Классификация жидких кристаллов

Удлинённая форма молекул жидкокристаллических веществ способствует сохранению дальнего порядка в некотором интервале температур. По общей симметрии и характеру упорядочения молекул жидкие кристаллы подразделяют на три типа: смектические, нематические и холестерические. Примером вещества образующего кристалл смектического типа (см. рис),

может служить этиловый эфир n – азоксибензойной кислоты со структурной химической формулой

Твёрдые кристаллы этого эфира плавятся при температуре , переходя в жидкокристаллическое состояние, и при температуре превращается в оптически изотропную жидкость. Если расплав этого вещества взять при температуре выше и затем медленно охлаждать, то при температуре в поляризационном микроскопе можно наблюдать появление мелких кристалликов в виде палочек, плавающих в изотропной среде. В процессе их роста они объединяются в более крупные кристаллы.

Со структурной точки эрения все смектики слоистые с чётко определённым расстоянием между слоями, которое можно измерить с помощью дифракции рентгеновских лучей. Имеется много различных видов смектиков, дающих разнообразные микроскопические текстуры, легко различающиеся при оптическом наблюдении. Различают три типа смектиков, обозначаемых буквами A,B,C.

1. Смектики A.

Картина расположения молекул в смектике A показана на рис. Основные характеристики следующие:

1)Слоистая структура с толщиной слоёв, близкой к полной длине молекул.

2)Внутри каждого слоя центры тяжести обладают дальним порядком; каждый слой представляет собой двумерную жидкость.

Совместно свойства 1 и 2 определяют замечательный тип одномерного упорядочения, который является особенным типом.

3)Система является оптически одноосной с оптической осью , перпендикулярой плоскости слоёв. Предположение о полной симметрии вращения относительно этой оси не противоречит всем известным данным.

4)Направления z и – z эквивалентны, по крайней мере, во всех известных в настоящее время случаях.

Смектики C.

Структура этих смектиков определяется следующим образом:

1) Каждый слой является двумерной жидкостью.

2) Вещество является оптически двуосным.

3) Наиболее естественная (хотя и не однозначная) интерпретация этих особенностей состоит в предположении, что в смектике C длинные оси молекул наклонены по отношению к нормали z к слоям см. рис. Эта интерпретация подтверждается рядом экспериментов по рентгеновской дифракции, которые дают толщину слоя , где l – длина молекулы, а – угол наклона. Заметим, что если молекулы наклонены в плоскости (x,z), то главными осями тензора диэлектрической восприимчивости будут два ортогональных направления к этой плоскости и направление y. Простая структура смектика C, описанная в п.1. 2, получается, только если мролекулы вещества оптически неактивны. Если мы добавим к смектику оптически активные молекулы, то структура исказится: направление наклона будет прецессировать вокруг оси z и возникнет спиральная конфигурация. Предполагая отсутствие сегнетоэлектричества, мы найдём, что элементами симметрии смектика являются ось второго порядка y и перпендикулярная к ней плоскость (xz), что соответствует точечной группе .

Смектики B.

В смекиках A и C каждый слой ведёт себя как двумерная жидкость, Напротив, в смектике B слои обнаруживают периодичность и жёсткость двумерного твёрдого тела. Здесь наблюдаются отражения рентгеновских лучей, соответствующие упорядоченности внутри каждого слоя. Слои не очень гибкие. Под микроскопом в текстуре фазы B (в так называемой мозаичной текстуре) видны области, внутри которых слои совершенно плоские. Этот случай резко отличается от двух предыдущих, где большинство наблюдаемых структур обладает сильно искривлёнными слоями.

Таким образом, фазы B являются наиболее упорядоченными из трёх основных смектических фаз. Действительно, если какое – либо вещество может существовать во всех трёх фазах, то последовательность их появения такова, что с ростом температуры имеют место превращения

,

S – твёрдая фаза. Что касается симметрии, заметим, что у смектика типа B имеются, по крайней мере, две подгруппы, которые можно назвать (молекулы перпендикулярны плоскости слоя) и (молекулы наклонены к плоскости слоя). Примеры обеих групп наблюдаются в природе. Разница на микроскопическом уровне между смектической фазой B и твёрдым телом пока ещё не ясна.

