Hoewel ze slechts een klein percentage van alle organische verbindingen uitmaken, wordt het belang van vloeibare kristallen steeds groter. Hun steeds bredere praktische toepassing en hun voorkomen in vele systemen, bijvoorbeeld biologische, maken vloeibaar-kristalfasen niet alleen interessant voor onderzoekers uit verschillende vakgebieden. Het resultaat van het werk van wetenschappers dat de afgelopen decennia is uitgevoerd, is de synthese van tienduizenden vloeibare kristalverbindingen en de ontdekking van hun buitengewone eigenschappen.
Kenmerken van vloeibare kristallen
De tussenliggende toestanden tussen vaste stoffen en vloeistoffen – mesofasen – worden vloeibare kristallen genoemd. Hun deeltjes hebben een langwerpige of schijfvormige vorm. Vloeibare kristallen werden in 1888 ontdekt door de Duitse botanicus F. Reinitzier. Hij bestudeerde een stof genaamd cholesterolbenzoaat. Terwijl hij deze substantie verhitte, observeerde hij de overgang van vaste kristallen naar een troebele vloeistof. Verdere temperatuurstijging resulteerde in een heldere vloeistof. Later onderzoek door Reinitzier en andere onderzoekers concentreerde zich op de kenmerken van de resulterende overgangstoestand, dwz vloeibare kristallen. Vloeibare kristallen zijn, vanwege de rangschikking van hun moleculen, onderverdeeld in:
- Smectische fasen, S-moleculen zijn gerangschikt in opeenvolgende lagen. Hun assen zijn evenwijdig aan elkaar.
- Cholesterische fasen, D – vergelijkbaar met de smectische fase, de assen zijn evenwijdig aan elkaar. De deeltjes zijn gerangschikt in kolommen.
- Nematische fasen, N – vrij bewegende moleculen, richten zich in specifieke richtingen in de ruimte. In het geval van nematica zijn hun zwaartepunten niet geordend.
Vloeibare kristallen combineren de kenmerken van zowel vloeistoffen (vermogen om te stromen) als vaste stoffen (organisatie van de structuur). Deze toestand wordt in het geval van een bepaalde stof alleen in een bepaald temperatuurbereik gehandhaafd. Onder invloed van zelfs maar een kleine verandering in elektrische stroom of temperatuur verandert hun structuur. Vloeibaar-kristalfasen hebben zeer goede optische eigenschappen. Ze vertonen lineair en circulair dichroïsme.
Methoden voor het verkrijgen van vloeibare kristallen
Vloeibaar-kristalfasen zijn alleen mogelijk voor stoffen waarvan de moleculen de juiste structuur hebben – een sterk anisotrope vorm, amfifiliciteit. Ze worden gemaakt in systemen met één of meerdere componenten. De belangrijkste factor die het verkrijgen van vloeibare kristallen bepaalt, is een geleidelijke verandering in temperatuur. Het heeft grote invloed op de volgorde van de fasen die na elkaar verschijnen. Deze volgorde kan als volgt worden weergegeven: kristal – smectisch – nematisch – cholesterisch – isotrope vloeistof. Een manier om vloeibare kristallen te verkrijgen, is door de vaste kristallijne vorm van een specifieke stof te verwarmen. De resulterende kristallen worden de thermotrope mesofase genoemd. Door de temperatuur te verhogen smelt de vaste stof niet onmiddellijk, maar verandert de kristallijne vorm ervan in een vloeibaar kristallijne vorm. Verdere verhitting zal leiden tot een vloeistof. Een andere manier is om moleculen waarvan bekend is dat ze bestaan in vloeibare kristalfasen op te lossen in een geschikt oplosmiddel. Dergelijke kristallen worden de lyotrope mesofase genoemd.
Het gebruik van vloeibare kristallen
Vloeibare kristallen worden ongetwijfeld het meest geassocieerd met beeldschermen. LCD (liquid crystal displays) gebruiken het fenomeen van optische dubbele breking. Cellen waarin vloeibare kristallen zijn ingebed, zijn verbonden door elektroden. Door de resulterende spanning te regelen, kunnen de moleculen worden gerangschikt om het effect van brekend licht te verkrijgen. Het mengen van vloeibare kristallen met kleurstoffen resulteert (afhankelijk van de oriëntatie van de moleculen) in de absorptie van licht van verschillende golflengten en het wordt mogelijk om een kleurenbeeld te krijgen. Vergeleken met kathodestraalbuismodellen kan een LCD-scherm alleen in ware resolutie op maximale resolutie werken. Dit wordt afgedwongen door een vast aantal pixels. Bovendien hebben ze niet het flikkereffect door een lagere verversingssnelheid. De onbetwiste voordelen van LCD-schermen omvatten ook een lager stroomverbruik, de productie van een zwakker magnetisch veld en minder schadelijke effecten op het gezichtsvermogen. LCD-schermen worden ook gebruikt in luchtvaartinstrumenten, rekenmachines en elektronische horloges. Andere toepassingen van vloeibare kristallen:
- Als toevoegingen aan verven en emulsies vertonen ze het vermogen om van kleur te veranderen onder invloed van temperatuur (getinte autoruiten, speelgoed dat van kleur verandert tijdens het baden).
- Crèmes met vloeibare kristallen winnen aan populariteit. Ze voorkomen waterverlies uit de opperhuid.
- In sommige thermometers worden vloeibare kristallen gebruikt. Ze gebruiken de kleurverandering van het gereflecteerde licht afhankelijk van de temperatuur. Een vergelijkbare functie wordt gebruikt in temperatuurdetectoren.
- Een interessante oplossing is het gebruik van vloeibare kristallen als logische poorten. Ze worden onder andere toegepast in de opto-elektronica, waar zogenaamde niet-lineaire verschijnselen worden gebruikt.
