Жидкие кристаллы представляют собой промежуточное состояние между изотропными жидкостями и твердыми кристаллами, обуславливая особенными физическими свойствами

Вид материала

Подобный материал:

1 2 3 4 5

Жидкие кристаллы представляют собой промежуточное состояние между изотропными жидкостями и твердыми кристаллами, обуславливая особенными физическими свойствами. В медицине возможно создание на их основе высокочувствительных датчиков дыхания.

Создание высокочувствительных измерительных преобразователей на основе жидких кристаллов как никогда актуально ведь исследование дыхания является насущной проблемой различных медицинских специальностей. В настоящее время измерение легочной вентиляции стало рутинной практикой ЛПУ всех уровней – от уровней амбулаторий и кабинетов семейных врачей до специализированных диагностических центров различного профиля. [1]

Применения высокочувствительных преобразователей, а именно, жидкокристаллических ячеек совместно с современными вычислительными системами в ЛПУ позволит не только значительно расширить парк современной аппаратуры для диагностики ФДЛ, а также проводить исследования слабого дыхания, что находится за пределами возможностей даже современных приборов. В связи, с чем особый интерес представляет изучение слоя ЖК при комбинированном воздействии нестационарного периодического перепада давления и управляющего напряжения

Поэтому на базе проблемной лаборатории молекулярной акустики проводятся исследования, связанные с возможностью регистрации параметров внешнего дыхания с помощью ЖК датчиков (систем аналогов ЖК датчиков).

Поэтому на базе лаборатории молекулярной акустики проводятся исследования, связанные с возможностью регистрации параметров внешнего дыхания с помощью ЖК датчиков (систем аналогов ЖК датчиков). Эти исследования показали, что такая возможность существует. Однако объема полученных результатов недостаточно для полного описания работы данных устройств.

Но в поставленных экскрементах были установлены габариты

чувствительного элемента жидкокристаллического датчика дыхания; влияние эффективной вязкости на чувствительность ячейки при комбинированном воздействии электрического поля и механических осцилляций; установлено подтверждение наличия коэффициента пропорциональности, оптического отклика и механических осцилляций; определены режимы работы чувствительного жидкокристаллического элемента в соответствии с алгоритмом преобразования оптического отклика ЖКЯ в спирограмму.

Главной задачей данной дипломной работы – амлитудно-частотная характеристика оптического отклика трёхсегментной жидкокристаллической ячейки (ЖКЯ) при комбинированном воздействии на неё механических возмущений и электрических напряжений. Конечным результатом должно служить преобразование оптического отклика жидкокристаллической ячейки в спирограмму.

Литературный обзор.

1.1. Особенности регистрации дыхания

Дыхание — газообмен кислорода и углекислого газа между клетками организма и окружающей средой — включает вентиляцию лёгких, лёгочный газообмен, транспорт газов кровью и тканевое дыхание. Без адекватных лёгочной вентиляции и газообмена невозможно обеспечение высокой эффективности других фаз дыхания, что приводит к развитию дыхательной недостаточности. Таким образом, исследование вентиляции лёгких и газообмена, наряду с определением парциального давления кислорода и углекислого газа в артериальной и венозной крови, являются основополагающими в диагностике дыхательной недостаточности. Основными параметрами внешнего дыхания, важными для диагностики, являются: жизненная емкость легких, дыхательный объем, глубина дыхания, полное время выдоха, частота дыхания, время достижения

максимальной скорости форсированного выдоха и др. Для регистрации указанных параметров используются различные аппараты и приборы: спирометры, спирографы, пневмотахометры и др.

