Ciekłe kryształy - zbiór wiadomości

Strona naszkicowana na podstawie notatek do seminarium, więc trochę niespójna. Opisuje podstawy:

Historia
Powstawanie
Właściwości
Zastosowania

Definicja(wstępna) Substancje posiadające uporządkowanie dalekiego rodzaju (jak kryształy) a równocześnie nie tracące właściwości cieczy.

Historia:

Ok. roku 1850 Virchow, Mettenheimer and Valentin badając materiał zobaczyli jego dziwne zachowanie pod mikroskopem polaryzacyjnym( nie zdawali sobie sprawy ze jako pierwsi obserwują nowy stan materii). Później w 1877 Otto Lehman badając różne substancje pod mikroskopem polaryzacyjnym zaobserwował fazę pośrednią miedzy kryształem i cieczą. Podobne doświadczenia przeprowadzał Fridrich Reinitzer i on jako pierwszy zasugerował, że mętna ciecz to nowy stan skupienia. W 1890 Gatterman zsyntetyzował pierwszy ciekły kryształ p-azoksyanizol (PAA), nastąpiła gwałtowna faza syntetyzowania nowych ciekłych kryształów. Na przełomie stuleci intensywne badania na c.k. prowadził George Freidel, który wyjaśnił niektóre zjawiska ich dotyczące (np.: orientowanie pod wpływem zew. Pola) I zaproponował klasyfikację, której używamy do dzisiaj. Tuż przed drugą wojną światową Oseen and Zöcher przedstawili matematyczne teorie ciekłych kryształów. Przełom w badaniach nastąpił ok, 1950 kiedy Brown in America, Chistiakoff in the Soviet Union and Gray and Frank in England przedstawili proste zastosowania techniczne, wtedy także pojawiła się spójna teoria mikroskopowa ciekłych kryształów sformułowana prze Meiera. 1968 pierwszy LCD. Ciekłe kryształy zostały odkryte w roku 1888 przez Friedricha Reinitzera (Austria) który podczas topienia kryształu benzoesanu cholesterylu zaobserwował dwa etapy przechodzenia kryształu w ciecz. W temperaturze 145C kryształ rozpuszcza się tworząc mętną ciecz, a w temp 175C mętna ciecz zmienia się w zwykły płyn. Rok później Lehman wprowadził pojęcie ciekłego kryształu. Początkowo ciekłe kryształy były traktowane jako ciekawostka bez większych możliwości do zastosowania. Rozwój wiedzy o nich zawdzięczamy Friedelowi, który w 1922r. zaproponował klasyfikacje ciekłych kryształów i dodatkowo pokazał, że właściwości ciekłych kryształów (anizotropia optyczna, elektryczna) mogą znaleźć zastosowanie.

spis treści

Jak powstają ciekłe kryształy

Wiemy, że istnieją 3 stany skupienia:....
Budowa Kryształu:
Cząsteczki są uporządkowane silnie ze sobą oddziaływują ale ich drgania mają bardzo mała amplitudę drgań ok. 0.1 A, cząstki nie mogą się swobodnie przemieszczać. Z kolei w gazie ruch jest całkowicie swobodny oddziaływania tylko w momencie zderzeń ruch przypadkowy góruje nad siłami przyciągania. Ciecz to najciekawszy stan materii istnieją w nim lokalne strefy uporządkowania klastry.
Ogrzewając kryształ powodujemy, że energia drgań(fluktuacje termiczne) jest większa niż energia oddziaływań wzajemnych cząstek, powoduje to zburzenie uporządkowania dalekiego stopnia- powstaje ciecz. W cieczy też są miejsca uporządkowania tzw. agregaty(klastry) jednak ich wielkość jest niewielka i nie ma wpływu na właściwości makroskopowe. W szczególnym przypadku może się jednak zdarzyć, że cząsteczki cieczy będą ze sobą oddziaływać i powstanie pewien rodzaj uporządkowania( np.: długie cząsteczki nie będą miały możliwości rotacji wokół swojej osi krótkiej, co ograniczy ich translacje i spowoduje powstanie uporządkowania)
Uwaga: Nie można z góry powiedzieć czy dana substancja będzie posiadała ciekło krystaliczną, ale jest to bardziej prawdopodobne, gdy mamy do czynienia z cząsteczkami długimi i zawierającymi grupy benzenowe. Bardziej skomplikowane są przypadki długich cząsteczek: Biopolimery, wirusy, DNA - to także są ciekłe kryształy!

Podział ciekłych kryształów

Dzielimy ze względu na budowę na:

· nemetyczne (gr. nema - nić): molekuły pozostają względem siebie równoległe, nie mają żadnych innych ograniczeń w przesuwaniu się, charakteryzują się małą lepkością
· smektyczne (gr. smektos - mydło):równoległe do siebie molekuły ułożone są warstwami, długie osie cząsteczek prostopadłe do powierzchni warstwy, najbardziej przypominają kryształy
· cholesterolowe (nazwa od estrów cholesterolowych) warstwy molekuł o osiach długich wzajemnie równoległych, molekuły następnej warstwy skręcone są o pewien kąt, tworzy się struktura śrubowa. Powodem skręcenia jest dodatkowa grupa(tzw. przeszkoda sferyczna) w łańcuchu, czasami zaliczane do nemetyków dł. cząstki 20A, skok spirali 5000A, bardzo ciekawe optycznie.
Powyższe typy ulegają dalszym podziałom np.: smektyki mają A-G grup, a także chiralne ciekłe kryształy

Podział ze względu na pochodzenie:
· termotropowe
· liotropowe

Budowa chemiczna:

Ciekłymi kryształami mogą być:
· małe molekuły organiczne, dość sztywne molekuły zawierają pierścień benzenowy(CH*6), należą tu także steroidy, czasami bardzo podobne związki nie tworzą mezomorfików!,
· duże związki organiczne: DNA, wirus mozaiki tytoniowej(wydłużony), polipeptydy, są to kryształy liotropowe
· micele i lamele związków amififlowych (hydrofobowa + hydrofilowa) lipidy błon komórkowych

spis treści

Właściwości ciekłych kryształów

Anizotropia właściwości fizycznych
Anizotropia - różne wyniki pomiarów wielkości w zależności od konta pomiaru wielkości Logiczne wydaje się ze wielkość mierzona wzdłuż uporządkowanych cząstek będzie inna niż w kierunku prostopadłym (tak rzeczywiscie jest np.: przewodnictwo, współ. dyfuzji) Model continuum (ośrodek ciągły) kierunek uporządkowania zmienia się w sposób ciągły, brak domen. Pojęcie direktora (n) - wskaźnik uporządkowania, wskazuje lokalny kierunek (hipoteza domenowa) uporządkowania, nie podaje żadnych więcej informacji, ważny jest tylko kierunek nie zwrot.
Pojęcie uporządkowania:
S=1/2<3cos^2(A)-1>
Wartość uporządkowania waha się w zakresie 0.3-0.9 (1-kryształ 0-izotropowa) i oznacza stopień uporządkowania (pojawienie się anizotropowości) dla kryształów smektycznych funkcja jest bardziej skomplikowana -musi uwzględniać regularność budowy warstwowej Oczywiste jest, że S spada, gdy T rośnie, spadek do zera (ciecz izotropowa) odbywa się skokowo. Wielkość anizotropii to różnica wielkości fizycznej mierzonej równolegle do direktora i prostopadle do niego np.: e=e||-eű
Anizotropia może być dodatnia lub ujemna

Ciekłe kryształy wykazuje anizotropowość następujących parametrów:
- stała dielektryczna i diamagnetyczna(PAA ma ujemną,)
- przewodnictwa (10^-10 Ohm./cm, przewodnictwo typu jonowego, ze wzrostem temp anizotropia maleje, duży prąd powoduje rozkład kryształu(monitory LCD-niekorzystne), mały prąd powoduje porządkowanie direktora)
- optyczna (współczynnik załamania)
- podatność elektryczna i magnetyczna
- lepkość(problem opisu współczynniki Mięsowicza przepływy równolegle do direktora, prostopadle do direktora, ale równoległy do ścianek, równoległy do direktora, ale prostopadły do ścianek, bardziej złożony opis to współczynniki Lesliego, PAA Mięsowicz 3,4; 2,4; 9,2 płazów)

Ciekawe własności fizyczne ciekłych kryształów:
· fluktuacje termiczne (lokalne zmiany gęstości ciekawe pod mikroskopem polaryzacyjnym
· zachowanie anizotropii dielektrycznej w polu o zmiennej częstotliwości, kiedy cząstki ciekłego kryształu nie nadążają ze zmianami (-/+)
· niestabilności elektrodynamiczne (wirowe przepływy towarzyszące przewodnictwu dużego prądu)
· orientacja molekuł pod wpływem pola
· orientacja na granicy faz (stałe-kryształ)
Właściwości optyczne:
· dwójłomność optyczna (typowa dla kryształów) wiadomo, o co chodzi ne i no -dwa współczynnik załamania światła, zależy od kierunku drgań E względem osi optycznej
· selektywne odbicie światła odbiciu towarzyszy załamanie (tekstura Grandjeana) w zależności od kata obserwacji widzimy różne kolory (fiolet-czerwony) przykład żuków o opalizujących pancerzach (cholesterylowe c.k. rozpuszczone w lipidach)
· skręcenie płaszczyzny polaryzacji (bardzo mocny efekt dla kwarcu bardzo aktywnego optycznie skręcenie 20st/1mm, dla ciekłych kryształów cholesterolowych 10000st/1mm, kierunek skręcenia zazwyczaj w lewo (prawoskrętny tylko chlorek cholesterylu)- łatwo to wytłumaczyć - działanie śruby.
· Dichroizm kołowy
· Ciekle kryształy mogą stanowić siatki dyfrakcyjne

spis treści

Zastosowania ciekłych kryształów

Zastosowania biologiczne
Całe życie to zbiór procesów chemicznych zachodzących w płynach. Wspominanie już DNA, steroidy, itd. Budowa błony białkowo lipidowej. Przykład błony komórkowej składającej się z lipidów i białek.(folia) struktura smektyczna Ciekłe kryształy są z natury uporządkowane, co zapewnia, że błona się nie rozsypie (wzmocniona białkami), a jednocześnie są elastyczne. Lipid zawiera grupę hydrofilową (mają grupy polarne OH, COOH) i hydrofobową (węglowodory), więc rozpuszczają wszystko (zgodnie z zasadą swój do swego) tzw. związki amififilowe. Są to kryształy liotropowe, ale mogą też zmienić fazę pod wpływem temperatury ok. 42 C zatrzymuje działanie niektórych błon. Bardzo ważne z punktu widzenia farmakologii. Konieczne jest żeby lek mógł się dostać do wnętrza kom. (psychotropy, znieczulające, LSD)
Zastosowania techniczne
Ciekłe kryształy są bardzo szeroko stosowane to jedno z największych obok półprzewodników odkryć współczesnej techniki.
· Monitory ciekło krystaliczne (do rozszerzenia NET)
· Wykrywanie uszkodzeń struktury (warstwy nemetyków): polewamy tafle szklaną nematykiem czekamy, czyścimy, ale cześć zostaje w ew. uszkodzeniach(pęknięciach), obserwując taki układ pod mikroskopem widzimy ciemną plamę dobrej powierzchni i kolorowe paski uszkodzeń
· Podobne zjawisko (przyjmowanie przez kryształ kształtów powierzchni) wykorzystywane jest w układzie do wykrywania wąglika.

... i to tyle. Zamiesczam również folie jak komuś bardzo bu zależało, ale tylko te czarno białe. Oraz kompletny tekst seminarium w postaci spakowanego worda