Tekuté krystaly

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 5. září 2020; kontroly vyžadují 19 úprav .

Tekuté krystaly (zkráceně LCD; anglicky  l iquid c rystals , LC) je fázový stav, do kterého přecházejí některé látky za určitých podmínek (teplota, tlak, koncentrace v roztoku). Kapalné krystaly mají vlastnosti kapalin (tekutost) i krystalů ( anizotropie ) zároveň. Podle struktury jsou LC viskózní kapaliny sestávající z podlouhlých nebo diskovitých molekul , uspořádaných určitým způsobem v celém objemu této kapaliny. Nejcharakterističtější vlastností LC je jejich schopnost měnit orientaci molekul vlivem elektrických polí., což otevírá široké možnosti pro jejich uplatnění v průmyslu. Podle typu LC se obvykle dělí na dvě velké skupiny: nematici a smektici . Nematics se dále dělí na správné nematické a cholesterické tekuté krystaly .

Historie objevu tekutých krystalů

Tekuté krystaly objevil v roce 1888 rakouský botanik Friedrich Reinitzer.[2] . Všiml si, že krystaly cholesterylbenzoátu a cholesterylacetátu mají dvě teploty tání a podle toho dvě různá kapalná skupenství – zakalené a průhledné. Samotný název „tekuté krystaly“ vymyslel Otto Lehmann v roce 1904 [3] . Vědci však nevěnovali příliš pozornosti neobvyklým vlastnostem těchto kapalin.

Fyzici a chemici v zásadě dlouho neuznávali tekuté krystaly, protože jejich existence zničila teorii tří skupenství hmoty : pevné , kapalné a plynné . Vědci připisovali tekuté krystaly buď koloidním roztokům nebo emulzím .

Vědecký důkaz poskytl profesor univerzity v Karlsruhe Otto Lehmann po mnoha letech výzkumu, ale ani poté, co se objevila kniha Tekuté krystaly, kterou napsal v roce 1904, objev nebyl aplikován.

Zásadní příspěvek k fyzice tekutých krystalů přinesl sovětský vědec V.K.Frederiks [4] .

K prvnímu praktickému použití tekutých krystalů došlo v roce 1936, kdy společnost Marconi Wireless Telegraph patentovala svůj elektrooptický světelný ventil [5] [6] .

V roce 1963 využil Američan J. Fergason ( eng.  James Fergason ) nejdůležitější vlastnost tekutých krystalů - měnit barvu pod vlivem teploty - k detekci nerovnoměrně zahřátých povrchových oblastí, které jsou pouhým okem neviditelné. Poté, co mu byl udělen patent na vynález ( US Patent 3 114 836 ), zájem o tekuté krystaly dramaticky vzrostl.

V roce 1965 se v USA sešla První mezinárodní konference věnovaná tekutým krystalům . V roce 1968 vytvořili američtí vědci zásadně nové indikátory pro informační zobrazovací systémy. Princip jejich činnosti je založen na skutečnosti, že molekuly tekutých krystalů, otáčející se v elektrickém poli, odrážejí a propouštějí světlo různými způsoby. Pod vlivem napětí , které bylo aplikováno na vodiče připájené do stínítka , se na něm objevil obraz skládající se z mikroskopických bodů. A přesto až po roce 1973 , kdy skupina anglických chemiků vedená Georgem Grayem získávala tekuté krystaly z relativně levných a dostupných surovin, se tyto látky rozšířily v různých zařízeních.

Skupiny tekutých krystalů

Podle jejich obecných vlastností lze LC rozdělit do dvou velkých skupin:

  1. Termotropní LC vzniklé v důsledku zahřívání pevné látky a existující v určitém rozsahu teplot a tlaků.
  2. Lyotropní LC, což jsou dvou nebo vícesložkové systémy vytvořené z tyčovitých molekul dané látky a vody (nebo jiných polárních rozpouštědel ).

Termodynamické fáze látky jsou pouze termotropní LC, protože lyotropní LC jsou disperzní systémy (roztok amfifilních látek ve vodě).

Lyotropní LCD

Tyčinkové molekuly, které tvoří FA, mají na jednom konci polární skupinu a většina tyčinky je pružný hydrofobní uhlovodíkový řetězec. Takové látky se nazývají amfifily (amfi - v řečtině znamená "ze dvou konců", philos - "milující", "dobrotivý"). Fosfolipidy jsou příkladem amfifilů .

Amfifilní molekuly jsou zpravidla špatně rozpustné ve vodě, mají tendenci tvořit agregáty takovým způsobem, že jejich polární skupiny na fázovém rozhraní směřují do kapalné fáze. Při nízkých teplotách vede smíchání kapalného amfifilu s vodou k rozdělení systému na dvě fáze. Systém mýdlo-voda může sloužit jako jedna z variant amfifilů se složitou strukturou. Existuje alifatický anion (kde ~ 12-20) a kladný iont atd. Polární skupina má tendenci k těsnému kontaktu s molekulami vody, zatímco nepolární skupina (alifatický řetězec) se kontaktu s vodou vyhýbá. Tento jev je typický pro amfifily.

Charakteristiky mnoha elektrooptických zařízení pracujících na lyotropních tekutých krystalech jsou určeny anizotropií jejich elektrické vodivosti , která zase souvisí s anizotropií elektronické polarizace . U některých látek vlivem anizotropie vlastností LC mění elektrická vodivost své znaménko. Například pro kyselinu n-oktyloxybenzoovou prochází nulou při teplotě 146 °C, a to souvisí se strukturními rysy mezofáze a s polarizovatelností molekul.

Termotropní LCD

Molekuly, které tvoří fáze tekutých krystalů, se nazývají mezogeny . U LC je charakteristická orientace dipólových molekul v určitém směru, který je určen jednotkovým vektorem – tzv. „directorem“.

Termotropní LC jsou rozděleny do čtyř velkých tříd (schematicky je povaha řazení LC těchto typů znázorněna na obrázcích):

  1. Nematické tekuté krystaly . V těchto krystalech není žádný dálkový řád v uspořádání těžišť molekul, nemají vrstvenou strukturu, jejich molekuly plynule klouzají ve směru svých dlouhých os, rotují kolem nich, ale zároveň po dobu si zachovávají orientační pořadí: dlouhé osy směřují podél jednoho převládajícího směru. Chovají se jako běžné kapaliny. Nematické fáze se nacházejí pouze v látkách, jejichž molekuly nemají rozdíl mezi pravou a levou formou, jejich molekuly jsou shodné s jejich zrcadlovým obrazem (achirálním). Orientace molekul nematické fáze se zpravidla shoduje se směrem nejvyšší vodivosti. Příkladem látky, která tvoří nematický FA, je -(p-methoxybenzyliden)-p-butylanilin.
  2. Smektické tekuté krystaly mají vrstvenou strukturu, vrstvy se mohou vůči sobě pohybovat. Tloušťka smektické vrstvy je určena délkou molekul (hlavně délkou parafínového „ocasu“), avšak viskozita smektických látek je mnohem vyšší než u nematic a hustota podél normály k povrchu vrstvy se může značně lišit. Typický je tereftal bis (para-butylanilin).
  3. Cholesterické tekuté krystaly  – jsou tvořeny převážně sloučeninami cholesterolu a dalších steroidů. Jedná se o nematické LC, ale jejich dlouhé osy jsou vůči sobě natočeny tak, že tvoří spirály, které jsou velmi citlivé na změny teploty v důsledku extrémně nízké formovací energie této struktury (asi 0,01 J/mol). Jako typické cholesterikum lze uvést amyl para-(4-kyanobenzylidenamino)-cinnamát. Cholesterické látky jsou jasně zbarvené a sebemenší změna teploty (až o tisíciny stupně) vede ke změně stoupání šroubovice, a tedy ke změně barvy LC.
  4. Sloupcové tekuté krystaly – Mesogeny jsou uspořádány do sloupců, které tvoří uspořádané struktury. Často se jim říká "kapalná vlákna", podél kterých mají molekuly translační stupně volnosti. Tuto třídu sloučenin předpověděl akademik L. D. Landau a objevil ji až v roce 1977 Chandrasekhar .

LCD mají neobvyklé optické vlastnosti. Nematics a smectics jsou opticky jednoosé krystaly. Cholesterika díky své periodické struktuře silně odrážejí světlo ve viditelné oblasti spektra. Protože kapalná fáze je nositelem vlastností v nematice a cholesterikách, snadno se deformuje vlivem vnějších vlivů, a protože stoupání šroubovice v cholesterikách je velmi citlivé na teplotu, odraz světla se prudce mění s teplotou, což vede ke změně barvy látky. Tyto jevy jsou široce používány v různých aplikacích, jako je vyhledávání horkých míst v mikroobvodech, lokalizace zlomenin a nádorů u lidí, zobrazování v infračervených paprscích atd.

Na fenomenologické úrovni jsou deformace tekutých krystalů obvykle popsány pomocí Frank-Oseenovy hustoty volné energie .

Aplikace tekutých krystalů

Jedním z důležitých použití tekutých krystalů je termografie . Volbou složení látky z tekutých krystalů se vytvářejí indikátory pro různé teplotní rozsahy a pro různá provedení. Například tekuté krystaly ve formě filmu jsou aplikovány na tranzistory , integrované obvody a desky plošných spojů elektronických obvodů. Vadné prvky - velmi horké nebo studené, nefunkční - jsou okamžitě patrné jasnými barevnými skvrnami. Lékaři dostali nové příležitosti: indikátor tekutých krystalů na kůži pacienta rychle diagnostikuje skrytý zánět a dokonce i nádor .

Pomocí tekutých krystalů jsou detekovány páry škodlivých chemických sloučenin a gama a ultrafialové záření nebezpečné pro lidské zdraví . Tlakoměry a ultrazvukové detektory byly vytvořeny na bázi tekutých krystalů .

Ale nejslibnější oblastí použití látek z tekutých krystalů jsou informační technologie [7] : od prvních indikátorů, které každý zná z elektronických hodinek a mikrokalkulátorů , až po barevné televizory , telefony , tablety , notebooky a počítačové monitory s obrazovkou z tekutých krystalů . Takové televizory poskytují velmi kvalitní obraz, spotřebovávají méně energie ve srovnání s televizory s katodovými trubicemi . Displeje z tekutých krystalů používají Freederickszův přechod , objevený již v roce 1927.

M. G. Tomilin navrhl použití tekutých krystalů ve dvoustupňových fotografických technologiích pro ukládání snímků, registrace vnějších vlivů v tomto případě probíhá v mezofázi a skladování - v pevném krystalickém stavu [8] .

Tekuté krystaly se používají při výrobě „chytrých skel“, které dokážou měnit koeficient prostupu světla [9] .

Výroba

Hlavním výrobcem tekutých krystalů je německá společnost Merck . Zajišťuje více než polovinu světové poptávky po komponentech LCD obrazovek. Získala zlatou medaili výroční ceny Asociace vývojářů a výrobců informačních displejů SID-2015 (Společnost pro informační displeje) v nominaci „Komponenty pro displeje“ za vývoj inovativní technologie pro výrobu tekutých krystalů UB- FFS [10] .

Odkazy

Poznámky

  1. ↑ Šibajev. Neobvyklé krystaly nebo tajemné kapaliny  (neopr.)  // Soros Educational Journal. - 1996. - č. 11 . - S. 41 .
  2. ↑ Reinitzer, Friedrich. Beiträge zur Kenntniss des Cholesterins  (neopr.)  // Monatshefte für Chemie (Wien). - 1888. - T. 9 , č. 1 . - S. 421-441 . - doi : 10.1007/BF01516710 .
  3. ↑ Otto Lehmann. Flussige Krystalle (tekuté krystaly) // Zeitschrift für Physikalische Chemie. - Lipsko, 1904.
  4. ↑ Repyova A., Frederiks V. K teorii anizotropních tekutin a některá nová pozorování k nim // V kongres rus. fyziků, Moskva, 15.-20.12. 1926 - M: GIZ, 1926. - S. 16-17.
  5. ↑ Displej z tekutých krystalů (LCD  ) . historie počítače. Získáno 25. března 2019. Archivováno z originálu 3. dubna 2019.
  6. ↑ Barnett Levin; Nyman Levin. Patent č. GB441274 (A) Přihlašovatel Marconi wireless telegraph co.  (anglicky) . https://www.epo.org/index.html . Evropský patentový úřad (13. ledna 1934). Datum přístupu: 12. května 2019.
  7. ↑ Tsvetkov V. A., Grebenkin M. F. Tekuté krystaly v optoelektronice // Tekuté krystaly / ed. S. I. Ždanová. - M.: Chemie, 1979. - S. 160-215
  8. ↑ Tomilin M. G.// Fotografické technologie založené na tekutých krystalech. Archivováno 24. prosince 2014 na Wayback Machine  - článek. — Vědecký a technický bulletin NRU ITMO. — MDT 535:771.36.
  9. ↑ Za chytrým sklem je budoucnost , OKNAMEDIA (1. září 2015). Archivováno z originálu 6. dubna 2019. Staženo 6. dubna 2019.
  10. ↑ Inovativní technologie tekutých krystalů společnosti Merck získala ocenění Moderní elektronika (30. července 2015). Archivováno z originálu 6. dubna 2019. Staženo 6. dubna 2019.

Literatura

V ruštině

V angličtině

  Přejděte na položku Wikidata  Slovníky a encyklopedie
V bibliografických katalozích