Спирография— метод исследования функции легких путем графической регистрации во времени изменений их объема при дыхании. Это безвредный и достаточно информативный метод диагностики различных заболеваний дыхательной системы. С его помощью определяют ряд показателей, анализ которых позволяет оценить дыхательную функцию легких пациента. Наиболее часто определяемыми из вычисляемых показателей являются:

частота дыхания (ЧД) — число дыхательных движений за 1 мин. У здоровых людей этот показатель в среднем равен 16—17;
дыхательный объем (ДО) — объем воздуха, поступающего в легкие за один вдох. Этот показатель так сильно различается у разных людей, что самостоятельного диагностического значения не имеет. У мужчин он колеблется в пределах от 300 до 1200 мл, у женщин — от 250 до 800 мл;

3)минутный объем дыхания (МОД) — объем воздуха, поступающий в легкие за 1 мин. В среднем составляет от 4 до 10 л;

4)жизненная емкость легких (ЖЕЛ) — максимальный объем воздуха, выдыхаемого из легких при глубоком выдохе после максимально глубокого вдоха. У здоровых людей составляет от 2,5 до 7,5 л. Высокие показатели ЖЕЛ наблюдаются у пловцов;

5)объем форсированного выдоха за 1 с (ОФВ1) — максимальный объем воздуха, выдыхаемого из легких за 1 с при форсированном (усиленном) выдохе после максимально глубокого вдоха. Однозначно принятых за норму результатов этого измерения не существует, так как все зависит от аппаратуры, пола и возраста больных;

6) Резервные объёмы вдоха и выдоха (РОВД и РОВЫД) — максимальные объёмы, которые пациент может дополнительно вдохнуть или выдохнуть после спокойного вдоха или выдоха соответственно.

7)Общая ёмкость лёгких (ОЕЛ) равна сумме ЖЕЛ и ООЛ. ОЕЛ — максимальный объём, который могут вместить лёгкие на высоте полного вдоха. ООЛ составляет у молодых лиц 25-30% ОЕЛ, у пожилых — до 35%.

8) Остаточный объём лёгких (ООЛ) — объём воздуха, остающийся в лёгких после полного выдоха. Этот показатель не может быть измерен прямой спирометрией, для его определения используют методы разведения гелия или «вымывания» азота кислородом. Соответственно, спирометрией нельзя определить

9) Ёмкость вдоха (Е_ВД) равна сумме ДО и РОВД и соответствует объёму воздуха, вдыхаемого при спокойном глубоком вдохе.

Рис. 1.1.1 Спирограмма спокойного дыхания и дыхательный манёвр определения ЖЕЛ. [4]

Таблица 1.1.1 Параметры, определяемые во время спирометрии

Параметр		Пределы физиологических колебаний
ДО	Дыхательный объем	0.05 – 2.5 л
ЧД	Частота дыхания	8 – 80 в мин.
МОД	Минутный объем дыхания	1.5 – 12 л
Т_t	Длительность дыхательного цикла	0.75 – 7.5 с
ЖЕЛ_ВД	Жизненная емкость легких на вдохе	0.5 – 8.0 л
ЖЕЛ_ВЫД	Жизненная емкость легких на выдохе	0.5 – 8.0 л
РО_ВЫД	Резервный объем выдоха	0.1 – 1.5 л
РО_ВД	Резервный объем вдоха	0.1 – 3.5 л
Е_ВД	Емкость вдоха	0.2 – 5.0 л
ФЖЕЛ	Форсированная жизненная емкость легких	0.5 – 8.0 л
МВЛ	Максимальная вентиляция легких	5 – 200 л

Приборы для проведения спирометрии могут быть закрытого или открытого типа. Наиболее простая модель спирографа закрытого типа представляет собой герметичную емкость, соединяющуюся с регистрирующей частью с помощью подвижных мехоп. Спирограф заполнен кислородом. При выдохе пациента в спирограф в нем увеличивается количество кислорода, а при вдохе, наоборот, уменьшается. Это приводит к смещению мехов, движение передается на регистрирующую часть, и на бумаге вычерчивается кривая. Поступающий в спирограф при выдохе кислород очищается от оксида углерода специальными фильтрами, а убыль кислорода при вдохе больного восполняется из резервной емкости.

Никакой специальной подготовки пациента перед спирометрией не требуется, за исключением необходимости подробного разъяснения того, что и как он должен делать. При необходимости больному нужно продемонстрировать ход исследования.

Спирографию проводят в утренние часы, натощак или спустя 1—1,5 ч после завтрака. Рекомендуют воздержаться перед исследованием от курения и употребления крепкого чая и кофе. Если перед спирографией пациент принимал назначенные врачом лекарственные препараты, действующие на дыхательную систему, их отменяют за 6—24 ч до момента проведения спирографии. Если у пациента имеются съемные зубные протезы, то их не снимают перед исследованием, так как они воссоздают форму здоровых зубов и препятствуют утечке воздуха.

Исследование проводится в положении больного сидя перед спирографом. Высота сиденья должна регулироваться, чтобы было удобно пациенту, иначе результаты измерений могут искажаться. Одежда должна быть свободной, не стесняющей движения грудной клетки при форсированном дыхании.

Загубник должен хорошо фиксироваться больным во избежание утечки воздуха на протяжении всего исследования. С этой же целью на нос пациента накладывают специальный зажим.

Исследование начинается с записи спокойного дыхания пациента в течение 3—5 мин. В это время прибор регистрирует те показатели работы легких, которые не требуют форсированного дыхания: частоты дыхания и дыхательного объема. Затем делают перерыв на 1—2 мин, на время которого прибор отключают. После перерыва последовательно записывают параметры, связанные с форсированным дыханием, делая короткие перерывы (на 1 мин) после каждого измерения. Если для больного затруднительно быстро выполнять требуемые дыхательные маневры, перерыв между ними может быть увеличен. Во время измерения параметров, связанных с усилением дыхания, пациент может почувствовать головокружение из-за слишком большого поступления в легкие кислорода и резкого снижения в них уровня углекислого газа. После необходимого больному перерыва исследование может быть продолжено.

Для исследования функции внешнего дыхания [2]применяются также приборы открытого типа — пневмотахографы. Пневмотахографы регистрируют объемную скорость и объем вдыхаемого и выдыхаемого пациентом воздуха при спокойном и форсированном дыхании. Прибор преобразует расход воздуха в электрический сигнал и обрабатывает его, записывая данные в виде кривой. Этот метод редко применяется как самостоятельное исследование, чаще — в сочетании с другими методами оценки состояния дыхательной системы.

Рис. 1.1.2. Поток и объём во время форсированного выдоха

По оси абсцисс время, сек; по оси ординат: на графике слева — поток, л/сек; справа — объём, л. Пример исследования практически здорового человека.

Основное значение при проведении этого исследования имеет измерение кривой "поток — объем форсированного воздуха". Этот специальный термин, используемый врачами, означает, что особое внимание обращается на ту часть кривой, которая соответствует различным этапам форсированного выдоха. Это позволяет выявить ранние стадии заболеваний сопровождающихся нарушением проходимости бронхов, например бронхиальной астмы, бронхооктатической болезни, профессиональных заболеваний легких,

хронических обструктивных бронхитов. Исследование противопоказано при наличии у больного кровохарканья, болей в грудной клетке и других заболеваний и состояний, при которых невозможно проведение форсированного дыхания.

Параметры, определяемые пневмотахометрией, представлены в таблице 1.1.2.

Таблица 1.1.2. Параметры, определяемые пневмотахометрией

Параметр		Пределы физиологических колебаний
ФЖЕЛ	Форсированная жизненная емкость легких	0.5 – 8.0 л
ОФВ₁	Объем ФВ за первую секунду	0.4 – 7.0 л
ИТ	Индекс Тиффно (ОФВ₁/ ЖЕЛ)	–
ИГ	Индекс Генслора (ОФВ₁/ ФЖЕЛ)	–
СОС_25-75	Объемная средняя скорость выдоха на участке от 25% – 75% объема ФЖЕЛ	0.5 – 12.0 л/с
СОС_75-85	Объемная средняя скорость выдоха на участке от 75% – 85% объема ФЖЕЛ	0.2 – 2.0 л/с
ПОС_выд	Пиковая объемная скорость ФВ	0.5 – 15.0 л/с
МОС₂₅	Мгновенная объемная скорость ФВ на уровне 25% ФЖЕЛ	0.5 – 15.0 л/с
МОС₅₀	Мгновенная объемная скорость ФВ на уровне 50% ФЖЕЛ	0.2 – 12.0 л/с
МОС₇₅	Мгновенная объемная скорость ФВ на уровне 75% ФЖЕЛ	0.1 – 6.0 л/с
Т_ПОС	Время достижения ПОС ФВ	0.05 – 0.20 с
ФВ – форсированный выдох

Рис. 1.1.3.

График «поток-объём» форсированного выдоха

График форсированного выдоха [2] чаще всего строится в системе координат «поток-объём» (рис. 1.1.3), что имеет ряд преимуществ, поскольку позволяет одновременно оценить динамику потока и объёма выдоха. По оси абсцисс (горизонтальной) откладывается объём, а по оси ординат — поток. Удобно, если масштабы осей имеют соотношение, близкое к 1:2 (т.е. 1л ФЖЕЛ соответствует 2л/с по шкале потоков). В норме петля «поток-объём» здорового человек напоминает треугольник, основанием которого является ФЖЕЛ, а высотой — ПОСВЫД. ТПОС на этом графике не присутствует, поэтому его обычно указывают рядом.

Основное достоинство графика «поток-объём» для представления дыхательного манёвра состоит в том, что, кроме ПОС и ФЖЕЛ, он наглядно показывает МОС на разных уровнях ФЖЕЛ. СОС на этом графике также имеет очевидное графическое представление.

Никакой специальной подготовки перед проведением пневмотахографии не требуется. Врач просто разъясняет больному, что необходимо делать максимально глубокий спокойный вдох, а затем — максимально глубокий и быстрый выдох, напрягая диафрагму и межреберные мышцы.

Больного сажают на стул перед прибором, подключают его с помощью загубника, на нос накладывают зажим, как и при спирографии. На протяжении всего исследования не должно быть утечки воздуха. Затем больного просят сделать последовательно глубокий вдох и выдох. Попытку повторяют не менее 3—5 раз. Если выполнить исследование не удается, его повторяют через несколько часов или на следующий день.

В случае если у больного выявлены нарушения бронхиальной проходимости, регистрируют кривую "поток — объем форсированного вдоха". Для этого после максимального глубокого спокойного выдоха больному нужно сделать максимально глубокий и быстрый вдох. Попытку повторяют также не менее 3—5 раз, добиваясь наивысших значений показателей.

Современные пневмотахографы оснащены различными устройствами, позволяющими получать дополнительные характеристики функции внешнего дыхания.

Ниже представлены некоторые характеристики отдельных приборов:

Minispir Портативный usb-спирометр предназначен для измерения важнейших в диагностическом плане параметров внешнего дыхания. Подключается прямо к USB-порту Вашего компьютера. Не требует батареек и иных подключений. Внутренний температурный сенсор для автоматического учета условий измерения вентиляции легких.

Управляется программой winspiroPRO .

Управление спирометром из программы с простым интуитивно понятным интерфейсом.
- Отображение кривых поток/объем и поток/время в режиме реального времени.
- Оценка возраста легких.
- Сравнительный отчет до и после приема бронходилататора.
- Бронхопровакационный тест с FEV1-кривой зависимости от дозы.
- Интерпретация спирометрии с гарантией качества теста.
- Включает серии анимации для детей, стимулирующие выполнять тесты.
- Мощная база данных.
- Распечатка с полным отчетом спирометрии.
- Экспорт данных и графиков с возможность отправки по e-mail.[3]

Спирометр Спирос 100 облегчает проведение медикаментозных проб, предоставляя возможность сохранить в памяти прибора результаты спирометрии до применения исследуемого медикамента, а затем сравнить их с данными спирометрии после его введения. Результаты будут отображены на одном графике с расчетом динамики показателей ФВД. В измерительном тракте СпироС-100 нет подвижных элементов, что позволило уменьшить сопротивление дыханию, погрешность измерения, облегчить процедуру обслуживания спирометра и сделать его экономичным в эксплуатации.

Характеристики:

1. Измерение и расчет наиболее информативных показателей функции внешнего дыхания, включая ЖЕЛ, ФЖЕЛ, ПОС, МОС25%, МОС50%,
МОС 75%, СОС 25-75%, СОС75-85%, ОФВ1, ИТ, МВД МДО, ЧД, ДО,
РОвд., РОвыд,

2. Предусмотрена возможность расчета нормативных параметров ФВД по стандартам ECCS, Сгаро, Knudson.

3. Реализует новейшие достижения в диагностике функции внешнего дыхания.

Позволяет легко ввести данные пациента, условия проведения
исследования и получить распечатку результатов пробы в виде
графиков и таблиц измерений на встроенном термопринтере.
Память для 100 исследований.
Блок питания прибора одновременно выполняет функции
автоматического зарядного устройства. [3]

Спирометр MicroLab–небольшой настольный спирометр с возможностью определения 36 параметров вдоха и выдоха и распечаткой через встроенный термопринтер.

В спирометре используется уникальный двунаправленный цифровой датчик потока, отличающийся стабильностью и высокой точностью измерений.

Особенности
Портативные размеры
Графический дисплей
Встроенный термопринтер с возможностью распечатки в пяти различных форматах
Тестирование до и после приема бронходилятаторов
Представление кривых поток/объем, объем/время
Должные значения (от 7 лет)

Память на 1000 пациентов

Измерения: 36 параметров

Интерпретация, возраст легких

Возможность подключения к персональному компьютеру

Компьютерная программа SPIDA дополнительно

Прибор позволяет быстро и точно измерять сопротивление дыхательных путей и эффективность работы дыхательной мускулатуры (дыхательный привод), а также проводить риноманометрические исследования. В последнем случае удобство исследований обеспечивается, благодаря удачно разработанной конструкции носовых олив, которые подходят к носу любой формы. Наличие цветного ЖК-дисплея, позволяющего следить за выполнением пациентом дыхательных маневров и отображающего графики исследования и таблицы с измеренными параметрами.

Как видно из представленного обзора, ценную диагностическую информацию можно получить при исследовании динамических характеристик дыхательной системы, таких как частота дыхания, максимальный инспираторный поток и т.д. Для определения данных параметров часто применяют пневмотахометры, позволяющие получить зависимость избыточного давления от времени. При исследовании слабого дыхания в качестве чувствительного элемента пневмотахометра можно использовать жидкокристаллическую ячейку. В связи с этим представляет интерес исследование слоя ЖК при комбинированном воздействии нестационарного периодического перепада давления и управляющего напряжения. [4]

2. Технологический раздел.

2.1 Жидкий кристалл и классификация фазовых состояний.

Жидкокристаллическим (мезоморфным) состоянием вещества называется такое состояние, свойства которого являются промежуточными между свойствами твердого кристалла и жидкости. Согласно законам термодинамики, агрегатные состояния веществ подразделяются на три вида: твердое, жидкое и газообразное, однако такое разделение не отражает внутреннее строение вещества, степень упорядоченности его частиц. Некоторые вещества (стекла, смолы) обладают свойствами характерными и для твердых, и для очень вязких переохлажденных жидкостей. В частности, некоторые органические материалы переходят из твердого состояния в жидкое, испытывая ряд переходов, включающих образование новой фазы, которую называют жидкокристаллическим состоянием (жидким кристаллом)[1].

Впервые образование новой, необычной фазы было замечено австрийским ботаником Рейнитцером в 1888, когда он определял свойства полученного им нового органического вещества – холестерилбензоата. Это вещество плавится в две стадии: сначала образуется мутный расплав, а дальнейшее повышение температуры превращает этот расплав в прозрачную жидкость. При исследовании оптических свойств этого вещества было обнаружено, что при нагревании оно переходит из кристаллической фазы в жидкую через промежуточную форму с анизотропными оптическими свойствами. Интервал этого перехода достаточно велик и составляет 34°С.

Однако холестерилбензоат не уникальное вещество. Было найдено еще много таких же веществ и было предложено дать им название жидкие кристаллы (ЖК), а саму анизотропную фазу назвать мезофазой (от греческого слова мезос – промежуточный).

Долгое время жидкие кристаллы оставались экзотическими объектами исследований физиков и химиков, но в 1963 в США был запатентован метод регистрации ИК (инфракрасного) и СВЧ (сверхвысокочастотного) излучений с помощью тонкой пленки жидкого кристалла, который изменял цвет с нагреванием. Этот метод позволил создать производство надежных и экономичных цифровых и буквенных индикаторов, основанных на том, что тонкий слой жидкого кристалла помещается в соответствующую плоскую ячейку с прозрачными электродами. Под влиянием электрического поля, подаваемого на электроды, ЖК изменяет свой цвет и тогда осуществляется индикация. С этих пор ЖК находят все новые и зачастую неожиданные практические применения. В последнее время установлено, что ЖК имеют большое значение также и для решения фундаментальных проблем в биологии и медицине.

По своим общим свойствам ЖК можно разделить на две большие группы:

1) термотропные ЖК, образующиеся в результате нагревания твердого вещества и существующие в определенном интервале температур и давлений

2) лиотропные ЖК, которые представляют собой двух- или более компонентные системы, образующиеся в смесях стержневидных молекул данного вещества и воды (или других полярных растворителей). Эти стержневидные молекулы имеют на одном конце полярную группу, а большая часть стержня представляет собой гибкую гидрофобную углеводородную цепь. Такие вещества называются амфифилами (амфи – по гречески означает с двух концов, филос – любящий, благорасположенный). Примером амфифилов могут служить фосфолипиды.

Амфифильные молекулы, как правило, плохо растворяются в воде, склонны образовывать агрегаты таким образом, что их полярные группы на границе раздела фаз направлены к жидкой фазе. При низких температурах смешивание жидкого амфифила с водой приводит к расслоению системы на две фазы.

Одним из вариантов амфифилов со сложной структурой может служить система мыло-вода. Здесь имеется алифатический анион СН₃–(СН₂)_n–2–СО₂^– (где n ~ 12–20) и положительный ион Nа⁺, К⁺, NН₄⁺ и др. Полярная группа СО₂– стремится к тесному контакту с молекулами воды, тогда как неполярная группа (амфифильная цепь) избегает контакта с водой. Это явление типично для амфифилов.

Термотропные ЖК подразделяются на три больших класса:

1. Нематические жидкие кристаллы (НЖК). В этих кристаллах отсутствует дальний порядок в расположении центров тяжести молекул, у них нет слоистой структуры, их молекулы скользят непрерывно в направлении своих длинных осей, вращаясь вокруг них, но при этом сохраняют ориентационный порядок: длинные оси направлены вдоль одного преимущественного направления. Они ведут себя подобно обычным жидкостям. Нематические фазы встречаются только в таких веществах, у молекул которых нет различия между правой и левой формами, их молекулы тождественны своему зеркальному изображению (ахиральны). Примером вещества, образующего нематический ЖК, может служить :

Рис.2.1.1. Химическая структура N-(пара-метоксибензилиден)-пара-бутиланилин - НЖК

2. Смектические жидкие кристаллы (СЖК) имеют слоистую структуру, слои могут перемещаться друг относительно друга. Толщина смектического слоя определяется длиной молекул (преимущественно, длиной парафинового «хвоста»), однако вязкость смектиков значительно выше, чем у нематиков и плотность по нормали к поверхности слоя может сильно меняться.

Типичным является:

Рис.2.1.2. Химическая структура терефтал-бис(nара-бутиланилин) - СЖК

3. Холестерические жидкие кристаллы (ХЖК)– образуются, в основном, соединениями холестерина и других стероидов. Это нематические ЖК, но их длинные оси повернуты друг относительно друга так, что они образуют спирали, очень чувствительные к изменению температуры вследствие чрезвычайно малой энергии образования этой структуры (порядка 0,01 Дж/моль). В качестве типичного холестерика можно назвать:

Рис.2.1.3. Химическая структура амил-пара-(4-цианобензилиденамино)- циннамат - ХЖК

Холестерики ярко окрашены и малейшее изменение температуры (до тысячных долей градуса) приводит к изменению шага спирали и, соответственно, изменению окраски ЖК.

Во всех приведенных типах ЖК характерным является ориентация дипольных молекул в определенном направлении, которое определяется единичным вектором

 называемым «директором».

Самые "кристаллические" среди жидких кристаллов - смекатические. Для смектических кристаллов характерна двумерная упорядоченность. Молекулы размещаются так, чтобы их оси были параллельны. Более того, они "понимают" команду "равняйся" и размещаются в стройных рядах, упакованных на смектических плоскостях, и в шеренгах - на нематических, что поясняет рис. 2.1.4а. Смектическим жидким кристаллам свойственно многое из того, о чем пойдет речь ниже, и нечто особенное - долговременная память.[6]
Записав, например, изображение на такой кристалл, можно затем долго любоваться "произведением". Однако эта особенность смекатических кристаллов для воспроизводящих элементов индикационных устройств, телевизоров и дисплеев не слишком удобна. Тем не менее, они находят применение в промышленности, к примеру, в индикаторах давления.

Упорядоченность нематических сред ниже, чем у смектических. Молекулам дозволено смещаться относительно длинных осей, поэтому упорядоченность становится "односторонней", а реакция на внешнее воздействие относительно быстрой, память - короткой. Смектические плоскости отсутствуют, а вот нематические сохраняются. Эту особенность нематиков поясняет рис. 2.1.4б.

Рис 2.1.4. Схематическое изображение расположения молекул

Термин "холестерические жидкие кристаллы" не случаен, поскольку наиболее характерным и на практике самым используемым кристаллом этого класса является печально известный холестерин. Молекулы холестерина и аналогов размещаются в нематических плоскостях. Особенность молекул холестерического типа в том, что при достаточно сильном боковом притяжении их вершины отталкиваются. Поэтому энергетически выгодным для них становится такое размещение, когда длинные оси молекул несколько развернуты. Это условно поясняет рис. 2.1.4в. Поэтому к плоскостному размещению добавляется винтообразная структура, ортогональная нематическим плоскостям. Иногда холестерическую структуру размещения называют твист эффектом.

2.2. Способы получения различной ориентации директора в жидкокристаллических ячейках.

Существуют различные способы получения строго однородной ориентации директора в тонких слоях (от 5 до 200 мкм толщиной) нематического жидкого кристалла.

Отметим, что ориентация директора может быть:

- планарной, когда вектор директора параллелен одному из направлений плоскости подложки,

- гомеотропной, когда вектор директора перпендикулярен плоскостям подложки,

- наклонной, когда вектор директора образует определенный полярный угол со стенками подложки (0<θ<π/2), а также способность образовывать твист-структуры с изменяющимся по толщине азимутальным углом. [7]

Для конкретного образца жидкого кристалла положение директора определяется граничными условиями, а также внешними полями, используя которые можно получить однородную по кристаллу ориентацию директора. На основании этого выделяются две основные группы методов получения тонких образцов.

Первая из них основана на взаимодействии жидкости со стеклянными стенками подложки, а вторая - на применении внешних полей, в первую очередь магнитных и электрических.

Гомеотропная ориентация реализуется за счет взаимодействия концевых групп жидкого кристалла с поверхностно активным веществом (ПАВ), химически связанным с подложкой. Взаимодействие жидкого кристалла с подложкой зависит от природы обоих. На поверхности стекла присутствуют в основном силоксановые и силанольные группы

O OH OH

Blog