TEČNI KRISTALI

TEČNI KRISTALI

Tečni kristali predstavljaju stanje određene grupe supstancija

koje imaju mehaničke osobine tečnosti i optičke osobine kristala.

Sinonimi:

• tečni kristali

• kristalne tečnosti

• anizotropne tečnosti

• para kristali

• mezo faze

• mezomorfno stanje

TEČNI KRISTALI

Osobine tečnosti:

• površinski napon i viskoznost.

Osobine čvrstog stanja:

• optička anizotropija.

Širina temperaturskog intervala u kome se javlja: od 0,01 do

100C.

Javljaju se pri temperaturama od -20 do 400C.

ISTORIJAT

1850. W. Heintz – stearin: 52C (zamagljena tečnost), 58C (mutna

tečnost), 62,5C (bistra tečnost)

1877. O. Lehmann – naziv ove faze i polarizacioni mikroskop

do 1888. Istraživači u različitim oblastima hemije, biologije, medicine i

fizike opažali su da izvesni biološki materijali pokazuju

mutno tečno stanje između kristalnog stanja i tečnog stanja

1888. Reinitzer!

1890. Gatterman i Ritschke, prvi sintetički tečni kristal, p-azoksianizol

1991. Pierre-Gielles De Gennes, Nobelova nagrada za doprinos

razumevanju tečnih kristalai polimera (soft matter physics – fizika

mekih materijala)

OTKRIĆE MEZOFAZA

Friedrich Reinitzer (1857-1927)

HOLESTEROL BENZOAT

145,5C 178,5C

Reinizer – tečna kristalna faza

(PT) (TT)

kristal tečni

kristal

prava

tečnost

POLARIZACIONI MIKROSKOP

kristal tečni kristal

(holesterični)

izotropna tečnost

TEČNI KRISTALI

Sistemi sa orijentacionim redom i nepotpunim pozicionim redom:

• termotropni (promena temperature)

• liotropni (nastaju rastvaranjem u odgovarajućim rastvaračima,

najčešće polarnim)

Termotropni:

• Prelazna temperatura – temperatura na kojoj se supstancija

topi u mutnu, viskoznu tečnost.

• Tačka topljenja – temperatura na kojoj mutna tečnost prelazo

u pravu, bistru tečnost.

TERMOTROPNI TEČNI KRISTALI

tečnost kristal tečni kristali – mezofaze

TERMOTROPNI TEČNI KRISTALI

Postoje supstancije koje imaju više prelaznih tački:

čvrsto tečno

temeratura

kristal izotropno smektična C smektična A nematična

tečni kristli – mezofaze

OSOBINE TEČNIH KRISTALA

• osetljivi na spoljašnje poremećaje (električno polje,

magnetno polje, svetlost)

električno polje

• dvojno prelamanje svetlosti (neuniformno)

PODELA TEČNIH KRISTALA

nematična

faza

smektična

faza

holesterična

faza

porast neprozirnosti

PODELA TEČNIH KRISTALA

nematična

faza

smektična

faza

holesterična

faza

porast neprozirnosti

NEMATIČNA FAZA

Haotično raspoređeni (slojevi ne postoje),

ali je zadržana paralelna orijentacija

između molekula (orijentisani).

Indeks prelamanja zavisi od orijentacije.

Električno i magnetno polje utiču na nematike.

NEMATIČNA FAZA

Uticaj električnog polja:

• Postaju zamagljeni, poluprovidni ili menjaju boju.

• Primena malih napona (3 – 5 V) promena pravca duž ose, čime

se menja indeks prelamanja, odnosno boja.

• Primena većih napona (5 – 20 V) razaranje uređene strukture

tečnog kristala, stvaraju se mikroskopski vrtlozi koji intenzivno

rasejavaju upadnu svetlost, nematik gubi transparentnost i postaje

mlečno beo.

• Primena nematičnih kristala: indikatori brojeva i slova.

TEČNO KRISTALNI DISPLEJI

Između dve staklene

pločice se nalazi sloj

tečnog kristala debljine

nekoliko mikrona.

Providan električni

provodnik se nanosi na

unutrašnju stranu stakla

(Sn ili In2O).

Ukršteno orjentisani

polarizatori su postavljeni

preko spoljne strane svake

staklene ploče.

PODELA TEČNIH KRISTALA

nematična

faza

smektična

faza

holesterična

faza

porast neprozirnosti

SMEKTIČNA FAZA

Slojevi su sačuvani, ali red između slojeva je izgubljen.

Najsličniji čvrstom stanju i imaju najveću viskoznost.

Primeri: polomeri, proteini, DNK...

A C

SMEKTIČNA FAZA

smektik A

smektik B

smektik C

Pored orjentacione

uređenosti postoji i

izvesni pozicioni red.

Pravac molekula

ortogonalan na ravan

slojeva.

Pravac molekula

pod odrešenim uglom

u odnosu na ravan

slojeva.

PODELA TEČNIH KRISTALA

nematična

faza

smektična

faza

holesterična

faza

porast neprozirnosti

HOLESTERIČNA FAZA

Grade ih derivati holesterola.

Slojevita struktura, ali paralelno orjentisani

molekuli u sledećem sloju zarotirani za mali

ugao.

Spiralna struktura, sa korakom spirale koji odgovara

talasnoj dužini vidljive svetlosti. Korak spirale (elektronska

struktura i boja) se menjaju sa:

• temperaturom

• hemijskim dejstvom

• mehaničkim dejstvom.

HOLESTERIČNA FAZA

Primena:

• promena temperature prouzrokuje promenu boje

registrovanje prostorne temperaturske raspodele u direktnom

kontaktu i na daljinu

• razni toksični gasovi i pare pri vrlo niskim koncentracijama

(ppm) izazivaju promenu boje detekcija toksičnih materija

• mehanička dejstva dovode do promene strukture i boje

ispitivanje mehaničke otpornosti različitih konstrukcija i

otkrivanje nepouzdanih delova ili mesta u njima

KOJI TIPOVI MOLEKULA POKAZUJU STANJE

TEČNIH KRISTALA?

Kalamatični tečni kristal

(oblik štapića)

Diskotični tečni kristal

(oblik diska)

KALAMATIČAN TEČNI KRISTAL

DISKOTIČAN TEČNI KRISTAL

UOBIČAJENE CENTRALNE GRUPE

kiseli dimer olefin acetilen

steroid

azometin

(Šifove baze) nitro grupe

estar azoksi azo

Preko ovih grupa se ostvaruju bočne veze između molekula.

UOBIČAJENE KRAJNJE GRUPE

Ove grupe osciluju i dovode do topljenja supstancija.

alikil

alikiloksi

alikilkarboksi

alikilkarbonati

halogeni

cijano

nitro

amino

STAKLASTO STANJE

OSOBINE STAKLA

Staklasto stanje (amorfno čvrsto stanje, prehlađena tečnost) kao

prelazno stanje, karakteriše se osobinama i tečnog i čvrstog

stanja.

Osobine čvrstog: čvrstoća, krutost, otpornost na sile smicanja.

Osobine tečnog: izotropnost, optička propustljivost.

Osobine stakla: pri zagrevanju nemaju oštru tačku topljenja već

omekšavaju, imaju mali termički koeficijent širenja, veliku

viskoznost i pri stajanju dolazi do iskristalisavanja (vitrifikacija).

OSOBINE STAKLA

čvrsto

uređenost kratkog i

dugog dometa

lome se po ravnoj

površini

veoma mala

pokretljivost čestica

zadržavaju oblik i

vraćaju se u originalni

oblik posle prestanka

dejstva poremećaja

staklo

uređenost kratkog

dometa

lome se po kirvoj

površini

veoma mala

pokretljivost čestica

zadržavaju oblik i

vraćaju se u originalni

oblik posle prestanka

dejstva poremećaja

tečno

uređenost kratkog

dometa

ne trpe sile

smicanja

ograničena

pokretljivost čestica

zauzimaju oblik suda

u kome se nalaze

zavisno od svoje

zapremine

OSOBINE STAKLA

Kristalni materijali:

• kristališu na tački mržnjenja, Tm

• imaju naglu promenu specifične

zapremine na Tm

• temperatura topljenja je temperatura

na kojoj se javlja naglo, diskontinualno

smanjenje specifične zapremine

Stakla:

• ne kristališu

• specifična zapremina postepeno

varira sa temperaturom

• temperatura prelaska u staklasto

stanje Tg je temperatura na kojoj se

menja nagib zavisnosti specifične

zapremine od temperature

STAKLA

• prehlađene tečnosti

• brzo hlađenje može dovesti do građenja stakla

• nema stvarnog saznanja koje su vrste interakcija koje

omogućavaju građenje stakla

AMORFNO ČVRSTO STANJE

Stakla se mogu smatrati amorfnim čvrstim stanjem (čvrsto stanje

bez kristalne strukture, tj. bez uređenosti dugog dometa).

kristalni SiO2 amorfni SiO2

AMORFNO ČVRSTO STANJE

molekulska uređenost

u kristalu

molekulska uređenost

u staklu

STRUKTURA STAKLA

osnovna izgrađivačka

jedinica je SIO44- tetraedar

Kvarc SiO2 je kristalni, ali se dodatkom nečistoća (Na+,

Mg2+, Ca2+, Al3+) javlja amorfna struktura.

STRUKTURA STAKLA

kvarc Na staklo

STRUKTURA STAKLA

• Termin koji se obično koristi za keramike.

• Grade ih neorganska jedinjenja (SiO2, B2O3, GeO2, As2O3,

As2O5, P2O5, BeF2, GeS2, As2S3) i organska jedinjenja

(glukoza, glicerin).

• Prostorna nekristalna struktura koja se odlikuje rastresitošću

(otvorenošću) – mali koordinacioni poliedri sa velikim

naelektrisanjem katjona u njima.

• Nema uređenosti dugog dometa, ali su silikatni tetraedri i

dalje međusobno povezani.

MODIFIKATORI

Modifikatori (npr. Na2O ili K2O)

se dodaju staklu da se mreža

otvori i poboljšaju osobine

stakla.

Ako se doda suviše alkalnog oksida, tako da odnos O:Si

dosegne 2,5 ili 3,0, staklasta struktura može biti toliko

narušena da dođe do rastakljivanja.

STRUKTURA STAKLA

• Stvaraoci stakla pomažu u stvaranju 3D rešetke i lako prelaze u

staklasto stanje: Si, B, P, Ge, As, Be (koordinacioni broj 3, 4).

• Modifikatori stakla sa koordinacionim brojem većim ili jednakim

6: Na, K, Ca, Ba.

• Intermedijeri (mogu biti i stvaraoci stakla, i modifikatori) sa

koordinacionim brojem između 4 i 6: Al, Mg, Zn, Pb, Be, Nb, Ta.

KOMPJUTERSKA SIMULACIJA

K

SiO44-

15K2O75SiO2

(K15)

SASTAV KOMERCIJALNOG STAKLA