Жидкие кристаллы смектического типа впервые были обнаружены у мыл. Отсюда произошло название «смегма». Молекулы смектических кристллов группируются слоями, внутри которых они располагаются рядами, ёлочкой или произвольно. Толщина слоя определяется длиной молекулы. Структура этих кристаллов характеризуется двумерным дальним координационным порядком и ближним ориентационным порядком. Длинные оси молекул располагаются паралллельно, а их центры масс лежат в параллельных плскостях. Кристаллы этого типа удобны для термооптической записи информации. Процесс записи предельно прост. Плоский стеклянный капиляр заполняется смектиком. Его исходное состояние – прозрачный монокристалл. Молекулы в нём ориентированы перпендикулярно стенкам. Тонкий инфракрасный луч лазера быстро скользит по стеклу, выводя буквы или цифры. В местах падения луча смектик нагревается и переходит в изотропную жидкость. Остывая, места записи становятся мутными. Если направить на капиляр считывающий луч, то он проявит места записи, ставшие непрозрачными. Чтобы стереть запись, нужно опять нагреть кристалл до однородной жидкости и медленно охладить до температуры образования смектической мезофазы. Аналогично производится регистрация инфракрасных голограмм. Примером вещества, склонного к образованию жидких кристаллов нематического типа (см. рис).

Является n – азоксиниазол со структурной химической формулой

С грубой точки зрения – это твёрдый стержень длиной ~ 20 ангстрем и толщиной ~ 5 ангстрем. (Два бензольных кольца почти компланарны). Нематическое состояние для этого жидкого кристалла найдено только при высоких температурах (в интервале температур от до при атмосферном давлении). В расплаве такого жидкого кристалла в поле зрения микроскопа видны тонкие нити. Молекулы в этих кристаллах расположенвы параллельно друг другу, образуя ориентационный дальний порядок в одном предпочтительном направлении. Ориентированные нематические кристаллы обладают оптическими свойствами, аналогичными свойствам одноосной кристаллической пластинки, вырезанной параллельно оптической оси. Разность показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей у жидких кристаллов составляет 0.35, тогда как кальцита она равно 0.17. Неориентированный препарат окрашивается разные цвета, что используется в технике изготовления поляроидов. Ориентированные жидкие кристаллы широко используются для изготовления цифровых индикаторов электронных часов и приборов, модуляторов электромагнитных волн, а так же для изучения спектров ядерного магнитного резонанса.

Жидкие кристаллы холестерического типа (см. рис.).

Они получили своё название вследствии того, что большинство из них представляют собой эфиры холестерина и жирных кислот, например холестерин циннамат. Его структурная химическая формула имеет вид (см. рис.).

Это вещество склонно к образованию жидких кристаллов также и смектического типа. Переход от одного типа жидкого кристалла в другой происходит по схеме

Здесь ТК – твёрдый кристалл, СЖК – смектический жидкий кристалл, холестерический жидкий кристалл ХЖК. ИЖ – изотропная жидкость.

Молекулы холестерических жидких кристаллов, как и смектических, собраны в монослои, внутри которых они располагаются параллельно друг другу. Однако внутри каждого слоя расположение молекул более напоминает нематическую фазу, а не смектическую. Каждая молекула в слое имеет плоскую конфигурацию, содержит метильные группы, располагающиеся над и под плоскостью молекулы. Такая конфигурация молекул холестерического типа приводит к тому, что направление длинной оси молекулы в каждом слое слегка отклоняется от соответствующего направления в предыдущем слое. Это отклонение накапливается при переходе от слоя к слою. Образуется спираль с шагом порядка длины видимого света.

Спиралеобразная структура холестерических жидких кристаллов обусловливает специфические оптические их свойства. Жидкие кристаллы подобного типа являются наиболее оптически активными среди всех известных веществ. Они могут поворачивать плоскость поляризации света на угол порядка несколько десятков радиан. Строгая периодичность холестерических молекулярных слоёв – аналог дифракционной решётки, При освещении её белым светом она окрашивается в разные цвета. Это происходит оттого, что световые волны рассеиваются под разными углами, что непосредственно следует из формулы Вульфа – Брэгга

,

в которой вместо межплоскостного расстояния d фигурирует шаг h холестерической спирали – прямолинейный отрезок, соответствующий повороту молекулы на угол .

Если такую плёнку медленно нагревать, то её цвет будет изменяться. Это связано с тем, что с повышением температуры увеличивается расстояние между плоскостями и, следовательно, меняется шаг холестерической спирали. При нанесении тонкого слоя этого вещества на неравномерно нагретую поверхность её окраска станет разноцветной: места с низкой температурой будут красными, с небольшой температурой – жёлтыми, зелёными, синими и, наконец, с высокой температурой – фиолетовыми.

Таким образом, холестерические жидкие кристаллы, созданные природой, оказались чрезвычайно чувствительными датчиками температуры. С их помощью удаётся регистрировать изменение температуры объекта в десятые доли градуса.И нематики, и холестерики чрезвычайно чувствительны к воздействию внешних электрических и магнитных полей. Эффекты, обусловленные электрическим полем, более сложны, поскольку на них влияют примесные носители заряда и электрохимические явления. Однако они важны для систем дисплеев.

Заключение. Фуллерены. Углеродные нити

Библиография

1.Готт В.С. Философские вопросы современной физики.- М.: Высшая школа, 1972.

2.Философские проблемы физики элементарных частиц. Сб. Под ред.И.В. Кузнецова и М.Э. Омельяновского. - М.: Изд-во АН СССР 1963.

3.Горелик Г.Е. Размерность пространства. – М.: Изд-во МГУ 1983.

4.Философские вопросы квантовой физики. Сб. Под ред.М.Э. Омельяновского. - М.: Наука, 1970.

5.Блохинцев Д.И. Пространство и время в микромире. - М.: Наука, 1970.

6.Фейнберг Е.Н.УФН 116 (4) 709(1975)

7.Чернин А.Д. УФН 178(3) 267 (2008)

8.Альберт Эйнштейн и теория гравитации. Сб. статей к 100-летию со дня рождения - М.: Мир,1979.

9. Грин Б. Элегантная вселенная. Суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории.- М.: URSS, 2007.

10.Гинзбург В.Л. УФН 169 (4) 419 (1999)

11.Любарский Г.Я. Теория групп и её применение в физике.- М.: Гостехиздат,1957.

12.Петрашень М.И., Трифонов Е.Д. Применение теории групп в квантовой механике. - М.: Наука, 1967.

13.Смирнов В.И. Курс высшей математики. – Т. III, ч.1, М.: Гостехиздат,1958.

14.Нокс Р., Голд А. Симметрия в твёрдом теле.- М.: Наука,1970.

15.Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М.Квантовая механика (нерелятивистская теория).- М.: Наука, 1963.

16.Румер Ю.Б., Фет А.И. Теория групп и квантованные поля. М.: Наука, 1971.

17.Ляховский В.Д., Болохов А.А.Группы симметрии и элементарные частицы.- Издательство Ленинградского университета, 1983.

18.Займан Дж. Принципы теории твёрдого тела. М.: Наука, 1974.

19.Крэкнелл А.,Уонг К. Поверхность Ферми. М.: Атомиздат,1978.

20.Ашкрофт Н., Мермин Н. Физика твёрдого тела. тт.1,2, М.: Мир, 1979.

21.Ансельм А.И. Введение в теорию полупроводников. М.: Наука, 1978.

22.Бонч-Бруевич В.Л., Калашников С.Г. Физика полупроводников. М.:Наука,1977.

23.Анималу А. Квантовая теория кристаллических твёрдых тел. М.: Наука, 1981.

24.Киттель Ч. Введение в физику твёрдого тела. М.: Наука,1978.

25.Джонс Г. Теория зон Бриллюэна и электронные состояния в кристаллах. М.: Мир, 1968.

26.Епифанов Г. И. Физика твёрдого тела. М.: Высшая школа.1977.

27.Уэрт Ч., Томсон Р. Физика твёрдого тела. М.: Мир,1969.

28.П. де Жен. Физика жидких кристаллов. М.: Мир,1977.

29.СкрышевскийА.Ф.Структурный анализ жидкостей и аморфных твёрдых тел. М. Высшая школа.1980.

30.Иверонова В. И., Кацнельсон А. А. Ближний порядок в твёрдых растворах. М.: Наука,1977.

31.Хачатурян А.Г. Теория фазовых превращений и структура твёрдых растворов. М.: Наука, 1974.

32.Суханов А.Д. Физика и естествознание вчера, сегодня, завтра. ЖМФО серия» «Б»,.М.: издание МФО, 1995,Т.1,№1.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: