Реферат на тему: "Жидкие кристаллы и их применение" - свойства, строение и структура

Что такое текучие материалы

Примерно до конца XIX века считалось, что существует два вида веществ — с твёрдой структурой тела и с текучей. Но в 1888 году был обнаружен ряд странных свойств у холестерилбензоата. Позже, общую закономерность в свойствах некоторых тел обнаружил немецкий физик Отто Леман, экспериментируя со своим проектом. По сути, он и открыл возможность веществ иметь разные свойства в разных состояниях.

Этот феномен получил название «жидкие кристаллы». Интересно, что многие учёные того времени не признавали инновационного открытия, так как это в корне противоречило общепринятой концепции о трёх состояниях вещества. Поэтому долгое время оно оставалось в тени.

Если кратко, то жидкокристаллическое состояние выражается в одновременной текучести и вместе с тем, упорядоченным расположением молекул. Однако, жёсткой кристаллической решётки в таких телах нет. Одно из ключевых свойств жидких кристаллов — ориентированный порядок расположения молекул.

В разных фазах и у различных веществ это расположение тоже может меняться. Таким образом, достигается гибкость разработки и широкий спектр применения жидких кристаллов в медицине, промышленности, бытовой технике и электронике.

Виды и категории

Иерархия фаз ЖК сложна и немного запутана. Существует две больших группы:

• термотропные;
• лиотропные.

Лиотропные — двух или более компонентные вещества. Текучее состояние в такой среде обеспечивает какой-либо из видов растворителей, например, вода. А упорядоченность молекул и твёрдое состояние гарантируют свойства основного элемента.

Термотропные в общем случае образуются при нагревании вещества. Они, в свою очередь, могут быть представителями одного из подклассов:

• нематические;
• смектические;
• холестерические.

Нематические не имеют жёсткого порядка в строении молекул. Тем не менее, молекулы всегда направлены своими острыми частями в одну сторону и непрерывно скользят вдоль своей длинной оси. По сути, они ведут себя как обычные жидкости.

Смектические ЖК имеют слои, которые могут перемещаться относительно друг друга. Толщина одного слоя равна длине молекул. Такая техника построения молекул придаёт большую вязкость и более высокую плотность, чем у нематической группы. Стоит отметить, что смектические кристаллы делятся ещё на три категории: A, B и С.

Холестерические жидкие кристаллы, как можно понять из названия, содержит в себе производные холестерина, помимо других веществ. Но, по сути, этот тип представляет собой нематические материалы. Только их молекулы расположены таким образом, что представляют собой спирали, которые очень остро реагируют на любое изменение температуры. При этом меняется окрас самого вещества. Эту биологическую функцию можно использовать в медицинских целях, а также там, где необходимо оперативно реагировать на изменения температуры.

Свойства и характеристики

В качестве введения стоит рассмотреть два первых изменяемых свойства — вязкость и плотность. Необычность их заключается в том, что изменение этих свойств нелинейно, то есть происходит по кривой, в зависимости от внешнего воздействия, например, температуры. И может фиксироваться в какой-то определённой точке воздействия. Другими словами, при необходимости можно «включать» то один набор характеристик, то другой.

Не менее интересны и тема оптических свойств. Проходя через некоторые виды жидких материалов, свет работает так же, как и в твёрдых. То есть расщепляется на два — необыкновенный и обыкновенный. Направление поляризации первого совпадает с направлением оптической оси кристалла, а второго — перпендикулярно ему. При правильном использовании этой особенности можно с помощью внешних воздействий управлять переходом света через материал.

Первые сообщения об открытии эффекта памяти появились от двух учёных Хейльмейера и Голдмахера. Они заметили, что после обработки разных веществ ионным током, те мутнеют. И самое интересное — помутнение может держаться от двух часов до нескольких недель. Учёные также обнаружили, что снять это помутнение можно и «вручную», приложив к кристаллу ток с частотой более 500 и менее 2000 Гц.

Области применения

Различные свойства и характеристики ЖК позволяют использовать их практически во всех отраслях. Оптические способности активно используются в производстве целой гаммы приборов — от микроскопов до больших экранов мониторов. Природа прохождения лучей через ЖК позволяет управлять ими буквально с любой микросхемы. А малое потребление гарантирует максимальную экономичность. В отличие от плазменных экранов, ЖК-мониторы имеют более сочную картинку и долговечность.

Особенность кристаллов быстро реагировать на малейшее изменение температуры нашла своё практическое применение в медицине. Например, белый свет, проходя через ЖК разлагается в спектр, который будет неоднородным при разных температурах. И по лучам можно определить точную степень изменения температуры тела. Собственно, это же открытие применяется и для контроля за нагревом различных материалов в самых разных отраслях.

Перспективы жидких кристаллов

Несомненно, открытие уникальных новых свойств уже известных материалов позволило осуществить массу открытий в самых разных областях деятельности человека. Даже читая этот краткий доклад, пользователь, скорее всего, делает это с помощью жидких кристаллов, не подозревая об этом.

Несмотря на то что изучен большой пласт физических свойств элементов, учёные продолжают находить им всё новое применение, совершенствуя приборы и технологии. В журналах и газетах, специализирующихся на химии, физике и прочих естественных науках, продолжают публиковаться всё новые и новые достижения в области материалов с двумя агрегатными состояниями.