Уникальные учебные работы для студентов


Реферат на тему жидкие кристаллы физика

Жидкие кристаллы - реферат

Особые реферат на тему жидкие кристаллы физика жидкокристаллических сегнетоэлектриков 5. Роль жидкокристаллического состояния в физике и технике Список литературы 1. Двумерные системы, В кн.: Введение Более 100 лет назад 1888 г. Много позже стала ясна физическая причина существования четвертого состояния вещества и его основное условие, которое заключается в том, что молекулы должны иметь не сферическую, а, например, вытянутую форму в одном направлении или заметно уплощенную.

В этих случаях атомы в молекулах располагаются в основном либо вдоль определенной линии, либо в выделенной плоскости [5].

Жидкие кристаллы (кратко)

Несферичность молекулы можно характеризовать вектором единичной длины е, который либо параллелен оси молекулы, либо перпендикулярен ее реферат на тему жидкие кристаллы физика.

Жидким кристаллом называют жидкость, состоящую из таких молекул, которые не только удерживаются в среднем на некотором расстоянии, а друг от друга, но имеют векторы е, параллельные определенной оси L: Разумеется, ориентация молекул в такой анизотропной жидкости подчиняется этому порядку только при умеренной температуре, пока тепловые флуктуации не настолько сильны, чтобы разрушить данный ориентационный порядок.

Сильное повышение температуры вызывает разрушение порядка в ориентации молекул, когда их хаотическое поступательное и вращательное движение становится преобладающим, и жидкий кристалл превращается в обычную жидкость. Жидкие кристаллы, образующиеся при изменении температуры, называются термотропными 6 Существование того или иного жидкого состояния зависит не только от температуры, но и от плотности вещества, точнее, от реферат на тему жидкие кристаллы физика в растворе несферических молекул.

Жидкие кристаллы; их свойства и применение

Когда на каждую молекулу в жидкости приходится объем порядка l3, где l - длина молекулы, то молекулы могут быть ориентированы как угодно. Помещая то же количество молекул в меньший объем, мы не сможем обеспечить их хаотическую ориентацию в пространстве, так как теперь при некоторых поворотах они будут мешать друг другу.

Если диаметр молекулы а заметно меньше ее длины l и на каждую молекулу приходится объем порядка а2l, то все молекулы должны быть ориентированы одинаково.

При промежуточной концентрации, когда на каждую молекулу приходится объем меньший, чем l3, но больший, чем а2l, ориентационный порядок будет неполным, но все-таки заметным. Обратим внимание на то, что этот порядок связан с тем, что молекулы из-за сильного отталкивания не могут проникать друг в друга.

Жидкие кристаллы, образующиеся при растворении органического вещества в каком-нибудь растворителе, называются лиотропными [3]. Если в молекуле имеются электрические диполи, то есть и электростатическое взаимодействие между ними молекулами. Оно стремится установить молекулярные диполи параллельно друг другу, однако тепловое движение, а также межмолекулярные взаимодействия других типов например, так называемые стерические факторы, обусловленные протяженной конструкцией молекулы препятствуют.

Объем органических молекул обычно довольно велик, что снижает роль диполь - дипольных взаимодействий. Поэтому среди молекулярных кристаллов очень трудно найти вещества, обладающие спонтанной поляризацией, то есть ненулевым суммарным дипольным моментом единицы объема.

Примером такого вещества могут служить полярные кристаллы тиомочевины со сравнительно небольшими малые Vm сильно полярными большие p молекулами. В твердой фазе такой компенсации способствует елочкообразная упаковка молекул, при которой соседние диполи ориентированы в противоположных направлениях, а в жидкокристаллических фазах - быстрое свободное вращение молекул как вокруг длинных, так и вокруг коротких осей [1].

Чтобы получить жидкокристаллическую фазу со спонтанной поляризацией за счет взаимодействия статических молекулярных диполей, нужно увеличивать значение p и уменьшать объем молекул.

Первое сделать довольно трудно из-за ограничений квантовохимического характера, а второе приводит к утрате жидкокристаллического состояния. Отсюда, казалось бы, следует вывод о невозможности или, скажем более осторожно, принципиальной трудности получения жидких реферат на тему жидкие кристаллы физика кристаллов, обладающих пиро - пьезо - и сегнетоэлектическими свойствами.

К счастью, существует другой путь создания жидкокристаллических сегнетоэлектриков, предложенный в 1975 г. Идея подхода реферат на тему жидкие кристаллы физика в том, чтобы получать выделенное полярное направление в жидком кристалле за счет других, не диполь-дипольных взаимодействий.

Ориентация же молекулярных диполей вдоль полярного направления побочным, вторичным явлением, происходящим просто потому, что дипольный момент жестко связан с молекулярным остовом [4]. Симметрия Полярная структура получается только в смектической фазе, образованной хиральными молекулами при условии, что молекулы в монослоях наклонены под некоторым углом по отношению к кристаллической оси.

Такой жидкий кристалл называется смектиком С. Рассмотрим элементы симметрии обычной смектической фазы С, образованной зеркально симметричными нехиральными молекулами, длинные оси которых вектор L реферат на тему жидкие кристаллы физика на угол q от нормали к смектическим слоям, то есть от кристаллической оси z. В этом случае мы имеем двойную поворотную ось, лежащую в плоскости смектического слоя и перпендикулярную длинным молекулярным осям.

Кроме того, имеется зеркальная плоскость, перпендикулярная поворотной оси, и центр симметрии. Таким образом, зеркально-симметрической смектической фазе С отвечает точечная группа симметрии С2h [2].

Образование смектической фазы С обусловлено особым строением гибких концевых хвостов молекул и в первом приближении не зависит от деталей расположения молекулярных диполей, а также и от отличия асимметричных атомов углерода, задающих хиральную форму молекулы.

Если молекулы хиральны, симметрия рассматриваемой смектической фазы понижается до С2, так как зеркальная плоскость и центр симметрии исчезают. В результате в плоскости смектического слоя появляется полярная ось, перпендикулярная плоскости реферат на тему жидкие кристаллы физика молекул.

Именно вдоль этой полярной оси и возникает спонтанная поляризация, если хиральные молекулы обладают электрическим дипольным моментом, перпендикулярным длинной молекулярной оси [7].

Этого, однако, недостаточно для того, чтобы спонтанная поляризация макроскопического образца, состоящего из многих смектических слоев, реферат на тему жидкие кристаллы физика отлична от нуля. Дело в том, что и в фазе С хиральность молекул вызывает образование винтовой сверхструктуры. Как и в случае холестерической фазы, направления директора в соседних смектических слоях образуют между собой некоторый угол, так что при переходе от первого монослоя к последующим директор поворачивается.

В результате возникает винтовая структура с шагом h, в которой директор L прецессирует вокруг оси z и соответственно поворачиваются полярная ось С2 и вектор спонтанной поляризации Ps.

  • Нематические жидкие кристаллы характеризуются так называемой шлирен-текстурой рис;
  • Если волна левополяризованная, то в какой-то момент поле Е на входе в плёнку совпадёт по направлению с оптической осью холестерика;
  • Фридель во Франции предлагает первую классификацию жидких кристаллов, голландец С.

Таким образом, чтобы получить ненулевое среднее по образцу значение спонтанной поляризации, нужно как-то деформировать винтовую структуру, а лучше вообще раскрутить спираль с помощью внешнего воздействия [4]. Сегнетоэлектрические смеси Симметрия жидкокристаллического сегнетоэлектрика накладывает определенные ограничения на молекулярную структуру.

Молекула должна иметь достаточно длинные хвосты, чтобы образовать смектическую фазу Реферат на тему жидкие кристаллы физика, обладать стерическим диполем и быть зеркально-асимметричной, и, наконец, иметь поперечный электрический диполь, жестко связанный с хиральным фрагментом молекулы.

Очень трудно синтезировать молекулу, обладающую всеми этими особенностями, и в связи с этим возникает вопрос: Это оказывается возможным в строго определенном случае. Можно взять за основу нехиральные и бездипольные молекулы, образующие обычную смектическую фазу С в достаточно широком температурном интервале. Это вещество будет служить растворителем для хиральных молекул-примесей, несущих электрический диполь в хиральном фрагменте или вблизи. Такие молекулы-примеси, встраиваясь в растворитель-матрицу, индуцируют в ней полярную ось и спонтанную поляризацию Величина Ps будет пропорциональна концентрации примеси.

Попытки использовать другие комбинации свойств матрицы не приводят к успеху. Скажем, если электрический диполь находится в молекуле матрицы, а хиральный центр - в молекуле примеси, спонтанная поляризация получается очень малой, поскольку жесткой связи между этими молекулярными фрагментами нет их движения некореллированы. Особый интерес представляют смеси правых и левых зеркально-ассиметричных компонент. Если мы имеем дело со смесью правого и левого оптически реферат на тему жидкие кристаллы физика изомеров одного и того же химического соединения, то при одинаковых концентрациях полярное состояние исчезает вместе со спиральностью структуры, и мы получаем обычный смектик С.

Если же взять правую и левую формы двух разных молекул, то получатся две компенсационные точки. Особые свойства жидкокристаллических сегнетоэлектриков С практической точки зрения наибольший интерес вызывают электрооптические свойства жидких полярных кристаллов. Если в неполярных фазах энергия взаимодействия внешнего поля со средой Fэ пропорциональна величине eaE2, где ea - анизотропия диэлектрической проницаемости среды, то в данном случае взаимодействие пропорционально полю, и следовательно, при малых полях такое взаимодействие намного эффективнее, чем для традиционных фаз.

Линейный электрооптический эффект на практике используется в случаях, когда винтовая закрученность сегнетоэлектрического смектика каким-то реферат на тему жидкие кристаллы физика устранена.

Сделать сегнетоэлектрический смектик однородным, то есть устранить сверхструктуру, можно с помощью воздействия твердых подложек на тонкий слой жидкого кристалла. Однако возможности этого метода ограничены, поскольку он годится только для довольно тонких слоев в несколько микрон.

  1. Поэтому у тех жидких кристаллов, у которых диполь наклонен под большим углом к продольной оси, можно ожидать отрицательной диэлектрической анизотропии. А поскольку ионы не бестелесны, то произойдёт перенос массы жидкости, то есть поток.
  2. Их сцепление наибольшее, если они укладываются в приготовленные борозды параллельно направлению полировки, так как в этом случае они наиболее близко подходят к поверхности стекла.
  3. Поскольку основным структурным признаком жидких кристаллов является наличие ориентационного порядка, обусловленного анизотропной формой молекул, то естественно, что все их свойства так или иначе определяются степенью ориентаци-ониого упорядочения.
  4. Фридель предложил первую классификацию жидких кристаллов, голландец С.

Более предпочтительно использовать сегнетоэлектрические смеси правых и левых компонент с компенсацией винтовой структуры. В таких смесях удается менять на обратное направление поляризации и связанное с ним направление директора простым переключением полярности внешнего напряжения с амплитудой в несколько вольт. Полярная структура жидкокристаллических сегнетоэлектриков позволяет наблюдать в них важный нелинейно-оптический реферат на тему жидкие кристаллы физика - генерацию второй гармоники света [ 1 ].

Сегнетоэлектрики полимеры Трудно переоценить важность создания полимерных сегнетоэлектриков. Это дешевые пленочные материалы, из которых можно сделать пьезо - и пиродатчики произвольной конфигурации и площади, нелинейно-оптические преобразователи, модуляторы светам на линейном электрооптическом эффекте и т.

В основе оригинального подхода к созданию полимерных сегнетоэлектриков лежит комбинация двух хорошо разработанных принципов. Главная особенность полимерного сегнетоэлектрика состоит в том, что при понижении температуры он переходит в стеклообразное состояние, то есть может быть получен в виде прозрачной твердой полимерной пленки, с которой мы привыкли иметь дело в быту.

Как показывает опыт, в этом состоянии он сохраняет свои пиро - и пьезоэлектрическме свойства. Роль жидкокристаллического состояния в химии и технике Интерес к частично упорядоченным системам вообще и к системам с пониженной размерностью в частности весьма характерен для современного естествознания. Достаточно упомянуть аморфные полупроводники или квазиодномерные структуры органических металлов. Так, например, при плавлении обычного кристалла в изотропную жидкость кристалл теряет устойчивость одновременно по всем трансляционным и ориентационным степеням свободы.

Это и происходит сейчас на самом деле: Большой интерес к частично упорядоченным системам проявляется также в спектроскопии, где появилась возможность изучать эффекты анизотропии межмолекулярных реферат на тему жидкие кристаллы физика. То же самое можно сказать и об изучении различных эффектов переноса энергии, заряда, различных элементарных возбуждений. Жидкие кристаллы реферат на тему жидкие кристаллы физика интересную возможность моделирования самых различных явлений. Фазовые переходы между, скажем, нематическим и Смектическим.

А состояниями имеют много общих черт с фазовыми переходами в сверхтекучем гелии. При этом роль квантовомеханической волновой функции сверхтекучей фазы, не наблюдаемой в экспериментах с гелием, играет здесь амплитуда волны плотности, которую можно определить из рентгеноструктурного анализа. Отмечаются также аналогии между поведением некоторых дефектов и диссипативных структур в жидких кристаллах с эффектом Джозефсена в сверхпроводниках и т. Интересные аналогии просматриваются также в поведении определенных дефектов в жидких кристаллах с теоретически предсказанными свойствами магнитных монополей [5].

Еще один аспект, возбуждающий интерес к жидким кристаллам, обусловлен наличием оптической анизотропии нематической фазы, являющейся трехмерной жидкостью. Оптическая анизотропия позволяет визуализировать сложные гидродинамические процессы, трудно наблюдаемые в обычных жидкостях.

К тому же анизотропия электрических и вязкоупругих свойств жидких кристаллов сама по себе может стать причиной возникновения целого ряда новых гидродинамических и электрогидродинамических эффектов. Эти особенности жидкокристаллических фаз открывают возможность моделирования процессов возникновения упорядоченных диссипативных структур, автоволновых процессов, изучения общих принципов самоорганизации материи.

Не менее важна и возможность изучения перехода от упорядоченных структур к хаосу, в частности от ламинарного течения жидкости к турбулентному [3]. Органические материалы все шире внедряются в современную микро — и оптоэлектронику. Достаточно упомянуть фото- и электронорезисты, применяемые в литографическом процессе, лазеры на органических красителях, полимерные сегнетоэлектрические пленки.

На реферат на тему жидкие кристаллы физика глазах рождается молекулярная электроника, предполагающая использование молекулярных систем в самых различных функциональных элементах. Одним из классических примеров, подтверждающих данную тенденцию, являются жидкие кристаллы [1]. Нематические жидкие кристаллы сегодня не имеют конкурентов среди других электрооптических материалов с точки зрения энергетических затрат на их коммутацию.

Оптическими реферат на тему жидкие кристаллы физика жидкого кристалла можно управлять непосредственно с микросхем, используя мощность в диапазоне микроватт. Это - прямое следствие структурных особенностей жидких кристаллов. В индикаторе часов, калькуляторов, электронных переводчиков или в плоском жидкокристаллическом телевизионном экране осуществляется один и тот же основной процесс.

Благодаря большой анизотропии диэлектрической проницаемости довольно слабое электрическое поле создает заметный вращательный момент, действующий на директор такой момент в изотропной жидкости не возникает. Из-за малой вязкости этот момент приводит к переориентации директора оптической осичего не случилось бы в твердом веществе.

  • Если поле Е и ось L составляют между собой некоторый угол, то фактически заряды в молекуле разводятся только составляющей поля Е вдоль оси L;
  • Применение жидких кристаллов Органические материалы все шире внедряются в современную микро- и оптоэлектронику.

И наконец, этот поворот приводит к изменению оптических свойств жидкого кристалла двулучепреломлению, дихроизму благодаря анизотропии его оптических свойств.

В тех случаях, когда информацию нужно запомнить, например, при записи ее лазерным лучом, используют специфические вязкоупругие свойства смектической фазы А.

  • Что касается групп, то с увеличением температуры их взаимная ориентация уменьшается, поэтому коэффициент намагничивания возрастает по абсолютной величине;
  • Анализ полученных данных показывает, что полное гашение характерно только для некоторых длин волн;
  • Время релаксации приблизительно равно 10-8 сек;
  • Холестерики ярко окрашены, и малейшее изменение температуры до тысячных долей градуса приводит к изменению шага спирали и, соответственно, к изменению окраски ЖК;
  • У ЖК необычные оптические свойства;
  • Свойства жидких кристаллов 3.

Для оптоэлектрических устройств с памятью весьма перспективны также и жидкокристаллические полимеры.

VK
OK
MR
GP