Рис.1. Схематичне уявлення (а) ізотропного середовища (рідина, властивості якої у всіх напрямках однакові) і (б) анізотропного середовища (рідкий кристал, орієнтаційне впорядкування).
Рис.2. Основні типи рідкокристалічних систем: (а) нематические, (б) хіральні холестерические, (в) смектичні, (г) хіральні смектичні, (д) дискоїдні нематические, (е) дискоїдні колоноподібні.
Рис.3. Схема роботи рідкокристалічного монітора
Наноазбука: кристали, які можна налити
Що спільного між русалкою, кентавром і. рідким кристалом? Русалка і кентавр - це казкові істоти з головою людини і тулубом риби і коні, відповідно. Таким чином, в них поєднуються риси людини і тварини. А рідкі кристали поєднують в собі властивості рідин і твердих тіл. Тільки на відміну від русалки і кентавра рідкі кристали цілком реальні і їх можна не тільки побачити, а й помацати руками! Візьміть шматочок мила, розчиніть його у воді - і ось вже ви тримаєте в своїх руках ні що інше, як справжній рідкий кристал!
Що ж спільного у рідкого кристала з рідинами і звичайними кристалами? Як і будь-яка рідина, рідкий кристал має плинністю і здатністю до краплеутворення; і разом з тим, як звичайний кристалу, в якому атоми «розмножуються» в тривимірному просторі певними математичними операціями (операціями симетрії), рідкий кристал теж характеризується упорядкуванням, але особливого роду: що утворюють його молекули (які, як правило, мають витягнуту або дискообразную форму ) мають певну орієнтацією, хоча повний порядок в розташуванні центрів тяжіння молекул відсутня (Рис.1). Таким чином у молекул в рідкому кристалі більше ступенів свободи. Рідкі кристали можна порівняти з потоком колод, сплавлялися по річці: в цілому вони все збудовані в одному напрямку, за течією, хоча кожну колоду пливе саме по собі (влучне порівняння д.х.н. Ю.Евдокімова). Проте, навіть такого впорядкування досить для того, щоб рідкі кристали виявляли незвичайні механічні, магнітні, і, що ще більш важливо, аномальні електричні та оптичні властивості. Довгий час вважалося, що з точки зору практичного застосування рідкі кристали не мають жодних корисними властивостями. Своє перше застосування вони знайшли в дисплеях для калькуляторів і електронного годинника, а потім їх стали використовувати в моніторах портативних комп'ютерів і телевізорів.
Рідкі кристали відкрив в 1888 р австрійський ботанік Ф.Рейнітцер. вивчав роль холестерину в рослинах. Нагріваючи синтезоване їм тверду речовину холестерилбензоат, він виявив, що при температурі
145 o C кристали плавляться і утворюють мутну, сільнорассеівающую світло рідина, нині звану рідким кристалом, яка при подальшому нагріванні (
179 o C) стає абсолютно прозорою. Майже всі рідкі кристали, виявлені на сьогоднішній день, є органічні сполуки (виняток становить, наприклад, гідратований оксид ванадію (V), але в неорганікою таких прикладів не так багато!); проте далеко не всі органічні речовини можуть знаходиться в рідкокристалічному стані.
Залежно від способу отримання рідкі кристали можна розділити на термотропниє і ліотропні. До першого типу відносяться речовини, одержувані нагріванням кристалічної фази (як, наприклад, нагрівання холестерилбензоат). Ліотропні називають рідкі кристали, які отримують при розчиненні деяких речовин в контрольованому кількості розчинника.
Нематические рідкі кристали (від грецького «нема» - нитка) характеризуються наявністю орієнтаційної порядку, але відсутністю позиційного, тобто центри мас молекул розташовані безладно і молекули можуть вільно обертатися навколо своєї поздовжньої осі. Їх можна порівняти з олівцями в коробці: кожен олівець може обертатися і ковзати вперед і назад, але все разом олівці повинні залишатися практично паралельні один одному (Рис.2а).
Холестерічеськие рідкі кристали (від назви речовини холестерину. Якого дуже бояться люди, які не дотримуються дієти) мають шарувату структуру, в якій кожен шар характеризується невеликим оновлено кута орієнтації молекул по відношенню до попереднього шару. Вони характеризуються відстанню (Р), за яке орієнтаційний вектор зробить оборот в 360 про (рис.2б). Для багатьох холестерических рідких кристалів яку можна порівняти з довжиною хвилі видимого світла, що вкрай важливо для формування оптичних властивостей. Наприклад, нагрівання рідких кристалів цього типу на десяті частки градуса лише незначно змінює кут повороту сусідніх шарів молекул, проте це невелика зміна приводить до того, що для всього рідкокристалічного шару, який складається з тисяч шарів молекул, змінюється кут обертання відбитого світла, і холестериках змінює свій колір. На цьому засновано, наприклад, використання холестерических рідких кристалів в дитячих «налобних» термометрах, які були якийсь час дуже популярні в Японії.
Смектичні рідкі кристали (від грецького «Смегма» - мило) характеризуються як орієнтаційний, так і позиційним порядком (Ріс.2в). Молекули розміщуються так, щоб їх осі були паралельні, утворюючи шарувату структуру. Шари можуть ковзати один по одному, а кожна з молекул рухатися в двох вимірах: ковзати разом із шаром і обертатися навколо своєї поздовжньої осі. Виділяють також хіральні смектичні рідкі кристали, у яких поздовжні осі молекул одного шару повернені на невеликий кут щодо молекул сусіднього шару (Ріс.2г). Крім того, існують діскотіческіе рідкі кристали (утворюють їх молекули мають дискообразную форму). Діскотіческіе нематические фази (ріс.2д) характеризуються структурою, що складається з однаково орієнтованих дисків; дископодібні молекули можуть вибудовуватися і в колони (рис.2).
Для створення рідкокристалічних моніторів (Рис.3) в основному використовують нематические рідкі кристали. Так, відоме англомовне позначення РК-моніторів STN означає supertwisted nematics, тобто «суперперекрученние нематики», і їх, дійсно, перекручують! Світло від лампи-підсвічування проходить через спеціальний фільтр ( "николь"), розміщений з тильного боку монітора, і лінійно поляризується. З фронтального боку монітора також розташований поляризаційний фільтр, який повернуть щодо першого на 90 0 і тому не пропускає світло від першого фільтра ( "контралатеральний николь").
Якби між фільтрами не було ніяких рідких кристалів, то монітор завжди залишався б темним. Однак в РК-екрані є також два прозорих електрода з паралельними рядами борозенок на їх поверхні; уздовж яких легко орієнтується приповерхневих шари рідкого кристала. При цьому борозенки на протилежних електродах, як і фільтри, перехрещені, тому нематики перекручуються електродами (якщо пам'ятаєте, вони складаються з орієнтованих «ниток»). А це призводить до того, що «перекручується» і площину поляризації світла, що йде від першого фільтра. До другого фільтру світло приходить в інший поляризації, що відрізняється від вихідної - саме тієї, яка "гаситься" - і вже може вийти назовні - монітор починає світитися. Залишається тільки навчитися управляти орієнтацією молекул рідкого кристала, що роблять шляхом додатка електричного потенціалу між електродами, що змінює світність точки-пікселя. Якщо до цього додати три колірні фільтри (червоний, зелений, блакитний, так звана схема RGB, «Red-Greеn-Blue»), то можна легко «змішувати» кольору, формуючи гами з тисяч і навіть мільйонів квітів.
В нанотехнологіях рідкі кристали дуже часто використовують в якості «темплатів» або шаблонів для створення впорядкованих наноструктур. наприклад, мезопористих систем, наноструктурованих електродів і т.д.
Сучасна кристалографія. Т.4, М. «Наука», 1981, 460 с.
У статті використані матеріали: Нанометр
Досвід навчання в області нанотехнологічного технопідприємництво
У цьому опитуванні ми просимо поділитися досвідом і Вашим ставленням до нанотехнологічної технопідприємництво і суміжних галузей. Заранее спасибо за Вашу небайдужість!
Проектна робота
Сьогодні стає все більш популярною так звана проектна робота школярів, однак на цей рахунок є дуже різні думки. Ми були б вдячні, якби Ви висловили коротко свою думку з цього приводу шляхом голосування. Заздалегідь вдячні!