примерно равна 6000 - 7000.

Полупроводниковые кристаллы позволяют создавать сложные электронные полупроводниковые приборы, интегральные схемы. Новая область техники называют твердотельной электроникой.

В 1955 году Басов, Прохоров, Таунсон (США) создали генератор квантов электромагнитного излучения (мазер) сантиметрового диапазона. А в 1960г. Мейманом был запущен первый генератор оптического диапазона. Важнейшую роль в получении лазерного луча играл кристалл рубина (Al2O3) с добавкой хрома. Лазеры нашли широкое применение в промышленности для различных видов обработки материалов, сверление отверстий, сварки тонких изделий. Основная область применения маломощных импульсных лазеров с микроэлектроникой, в электровакуумной промышленности, машиностроении, медицине.

Жидкие кристаллы имеют не менее широкую сферу применения.

В повседневной жизни мы сталкиваемся с часами, термометрами на жидких кристаллах. 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.

Многие оптические эффекты в жидких кристаллах, о которых рассказывалось выше, уже освоены техникой и используются в изделиях массового производства. Например, всем известны часы с индикатором на жидких кристаллах, но не все еще знают, что те же жидкие кристаллы используются для производства наручных часов, в которые встроен калькулятор.

Союз микроэлектроники и жидких кристаллов оказывается чрезвычайно эффективным не только в готовом изделии, но и на стадии изготовления интегральных схем. Как известно, одним из этапов производства микросхем является фотолитография, которая состоит в нанесении на поверхность полупроводникового материала специальных масок, а затем в вытравливании с помощью фотографической техники так называемых литографических окон. Эти окна в результате дальнейшего процесса производства преобразуются в элементы и соединения микроэлектронной схемы. От того, насколько малы размеры соответствующих окон, зависит число элементов схемы, которые могут быть размещены на единице площади полупроводника, а от точности и качества вытравливания окон зависит качество микросхемы. Очень полезным оказалось применение жидких кристаллов на стадии контроля качества литографических работ. Для этого на полупроводниковую пластину с протравленными литографическими окнами наносится ориентированный слой нематика, а затем к ней прикладывается электрическое напряжение.

Перспективы же будущих массовых и эффективных применений жидких кристаллов еще более удивительны.

Заключение

кристалл рост молекула сегнетоэлектрик

В данной работе была рассказана лишь малая часть того, что известно о кристаллах в настоящее время, однако и эта информация показала, насколько неординарны и загадочны кристаллы по своей сущности.

Уже много лет люди используют кристаллы в своей повседневной жизни. В последнее время, когда изучены методы искусственного выращивания кристаллов, области их применения значительно расширились, и, возможно, будущее новейших технологий принадлежит кристаллам и кристаллическим агрегатам.

Библиографический список

 

1. Банн Ч. Кристалл. Их роль в природе и науке [Текст]: / Ч. Банн. - М: Наука, 1970. - 219 с.

2. Бойкий,Г.Б. Кристаллохимия [Текст]: / Г.Б. Бойкий. - М: Наука, 1971. - 224 с.

.   Галиулин Р.В. Как устроены кристаллы [Текст]: / Р.В. Галиулин. - М: Мысль, 1983. - 245 с.

.   Гегузин Я.Е. Живой кристалл [Текст]: /Я.Е. Гегузин. - М: Наука, 1981.- 198 с.

.   Костов И.С. Кристаллография. Пер. с болгарск. [Текст]: / И.С. Костов. - М: Мысль, 1965. - 256 с.

.   Пикин С.А. Жидкие кристаллы [Текст]: / С.А. Пикин, Л.М. Блинов. - М: Наука, 1982. - 280 с.

.   Сиротин Ю.И. Основы кристаллофизики [Текст]: / Ю.И. Сиротин, М.П. Шаскольская. - М: Наука, 1979. - 225 с.

.   Ходаков Ю.В. Архитектура кристаллов [Текст]: / Ю.В. Ходаков. - СПб: Нева, 1985. - 211 с.

.   Чандрасекар С. Жидкие кристаллы [Текст]: / С. Чандрасекар. - М: Мир, 1980.- 344 с.

.   Шаскольская М.П. Очерки о свойствах кристаллов. [Текст]: / М.П. Шаскойская. - М: Наукаь, 1978. - 236 с.

.   Шубников А.В. Зарождение и рост кристаллов [Текст]: / А.В Шубников, В.Ф. Федоров. - М: Дело, 1999. - 317 с.

⇐ Предыдущая123

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: