Жидкие кристаллы
Информация - Физика
Другие материалы по предмету Физика
пирали. Толщина молекулы а составляет обычно около 1 нм, а общая длина l - несколько нанометров. В основной плоскости насчитываются несколько десятков и даже сотни атомов, в то время как спиральный выступ насчитывает единицы атомов. Вот почему холестерик сохраняет некоторые черты нематика и в то же время так отличается от него.
Химический состав и синтез
жидкий кристалл нематика поле
Все известные на сегодняшний день жидкокристаллические вещества состоят из органических молекул, т.е. представляют собой соединения углерода с водородом, кислородом, азотом и другими элементами. Среди неорганических соединений жидкие кристаллы пока не обнаружены, хотя это и не исключено. Молекулы типичных жидких кристаллов достаточно сложны. Например, в сравнительно простой молекуле МББА имеются 18 атомов углерода, 21 атом водорода и по одному атому кислорода и азота. В природе жидкие кристаллы встречаются крайне редко (как правило, в биологических объектах), поэтому их приходится изготовлять (синтезировать) искусственным путём.
Химический синтез - это создание сложной и небывалой молекулярной структуры из известные более простых частей. Однако, после синтеза следует провести ещё проверку качества полученного результата (элементный химический анализ, спектроскопия, физико-химическое исследование). В особенности важной для жидких кристаллов является тщательная очистка от посторонних примесей и от ионов. В противном случае электрическая проводимость вещества окажется слишком высокой, и через него потекут большие токи, когда к нему будет приложено напряжение. А это в свою очередь уменьшит срок службы устройства и увеличит потребляемую мощность.
Синтез МББА проходит в одну стадию. Достаточно взять в нужном соотношении две жидкости: анисовый альдегид и бутиланилин. Для проведения реакции обе жидкости растворяют в спирте, смешивают оба раствора, а затем, нагревая, выпаривают растворитель. Получается МББА и вода.
Но не всегда синтез так прост. Иногда для получения жидкого кристалла приходится делать до 15-20 промежуточных химических стадий, не считая очистки и последующих анализов. На сегодняшний день жидкие кристаллы - уже не экзотика. Синтезировано более шести тысяч жидкокристаллических соединений с самыми разнообразными свойствами.
Твист-структура
Что же нового вносит спиральная форма молекул в ориентацию оси жидкого кристалла? Прежде всего молекулы можно расположить параллельно друг другу хотя бы в одном тонком слое. При этом есть возможность удобно подогнать молекулы одну к другой, что соответствует балансу сил, действующих между ними. Таким образом, выделенный слой молекул имеют оптическую ось L. Однако вовсе не обязательно всем молекулам в таком нематическом слое одновременно иметь совершенно одинаковую ориентацию всех частей молекул. Например, молекулы могут поворачиваться вокруг своих продольных осей, так что в разных местах основные (плоские) участки молекул лежат как плашмя, так и ребром к слою. Так происходит и в настоящем нематике.
Далее к этому слою пристраивается следующий нематический слой молекул, в котором также имеется своя оптическая ось L. Здесь также срабатывает принцип равновесия сил, но при этом не запрещены повороты молекул вокруг продольных осей, которые могут быть вызваны, например, тепловыми толчками. Молекулы второго слоя могут быть параллельны молекулам первого, если слои находятся друг от друга на расстоянии, примерно равном сумме толщины основного участка молекулы а и высоты её спирального выступа b. В этом случае выступы не мешают молекулам поворачиваться вокруг своих осей, но сила притяжения плоских участков заставляют молекулы сблизиться, т.к. расстояние между слоями фактически увеличилось на высоту выступа b.
Но есть и другая возможность взаимной ориентации оптических осей L1 и L2. Если расстояние между соседними тонкими слоями меньше, чем в рассмотренном выше случае, а векторы L1 и L2 не могут быть строго параллельны. Это вызвано тем, что теперь молекулы не смогли бы свободно поворачиваться вокруг продольных осей; мешали бы выступы. Но тепловые толчки мешают молекулам удерживать в одном и том же положении все элементы их конструкции. Только ориентация продольных осей остаётся неизменной, потому что вдоль них расположена основная масса атомов. Значит, векторы L1 и L2 должны составить между собой малый угол. Тогда наступает равновесие сил, т.к. плоские участки молекул расположены ближе, и в то же время молекулы получают определённую свободу для поворотов вокруг своих длинных осей. Следовательно, молекулы с выступами могли бы расположиться в соседних слоях, образуя стопку слоёв, имеющую в пространстве вид холестерической спирали (другое название - твист-ориентация). Тут важно, какой винт - правый или левый - образуют молекулы холестерика, т.к. от этого зависит, в каком направлении будут поворачиваться оптические оси. При этом как плоские, так и спиральные участки молекул всех слоёв могут сближаться на минимальное расстояние, при котором имеется баланс сил.
Слоистое строение холестерика с той или иной спиралью оптических осей возникает в веществе само собой, без каких-либо посторонних причин. Не нужно никаких воздействий и дефектов, чтобы образовался винт. Это отличает холестерик от многих твёрдых кристаллов, в которых своеобразное слоистое строение и наблюдаемый винт часто связаны с существованием дефектов кристаллической решётки.
Ультрафиолетовый свет разрушает слабые с