Introducere n cristale lichide Studiul de cristale lichide a nceput n 1888 atunci cnd un botanist austriac Friedrich Reinitzer a observat c un material cunoscut sub numele de cholesteryl benzoat avut dou puncte distincte de topire. n experimentele sale, Reinitzer a crescut temperatura a unui eantion solid i am urmrit schimbarea de cristal intr-un lichid tulbure. Deoarece el a crescut temperatura n continuare, materialul a schimbat din nou ntr-un lichid clar, transparent. Din acest motiv munc mai devreme, Reinitzer este deseori creditat cu descoperirea unei noi faze a materiei - cu cristale lichide faza.Materiale cu cristale lichide sunt unice n proprietile lor i utilizrile. Deoarece cercetarea n acest domeniu continu i n noi aplicaii sunt dezvoltate, cristale lichide va juca un rol important in tehnologie moderna. Acest tutorial ofera o introducere n domeniul tiinei i al cererilor de aceste materiale.Care sunt Cristale lichide?Materiale cu cristale lichide au, n general, cteva caracteristici comune. Printre acestea se numr o structura moleculara tija-cum ar fi, rigidness a axei lungi, puternice i dipoli i / sau substitueni pur polarizable.Caracteristica distinctiv al statului cristalin lichid este tendina de molecule ( mesogens ) la punctul de-a lungul unei axe comune, numit director . Acest lucru este n contrast cu molecule n faza lichid, care nu au nici o ordine intrinsec. n stare solid, moleculele sunt foarte ordonate si au puin libertate de translaie. Ordinea orientational caracteristic a statului cu cristale lichide este ntre fazele tradiionale solide i lichide i acest lucru este originea statului mesogenic termen, folosit ca sinonim cu cristale lichide de stat. Not alinierea medie a moleculelor pentru fiecare etap n urmtoarea diagram. Uneori este dificil de a determina dac un material este ntr-o stare de cristal cristal sau lichide. Cristalin materiale pentru a demonstra pe distane lungi periodice n trei dimensiuni. Prin definiie, un izotropic lichid nu are nici o comand orientational. Substanele care nu sunt la fel de ordonate ca un solid, dar au un anumit grad de aliniere sunt corect numite cristale lichide.Pentru a cuantifica exact cat de mult este prezent pentru a ntr-un material, un parametru de comand (S) este definit. n mod tradiional, parametrul ordine este dat, dup cum urmeaz: n cazul n care theta este unghiul dintre regizor i axa lung de fiecare molecul. Paranteze indica o medie de peste tot din molecule din eantion. ntr-un lichid izotrop, medie a termenilor cosinus este zero, i, prin urmare, pentru parametrul este egal cu zero. Pentru un cristal perfect, pentru parametrul evalueaza la unu. Valorile tipice pentru parametrul de comand a unei game cristale lichide, ntre 0,3 i 0,9, cu valoarea exact funcie de temperatur, ca rezultat al micrii moleculare cinetice. Acest lucru este ilustrat mai jos, pentru un material nematic cu cristale lichide (care urmeaz s fie discutate n seciunea urmtoare). Tendina de a moleculelor cu cristale lichide de la punctul de-a lungul director conduce la o stare cunoscut sub numele de anizotropie . Acest termen nseamn c proprietile unui material depinde de directia in care acestea sunt msurate. De exemplu, este mai uor s taie o bucat de lemn de-a lungul cereale dect mpotriva sa. Natura anisotropic de cristale lichide este responsabil pentru proprietile unice optice exploatate de ctre oamenii de tiin i ingineri ntr-o varietate de aplicaii.Caracterizarea Cristale lichideUrmtorii parametri descrie structura cu cristale lichide:-Pozitional comenzii-Orientational comenzii-Bond Orientational comenziiFiecare dintre aceti parametri descrie msura n care proba de cristal lichid este comandat. Pentru pozitional se refer la msura n care o molecul medie sau un grup de molecule prezinta simetrie de translaie (dup cum o arat cristalin material). Orientational ordine, aa cum sa discutat mai sus, reprezint o msur de tendina de a moleculelor pentru a alinia de-a lungul directorului pe o baz pe distane lungi. comenzii Bond Orientational descrie o linie care unete centrele de cel mai apropiat vecin-molecule, fr a necesita o distan regulat de-a lungul acelei linii. Astfel, un relativ raz lung de aciune, pentru cu privire la linia de centre, dar numai pentru intervalul scurt de poziie de-a lungul acelei linii. (A se vedea discuia din faze hexatic ntr-un text, cum ar fi Chandrasekhar, Cristale lichide)Cei mai muli compui cu cristale lichide prezint polimorfism , sau o afeciune n cazul n care mai mult de o faz se observ n stare cristalin lichid. Termenul mesophase este folosit pentru a descrie "subphases" de materiale cu cristale lichide. Mesophases sunt formate prin schimbarea valorii de ordine n eantion, fie prin impunerea ordinea n doar una sau dou dimensiuni, sau permind moleculelor s aib un grad de micarea de translaie. Seciunea urmtoare descrie mesophases de cristale lichide mai n detaliu.Fazele cu cristale lichideDe stat cu cristale lichide este o etap distinct a materiei observate ntre cristalin (solid) i izotrop (lichid) state. Exist mai multe tipuri de lichide state cristal, n funcie de cantitatea de ordinea n material. Aceast seciune va explica i comportamentul de faz de materiale de cristal lichid.Fazele NematicNematic faza de cristal lichid este caracterizat prin molecule care nu au nici pentru poziional, dar tind s punct n aceeai direcie (de-a lungul director). n diagrama de mai jos, observai c punctul de moleculele sunt aranjate vertical, dar cu nici o ordine anume. Cristale lichide sunt anizotrope materiale, precum i proprietile fizice ale sistemului variaz n funcie de alinierea medie cu directorul. Dac alinierea este mare, materialul este foarte anizotrop. n mod similar, n cazul n care alinierea este mic, materialul este aproape izotrop.Tranziia de faz a unui cristal lichid nematic este demonstrat n filmul urmtor, cu condiia de Dr. Mary Neubert, LCI-KSU. Faza de nematic este vzut ca textura marmorat. Uita-te ca temperatura a materialelor este ridicat, determinnd o tranziie ctre lichid negru, izotrop. O clas special de cristale lichide nematic se numete nematic chirale. chirale se refera la abilitatea unica de a reflecta selectiv o component a luminii polarizate circular. Nematic Termenul chiral este folosit alternativ cu cholesteric. Se refer la seciunea privind cristale lichide cholesteric pentru mai multe informaii despre aceast mesophase.Fazele SmecticCuvntul "smectic" este derivat din cuvntul grecesc pentru spun. Aceast origine aparent ambigue se explic prin faptul c substana gros, alunecos adesea gsite la partea de jos a vasului sapun este de fapt un tip de cristale lichide smectic.Smectic de stat este un alt mesophase distinct de substane cu cristale lichide. Moleculele n aceast faz arat un grad de ordine translatie nu sunt prezente n nematic. n starea smectic, moleculele menine ordinea general orientational de nematics, dar, de asemenea, tind s se alinieze n straturi sau avioane. Propunerea se limiteaz la cadrul acestor avioane, avioane separate, i sunt respectate pentru a fluxului de trecut unul pe altul. Pentru a crescut nseamn c statul smectic este mai "solid-like" dect nematic. Poz de o faz de smectic(Folosind microscop de polarizare)Muli compui sunt respectate pentru a forma mai mult de un tip de faze smectic. Aa cum muli ca 12 din aceste variante au fost identificate, ns numai fazele cele mai distincte sunt discutate aici.n smectic-A mesophase, directorul este perpendicular pe planul smectic, i nu exist nici o ordine anume poziional n strat. n mod similar, orienteaz smectic-B mesophase cu regizorul perpendicular pe planul smectic, dar moleculele sunt aranjate ntr-o reea de hexagoane n cadrul stratului. n smectic-C mesophase, moleculele sunt aranjate ca n smectic-A mesophase, dar directorul este la un unghi de nclinare constant msurat n mod normal, cu planul smectic. Imagine a smectic o faz Fotografie din smectic o faz(Folosind microscop de polarizare) Imagine a fazei smectic C Fotografie din faza smectic C(Folosind microscop de polarizare)Ca i n nematic, smectic-C mesophase are o stare chiral desemnat C *. n concordan cu smectic-C, regizorul face un unghi de nclinare cu privire la stratul de smectic. Diferena este c acest unghi se rotete de la un strat la formnd o spirala. Cu alte cuvinte, director al smectic-C * mesophase nu este paralel sau perpendicular pe straturi, i se rotete de la un strat la altul. Not rsucire a directorului, reprezentat de sgei verzi, n fiecare strat n urmtoarea diagram. O reprezentare schematic a unui smectic C * faz (stnga), i o vedere la aceeai faz, dar de-a lungul axei (dreapta).n unele mesophases smectic, moleculele sunt afectate de diferitele straturi de mai sus i mai jos le. Prin urmare, o cantitate mic de trei ordine dimensional este observat. Smectic-G este un exemplu care s demonstreze acest tip de aranjament.Fazele CholestericCholesteric (sau chiral nematic) lichide faza de cristal este de obicei compus din molecule nematic mesogenic care conin un centru chiral care produce fore intermoleculare care favorizeaz alinierea ntre molecule, la un unghi uor unul de altul. Acest lucru conduce la formarea unei structuri care pot fi vizualizate ca un teanc de foarte subtire 2-D nematic-ca straturi cu directorul n fiecare strat rsucite cu privire la cele de mai sus i mai jos. n aceast structur, directorii de fapt, forma ntr-un model elicoidal continuu despre strat normal dup cum este ilustrat de sgeat neagr n figura urmtoare i animaie. Sgeat neagr n animaie reprezint orientarea director n succesiunea de straturi de-a lungul stiv. Moleculele prezentate sunt doar reprezentri ale mesogens multe chiral nematic situat n plci de grosime infinitezimal cu o distribuie de orientare n jurul valorii de director. Acest lucru nu trebuie s fie confundat cu aranjament planar gsite n mesophases smectic.O caracteristic important a mesophase cholesteric este teren . Smoal, p, este definit ca distana este nevoie pentru regizorul pentru a roti o rotire complet n helix cum este ilustrat n animaie de mai sus. Un produs secundar a structurii elicoidale a fazei nematic chiral, este capacitatea sa de a reflecta selectiv lumina de lungimi de und egal cu lungimea terenului, astfel nct o culoare va fi reflectata atunci cnd pas este egal cu lungimea de und corespunztoare de lumin n spectrul vizibil. Efectul se bazeaz pe dependena de temperatur a, la schimbarea treptat n orientare director ntre straturi succesive (ilustrat mai sus), care modific lungimea pas duce la o modificare de lungimea de und a luminii reflectate in functie de temperatura. Unghiul la care modificrile directorul pot fi fcute mai mari, i, astfel, strngei pas, prin cresterea temperaturii de molecule, prin urmare, oferindu-le mai mult energie termic. n mod similar, n scdere de temperatur a moleculelor creste lungimea pas de cristal lichid nematic chirale. Acest lucru face posibil de a construi un termometru cu cristale lichide, care afieaz temperatura mediului su de culoare reflectat. Amestecuri de diferite tipuri de aceste cristale lichide sunt adesea folosite pentru a crea senzori cu o mare varietate de rspunsuri la schimbrile de temperatur. Astfel de senzori sunt utilizate pentru termometre de multe ori sub forma de filme sensibile la cldur pentru a detecta defectele n conexiunile plac de circuit, modele de fluid de curgere, starea de baterii, prezena de radiaii, sau n noutati, cum ar fi "starea de spirit" inele. n fabricarea de filme, deoarece punerea chiral cristale lichide nematic direct pe un fond negru ar duce la degradarea i, probabil, contaminare, cristalele sunt micro-incapsulate in particule de dimensiuni foarte mici. Particulele sunt apoi tratate cu un material cu caracter obligatoriu, care va contracta la intarire, astfel nct pentru a aplatiza microcapsules i produce cele mai bune de aliniere pentru culori mai luminoase. O cerere a unei clase de cristale lichide chiral nematic, care sunt sensibile din punct de temperatur mai este crearea de materiale cum ar fi haine, ppui, cerneluri i vopsele. Lungime de und a luminii reflectate poate fi, de asemenea, controlate prin ajustarea compoziia chimic, deoarece cholesterics poate consta fie exclusiv din molecule chirali sau de molecule nematic cu un dopant chiral dispersate pe ntreg. n acest caz, concentraia dopant este folosit pentru a ajusta chiralitate i, astfel, pe teren.Fazele piloane Piloane cristale lichide sunt diferite de tipurile anterioare, deoarece acestea sunt in forma de discuri in loc de tije lungi. Acest mesophase se caracterizeaz prin coloane aezate de molecule. Coloanele sunt ambalate mpreun pentru a forma un tablou bidimensional cristalin. Aranjament a moleculelor n cadrul coloanele i de amenajare a coloanelor se duce la mesophases noi.Faza de tranziie de simulareSimularea urmtoare demonstreaz comportamentul de faz de materiale de cristal lichid. Aa cum sa artat, temperatura determin faza a materialului. Modificri n faza de cristale lichideVezi macroscopicMicroscopie optica de polarizare este un instrument standard n identificarea fazelor cu cristale lichide i tranziii de faz, dar necesit o experien considerabil, n special n studiul de noi materiale i mai puin familiare.Filmul urmtor, cu condiia de Dr. Mary Neubert, LCI-KSU, prezint o vedere de o tranziie de faz de cristal lichid real. Uita-te ca material, iniial n stare nematic, schimb brusc n forma cristalin solide ca temperatura este sczut. X-Rays oferi un mijloc mult mai definitive pentru identificarea de mesophases, dar nu ne alege pentru a discuta despre aceste metode aici.Calorimetrie de scanare diferenialCalorimetria de scanare diferenial (DSC) este un instrument util care completeaz metodelor optice n studiul tranziiilor de faz lichid cristal. Utilizarea acestuia n determinarea energiei termice furnizate sau extrase n timpul unui proces, cum ar fi o tranziie de faz este discutat n proprietatile termice ale polimerilor.n urmtoarele dou cifre, amenajate de ctre Prof. Charles Rosenblatt (Departamentul de Fizica, Case Western Reserve University), DSC urme obinute cu un eantion mic de 8 OCB (octyloxy cyanobyphenyl), la o rat de 1 C / min sunt afisate la ilustra utilizarea sa cu cristale lichide. Curba de jos din figura (a) corespunde unui proces de nclzire. Aceasta este urmat de un proces de rcire, reprezentat n curba superioar.O diagram bar faz care ilustreaz procesul de nclzire este amplasat chiar deasupra axei de temperatura (la o presiune atmosfer). Aceasta include un cristal de cristale lichide (smectic A) de tranziie la 55 C, urmat de o smectic abia detectabil de tranziie de la A la nematic la 67 C i, n final trecerea la nematic izotropic (NI), n apropiere de 80 C. De sus, curba de rcire, prezinta o deplasare uoar a tranziiei NI, parial din cauza histerezis supraracirea i parial instrumentale atribuite la rata de scanare de temperatur. Smectic de tranziie de la A la cristal este puternic deprimat din cauza supraracirea de smectic o faz. Astfel, diagrama de faza pentru procesul de rcire nu ar fi identic cu cea pentru nclzire. Figura (a): complot DSC cu diagrama de fazFigura (b) este o repetare a acestui termen, ncepe s termic la o temperatur mai mare de cristal pentru a smectic O tranziie, astfel nct o mai mare sensibilitate ar putea fi angajat. Acest lucru face ca A smectic de tranziie pentru a nematic mai vizibile i ilustreaz capacitatea de a metodei DSC este detectarea efecte subtile. Figura (b): DSC complot Influene externe asupra cristale lichideOamenii de tiin i inginerii sunt capabili de a folosi cristale lichide ntr-o varietate de aplicatii, deoarece externe perturbare poate cauza modificri semnificative n proprietile macroscopice ale sistemului de cristale lichide. Ambele cmpuri electrice i magnetice pot fi utilizate pentru a induce aceste modificri. Magnitudinea de domenii, precum i viteza cu care moleculele de aliniere sunt importante caracteristici ocup cu industria. n cele din urm, tratamente speciale de suprafa pot fi utilizate n dispozitive cu cristale lichide pentru a fora orientrile specifice ale directorului .Efectele cmpului electric i magneticRspunsul a moleculelor de cristal lichid pentru a un cmp electric este caracteristic major utilizate n aplicaii industriale. Capacitatea de a directorului pentru a alinia de-a lungul unui cmp extern este cauzat de natura electrica a moleculelor. Dipolii Permanent electric rezultat atunci cnd un capt al unei molecule are o taxa de net pozitiv, n timp ce cellalt capt are o taxa de net negativ. Atunci cnd un cmp electric extern este aplicat cu cristale lichide, moleculele de dipol tind s se orienteze pe direcia de pe cmp. n urmtoarea diagram, Sagetile negre reprezinta vectorul cmp electric i sgei roii arat cele vigoare electrice pe molecula. Chiar dac o molecul nu formeaz o dipol permanent, acesta poate fi nc influenate de un cmp electric. n unele cazuri, domeniul produce uoar re-aranjament a electronilor i protonilor n molecule astfel c rezultatele induse de dipol electric. Dei nu la fel de puternic ca dipoli permanent, cu orientare n domeniul extern nc apare.Efectele cmpurilor magnetice asupra moleculelor cu cristale lichide sunt similare la cmpuri electrice. Deoarece cmpurile magnetice sunt generate de deplasarea sarcinilor electrice, dipolii permanent magnetice sunt produse de electroni se deplaseaz despre atomi. Atunci cnd un cmp magnetic este aplicat, moleculele vor tinde s se alinieze cu sau mpotriva domeniu. (A se vedea Chandrasekhar, 1992, pentru discuii ulterioare)Preparate de suprafan absena unui cmp extern, director al unui cristal lichid este liber s punct n orice direcie. Este posibil, totui, pentru a fora directorul de la punctul ntr-o anumit direcie prin introducerea unui agent din afara sistemului. De exemplu, atunci cnd un strat subtire polimer (de obicei, o poliimid) se intinde pe un substrat de sticla si frecat ntr-o singur direcie, cu o crp, se observ faptul c moleculele de cristale lichide n contact cu aceast suprafa alinia cu direcia de frecare. Mecanismul prezent Acceptm pentru acest lucru este considerat a fi o creterea epitaxial a straturilor de cristale lichide pe lanurile de polimer parial aliniat n straturile superficiale aproape de poliimid.Freedericksz de tranziieConcurena ntre orientarea ctre produse de suprafa i ancorarea de efecte de cmp electric este adesea exploatat n dispozitive cu cristale lichide. Luai n considerare n cazul n care moleculele de cristale lichide sunt aliniate paralel cu suprafaa i un cmp electric este aplicat perpendicular pe celul ca n diagrama de mai jos. La nceput, dup cum cmpul electric crete n mrime, nici o schimbare n aliniere apare. Cu toate acestea, la o magnitudine prag de cmp electric, deformare apare. Deformare are loc n cazul n care directorul schimb orientarea de la o molecula la alta. Apariia unei astfel de schimbare de la un aliniat la un deformat de stat se numete de tranziie Freedericksz i pot fi, de asemenea, produs prin aplicarea unui cmp magnetic suficient de puternic. De tranziie Freedericksz este fundamental pentru funcionarea afieaz mai multe cristale lichide, deoarece orientarea regizorul (i, prin urmare proprietile) poate fi controlat cu uurin prin aplicarea unui cmp. Consultai Aplicaii seciunea pentru mai multe informaii despre cristale lichide folosite n afieaz.Lumina si PolarizareaAceast seciune va introduce unele dintre conceptele de baz care sunt importante n nelegerea comportamentului optic de cristale lichide. Acest lucru nu este deloc o discuie complet a subiectului, este destinat numai pentru a fi utilizate n contextul lichide comportament optice cu cristale. V rugm s consultai Jenkins i alb pentru un tratament detaliate.Lumina si PolarizareaLumina poate fi reprezentat ca o unda electromagnetica transversal alctuit din reciproc perpendiculare, cmpuri electrice i magnetice fluctuante. Partea stng a Urmtoarea diagram arat cmpul electric n planul XY, cmpul magnetic n planul XZ i propagarea undei n direcia x. Jumtatea din dreapta prezinta o linie de depistarea a vectorului cmp electric ca o propag. n mod tradiional, numai vectorul cmp electric este tratat cu componenta, deoarece cmpul magnetic este n esen acelai. Aceast rubric sinusoidal diferite electric poate fi gndit ca o lungime de coard deinute de doi copii la capetele opuse. Copiii ncep s nlocuiasc se termin n aa fel nct coarda se mic ntr-un plan, fie n sus i n jos, la stnga i la dreapta, sau de la orice unghi n ntre.Lumina obisnuita alb este compus din valuri, care fluctueaz de la toate unghiurile posibile. Lumina este considerat a fi "liniar polarizate", atunci cnd acesta conine valuri care numai fluctua ntr-un singur plan specific. Este ca i cum n cazul n care coarda este nirate printr-un gard - val poate mica n sus i n jos, dar este blocat de micare n orice alt direcie. Un polarizor este un material care permite numai lumina cu un anumit unghi de vibraie pentru a trece prin. Direcia de fluctuaie a trecut de ctre polarizatorul este numit "uor" ax.Dac dou polarizatoare sunt stabilite n serie, astfel nct axele lor optice sunt trece paralel, lumina prin ambele. Cu toate acestea, n cazul n care axele sunt stabilite la 90 de grade afar (trecut), lumina polarizata de primul se stinge de-al doilea. Ca unghiul se roteste 0 la 90 de grade, cantitatea de lumina care este transmis scade. Acest efect este demonstrat n urmtoarea diagram. Polarizatoare sunt paralele n partea de sus i au trecut n partea de jos. Polarizat de luminPolarizare liniar este doar un caz special de polarizat circular de lumin. n considerare dou valuri de lumina, unul polarizat n planul YZ i de alt natur n planul XY. n cazul n care valurile atinge nivelul lor maxim i minim de puncte, n acelai timp (acestea sunt n faz), suma lor vector conduce la un val, liniar polarizate la 45 de grade. Acest lucru este artat n diagrama de mai jos. n mod similar, dac cele dou valuri sunt 180 de grade din faze, rezultanta este liniar polarizat la 45 de grade n sens opus. n cazul n care dou valuri sunt 90 de grade defazate (una este ntr-un extremum, iar cellalt este la zero), unda rezultat este polarizat circular. ntr-adevr, vectorul rezultat cmpul electric din suma a componentelor se rotete n jurul valorii de origine, astfel cum se propaga unda. Urmtoarea diagram arat suma a vectorilor de cmp electric pentru astfel de dou valuri. Cazul cel mai general este atunci cnd diferena de faz este la un unghi arbitrar (nu neaparat 90 sau 180 de grade.) Aceasta se numeste polarizare eliptica, deoarece urmele electric vectorul cmp efectueze o elips (n loc de o linie sau un cerc ca mai nainte.)Aceste concepte pot fi destul de abstract prima dat cnd sunt prezentate. Simularea urmtoare permite utilizatorului s schimbe trecerea de faza de la o valoare arbitrar pentru a observa starea de polarizare rezultate. Birefringena n cristale lichideSeciunea anterioar i-a prezentat conceptele de lumin polarizat i polarizatoare . Aceast seciune va arta modul n care aceste idei sunt importante pentru cristale lichide.Cristalele lichide se dovedesc a fi birefringent, din cauza lor anizotrope naturii. Asta este, ele demonstreaz refracie dubl (avnd n doi indici de refracie). Paralel cu lumina polarizata directorului are un indice de refractie diferit (adic se deplaseaza cu o vitez diferit) dect perpendicular pe lumina polarizata directorului. n urmtoarea diagram, linii albastre reprezint domeniul directorul i cu sgeile arat vectorul de polarizare. Astfel, atunci cnd lumina intr dintr-un material birefringent, cum ar fi un eantion nematic cu cristale lichide, procesul este modelat n termeni de lumin fiind rupt n sus, n rapid (numit raza ordinar) i lente (denumit raze extraordinare) componente. Deoarece cele dou componente de cltorie la viteze diferite, unde iesi din faza. n cazul n care razele sunt recombinate ca acestea ieire material birefringent, starii de polarizare a schimbat din aceasta cauza diferenei de faz. Lumina cltorie printr-un mediu birefringent vaia una din cele dou ci, n funcie de polarizare sale.Birefringena a unui material este caracterizat prin diferena, A n, a indicilor de refracie pentru razele ordinare i extraordinare. Pentru a fi un pic mai mult cantitativ, deoarece indicele de refracie a unui material este definit ca raportul dintre viteza luminii n vid la faptul c n materialul, avem pentru acest caz, n e = c / V | | i n o = c / V pentru vitezele de un val care cltoresc perpendicular, directorului i a polarizat paralel i perpendicular, directorului, astfel nct valoarea maxim pentru birefringena, A = n n e - n o. Nu vom face aici cu cazul general al unui val de cltorii ntr-o direcie arbitrar fa de director ntr-un eantion cu cristale lichide, cu excepia s se constate c A n variaz de la zero la maxim valoarea, n funcie de direcia de deplasare. Condiia e n> n o descrie un material pozitiv uniaxial, astfel nct cristalele lichide nematic se afl n aceast categorie. Pentru tipice cristale lichide nematic, n o este de aproximativ 1,5 i diferena maxim, A n, poate varia ntre 0,05 i 0,5.Lungimea probei este un alt parametru important, deoarece schimbare de faz se acumuleaz, atta timp ct lumina se propag n material birefringent. Orice stat polarizare pot fi produse cu combinaia potrivit de birefringena i parametrii de lungime.Este convenabil aici pentru a introduce conceptul de drumul optic n mass-media, deoarece pentru cele de mai sus cele dou componente de und care cltoresc cu viteze diferite ntr-un material birefringent, diferena de drum optic va duce la o schimbare n starea de polarizare a undei, deoarece progreseaza prin mediu. Noi definim drumul optic pentru un val calatoresc o distan L ntr-un cristal ca nL, astfel nct diferena drumul optic pentru componentele val dou enumerate mai sus vor fi L (n e - n o) = L A n. Diferena de faz rezultate ntre cele dou componente (suma cu care componenta lent, extraordinare se situeaz n urma o rapid, ordinare) este la doar 2 t L A n / n cazul n care v v este lungimea de und n vid.Simularea urmtoarele demonstreaz proprietile optice ale unui material birefringent. Un val de lumin polarizat liniar intr ntr-un cristal a crui extraordinar (lent) indicele de refractie poate fi controlat de ctre utilizator. Durata probei poate fi, de asemenea, variate, iar statul polarizare de ieire este afiat. Conceptul de diferen drum optic i influena acesteia asupra starii de polarizare poate fi, de asemenea, explorate aici. Acest lucru conduce la o discuie de plci retard optice sau ntrzietori faz, n cadrul simulrii. BirefringenaAplicarea la studii polarizat Lumina de cristale lichideLuai n considerare cazul n care un eantion de cristal lichid este plasat ntre polarizatoare traversat de transport ale cror axe sunt aliniate la un anumit unghi ntre direcia rapid i lent a materialului. Datorit naturii birefringent a probei, lumina polarizat liniar de intrare devine eliptic polarizate, dup cum ai aflat deja n simulare. Atunci cnd aceast ray ajunge la polarizor al doilea rnd, exist n prezent o component care poate trece prin, i regiunea apare luminos. Pentru monocromatica de lumina (o singur frecven), de amploarea diferenei de faz este determinat de lungimea i birefringena a materialului. n cazul n care proba este foarte subire, componentele ordinare si extraordinare nu se foarte departe de faz. De asemenea, n cazul n care proba este suficient de gros, diferena de faz pot fi mari. n cazul n care diferena de faz este egal cu 360 de grade, val revine la starea iniial i polarizare este blocat de ctre polarizatorul secunde. Dimensiunea de schimbare de faz determin intensitatea luminii transmise.n cazul n care axa de transport de polarizor prima este paralel fie de ghidare ordinare sau extraordinare, lumina nu este spart n componente, i nici o schimbare n starea de polarizare se produce. n acest caz, nu este o component transmise, precum i regiunea apare ntuneric.ntr-un cristal lichid tipic, birefringena si lungimea nu sunt constante pe ntregul eantion. Acest lucru nseamn c unele zone s apar lumina si altele par ntunecate, aa cum se arat n imaginea urmtoare microscop de un cristal lichid nematic, luate ntre polarizatoare trecut. Zonele luminoase i cele ntunecate ce denot regiunile din diferite orientare director, birefringena, i lungime. Multumim Imagine de E. companiei MerckTextura Schlieren, ca acest aranjament special, este cunoscut, este caracteristic fazei nematic. Regiunile ntunecate care reprezint alinierea n paralel sau perpendicular, directorului sunt numite perii. Urmtoarea seciune va descrie texturile de cristale lichide mai n detaliu, dar nainte de a merge acolo v permite s vedei cum birefringena poate duce la imagini multicolore n examinarea de cristale lichide n conformitate cu lumin alb polarizat.Culori care decurg din Studii de lumina polarizataPn la acest punct, ne-am confruntat doar cu lumina monocromatica are n vedere proprietile optice ale materialelor. n nelegerea originii a culorilor, care sunt observate n studiile de cristale lichide plasate ntre polarizatoare trecut liniar, acesta va fi de ajutor pentru a reveni la exemple de plci ncetinire discutate n simularea birefringena. Acestea sunt proiectate pentru o anumit lungime de und i, astfel, va produce rezultatele dorite pentru o band relativ ngust de lungimi de und n jurul valorii de faptul c o valoare deosebit. Dac, de exemplu, o plac full-val concepute pentru lungime de und este ' este plasat ntre polarizatoare trecut la unele orientare arbitrare i Amestec iluminat de lumina alba, A ' lungime de und nu vor fi afectate de ncetinire i aa va fi i stinge ( absorbite) de ctre analizor. Cu toate acestea, toate celelalte lungimi de und se vor confrunta cu unele retard i emerge din placa de full-und ntr-o varietate de state polarizare. Componentele de aceast lumin a trecut prin analizorul va forma apoi de culoare complementare ' .Modele de culoare observate la microscop de polarizare, mpreun cu extinctii observat deja n legtur cu Simulatoare birefringena sunt foarte utile n studiul de cristale lichide n multe situaii, inclusiv identificarea de texturi, de faze cu cristale lichide i observaiile de schimbri de faz .Simularea de mai jos ilustreaz rolul birefringena n formarea de imagini colorate pe un eantion de cristal lichid situat ntre polarizatoare traversat liniar atunci cnd a observat, de exemplu, ntr-un microscop. Simulare v permite s reglai birefringena, lungimea, i orientarea, u, a probei cu cristale lichide. Aici, u este unghiul dintre regizor i direcia vertical (direcia de transmitere a Polarizor). Culori de la birefringenaDependena de temperatur a birefringenaAmintiti-va ca birefringena a unui material din anizotropia rezultatelor sale i anizotropia de cristale lichide arat o dependen puternic de temperatur, dispare la nematic la tranziia de faz izotrope. Prin urmare, birefringena arat o dependena de temperatur semnificative. Acest lucru este discutat i ilustrate n urmtoarele simulare. Texturi si DefecteProprietati unice optice ale cristalelor lichide a le permite s fie utilizate ntr-o varietate de aplicaii. Aceast seciune explic modul n care aceste caracteristici apar.Cu cristale lichide TexturiTextura Termenul se refera la orientarea moleculelor cu cristale lichide n apropierea unei suprafa. Fiecare mesophase cu cristale lichide se pot forma propriile sale texturi caracteristice, care sunt utile n identificare. Noi considerm texturile nematic aici, amnarea discuiilor de texturi cholesteric pn la seciunea cu privire la polimer stabilizat cristale lichide cholesteric.n cazul n care materialele mesogenic se limiteaz ntre plci spaiate strns cu suprafee frecat (aa cum este descris mai sus) i orientate cu frecare de ghidare paralel, ntregul eantion de cristal lichid pot fi orientate ntr-o textur planare , aa cum se arat n diagrama de mai jos. Mesogens poate fi, de asemenea, orientat normal la o suprafa cu utilizarea de filme adecvate polimer, sau n prezena unui cmp electric aplicat normal la suprafa, dnd natere la textura homeotropic , aa cum este ilustrat mai jos. Defecte sub microscopSchimbarile bruste de luminozitate vzut n imaginile din seciunea anterioar privind birefringena semnal de o schimbare rapid n orientarea director n apropierea unei linii sau singularitate punctul cunoscut sub numele de disclination. Un disclination este o regiune n care directorul este nedefinit. Ceea ce urmeaz este o diagram care arat orientarea directorului n jurul unui disclination. Defecte focale conice sunt responsabile pentru multe dintre structurile din cristale lichide smectic. Urmtorul este un microscop TEM a unui conic focale. Diagrama i micrographs n aceast seciune au fost furnizate de profesorul Steven Hudson a Departamentului de tiine macromoleculare, CWRU. Proprieti chimice de cristale lichideCristale lichide pot fi clasificate n dou categorii principale: cristale lichide thermotropic, i cristale lichide lyotropic. Aceste dou tipuri de cristale lichide se disting prin mecanismele care unitatea lor de auto-organizare, dar ele sunt, de asemenea, similare n multe feluri.Tranzaciilor Thermotropic apar n cele mai multe cristale lichide, i ele sunt definite de faptul c tranziiile la starea cristalin lichid sunt induse termic. Asta este, se poate ajunge la starea cristalin lichid prin creterea temperaturii de un solid i / sau scderea temperaturii unui lichid. Cristale lichide Thermotropic pot fi clasificate n dou tipuri: cristale lichide enantiotropic, care poate fi schimbat n stare s duc la scderea cu cristale lichide, fie la temperatura de un lichid sau ridicarea temperaturii de un solid, i cristale lichide monotropic, care pot fi modificate doar n stare de cristal lichid, fie de o cretere a temperaturii unui solid sau o scdere a temperaturii de un lichid, dar nu ambele. n general, mesophases thermotropic apar din cauza forelor de dispersie anizotrope ntre moleculele i din cauza interaciunilor de ambalare.Spre deosebire de mesophases thermotropic, lyotropic tranziii cu cristale lichide apar cu influenta de solveni, nu de o schimbare de temperatura. Mesophases Lyotropic apar ca rezultat al solvent induse de agregare a mesogens constitutiv n structurile micelara. Mesogens Lyotropic sunt de obicei amfifilice, ceea ce nseamn c acestea sunt compuse din ambele lyophilic (solvent-atragerea) i lyophobic (solvent care respinge) piese. Acest lucru face ca ei s formeze n structurile micelara, n prezena unui solvent, deoarece se ncheie lyophobic va rmne mpreun ca se termina lyophilic extinde spre exterior spre soluia. Deoarece concentraia soluiei este crescut, iar soluia este rcit, creterea micele n dimensiune i n cele din urm coaliza. Aceasta separ de stat nou format din cristale lichide cu solvent.Un numr foarte mare de compui chimici sunt cunoscute pentru a expune unul sau mai multe faze lichide cristaline. n pofida diferenelor semnificative n compoziia chimic, aceste molecule au unele caracteristici comune n chimice i proprietilor fizice. Exist dou tipuri de cristale lichide thermotropic: discotics i tij n form de molecule. Discotics sunt plate disc, cum ar fi molecule constnd dintr-un miez de inele aromatice adiacente. Acest lucru permite dou comanda dimensionale columnare. Rod n form de molecule au o geometrie alungit, anizotrope care permite alinierea preferenial de-a lungul-o singur direcie spaiale.Tija-cum ar fi sczut molar de mas (LMM) cristale lichide, cum ar fi 5CB se arat n urmtoarea diagram: necesit o conformaie extins a moleculei care trebuie meninut prin rigiditatea i linearitatea a componentelor sale. Asta este, pentru ca o molecula pentru a afia caracteristicile unui cristal lichid, acesta trebuie s fie rigid i n form de tij. Aceasta se realizeaz prin interconectarea a dou uniti ciclice rigide. Grupul de interconectare ar trebui s cauzeze compus rezultat de a avea o conformaie liniar plan. Legarea de uniti care conin mai multe obligaiuni, cum ar fi - (CH = N) -,-N = N-, - (CH = CH) n-,-CH = NN = CH-, etc sunt folosite, deoarece, se restricioneaz libertatea de rotaie. Aceste grupuri pot conjugat cu inele fenilen, sporirea polarizability anizotrope. Acest lucru crete durata moleculare i menine rigiditatea. Aplicatii de cristale lichideTehnologia cu cristale lichide a avut un efect mai multe domenii majore ale tiinei i ingineriei, precum i tehnologia de dispozitiv. Cererile pentru acest tip de material de construcii sunt nc descoperite i va continua s ofere soluii eficiente pentru multe probleme diferite.Ecranele cu cristale lichideCea mai comun aplicaie a tehnologiei cu cristale lichide este ecranele cu cristale lichide (LCDs.) Aceast rubric a crescut ntr-o industrie multi-miliarde de dolari, i multe descoperiri stiintifice semnificative i de inginerie au fost fcute. V rugm s consultai capitolul LCD pentru mai multe detalii.Termometre cu cristale lichideAa cum sa demonstrat mai devreme, chiral nematic (cholesteric) cristale lichide reflecta lumina cu o lungime de und egal cu pas. Deoarece pas este dependent de temperatur, de culoare reflectat, de asemenea, depinde de temperatur. Cristale lichide face posibil ecartament cu precizie temperatura doar uitandu-te la culoarea de termometru. Prin amestecarea compui diferite, un dispozitiv practic pentru orice gama de temperatura poate fi construit."Inel starea de spirit", o noutate populare civa ani n urm, au profitat de capacitatea unic de a cristalului chirale lichid nematic. Mai multe aplicaii importante i practice au fost dezvoltate n domenii diverse, precum medicina i electronice. Special dispozitive cu cristale lichide poate fi ataat la nivelul pielii pentru a afia o "hart" a temperaturilor. Acest lucru este util, deoarece de multe ori probleme fizice, cum ar fi tumorile, au o temperatur diferit de esutul din jur. Senzori de temperatur cu cristale lichide poate fi, de asemenea, utilizat pentru a gsi conexiuni proaste pe o plac de circuit, prin detectarea temperaturii caracteristice mai mare. [Collings, 140-142]Optice ImagingO cerere de cristale lichide, care este abia acum se analizeaz este optice imagistice i de nregistrare. n aceast tehnologie, o celula de cristal lichid este plasat ntre dou straturi de fotoconductor. Lumina este aplicat la fotoconductorul, care crete conductivitatea materialului. Acest lucru determin un cmp electric pentru a dezvolta n cristale lichide corespunztoare intensitatea luminii. Modelul electric poate fi transmise de ctre un electrod, care permite ca imaginea s fie nregistrate. Aceasta tehnologie este nc n curs de dezvoltare si este una dintre cele mai promitoare domenii de cercetare cu cristale lichide.Alte aplicaii cu cristale lichideCristale lichide au o multitudine de alte utilizri. Ele sunt folosite pentru testarea mecanic nedistructiv a materialelor n condiii de stres. Aceasta tehnica este, de asemenea utilizat pentru vizualizarea de RF (radio frecven), unde n ghiduri de und. Ele sunt folosite n aplicaii medicale n cazul n care, de exemplu, presiunea tranzitorie transmise de mers pe jos un picior pe sol este msurat. Minima molar de mas (LMM) cristale lichide au aplicaii, inclusiv discuri optice care poate fi tears, full color ", diapozitive electronice" pentru asistat de calculator desen (CAD), i modulatori lumina pentru imagini color electronice.Deoarece noi proprieti i tipuri de cristale lichide sunt investigate i cercetate, aceste materiale sunt sigur c pentru a obine o importan crescnd n aplicaii industriale i tiinifice.