Ciekłe kryształy

Charakterystyka ciekłych kryształów

Stany pośrednie pomiędzy ciałami stałymi, a cieczami – mezofazy – nazywane są ciekłymi kryształami. Ich cząsteczki posiadają wydłużony lub dyskotyczny kształt. Ciekłe kryształy zostały odkryte w 1888 roku przez niemieckiego botanika F. Reinitziera. Badał on związek o nazwie benzoesan cholesterolu. W trakcie ogrzewania tej substancji obserwował przejście kryształów ciała stałego w mętną ciecz. Dalsze podwyższanie temperatury doprowadziło do otrzymania klarownej cieczy. Kolejne badania Reinitziera i innych badaczy, skupiły się na charakterystyce powstałego stanu przejściowego, czyli ciekłych kryształów.

Ciekłe kryształy, ze względu na sposób ułożenia cząsteczek, dzieli się na:

• Fazy smektyczne, S – cząsteczki ustawione są w kolejnych warstwach. Ich osie znajdują się równolegle do siebie.
• Fazy cholesteryczne, D – podobnie jak dla fazy smektycznej, osie są równoległe względem siebie. Cząsteczki uporządkowane są kolumnowo.
• Fazy nematyczne, N – swobodnie przemieszczające się cząsteczki, ustawiają się w określonych kierunkach w przestrzeni. W przypadku nematyków, ich środki ciężkości nie są uporządkowane.

Ciekłe kryształy łączą w sobie cechy charakterystyczne zarówno dla cieczy (zdolność do płynięcia), jak również ciał stałych (uporządkowanie struktury). Taki stan utrzymuje się w przypadku określonej substancji, jedynie w pewnym zakresie temperatur. Pod wpływem nawet niewielkiej zmiany prądu elektrycznego lub temperatury, ich struktura ulega przemianie. Fazy ciekłokrystaliczne mają bardzo dobre właściwości optyczne. Wykazują dichroizm liniowy i kołowy.

Sposoby otrzymywania ciekłych kryształów

Fazy ciekłokrystaliczne są możliwe jedynie dla substancji, których molekuły mają właściwą budowę – silnie anizotropowy kształt, amfifilowość. Powstają w układach jedno- i wieloskładnikowych. Głównym czynnikiem determinującym otrzymywanie ciekłych kryształów jest stopniowa zmiana temperatury. Ma ona ścisły wpływ na kolejność pojawiających się po sobie faz. Sekwencję tę można przedstawić następująco: kryształ – smektyk – nematyk – cholesteryk – ciecz izotropowa.

Jednym ze sposobów otrzymywania ciekłych kryształów, jest ogrzewanie stałej formy krystalicznej określonej substancji. Powstałe kryształy nazywane są mezofazą termotropową. Podwyższanie temperatury nie powoduje natychmiastowego stopienia się substancji stałej, ale przejście jej formy krystalicznej w ciekłokrystaliczną. Dalsze ogrzewanie doprowadzi do otrzymania cieczy.

Innym sposobem jest rozpuszczenie cząsteczek,  co do których znane jest ich występowanie w fazach ciekłokrystalicznych, w odpowiednim rozpuszczalniku. Takie kryształy nazywane są mezofazą liotropową.

Zastosowanie ciekłych kryształów

Niewątpliwie najpowszechniej ciekłe kryształy są kojarzone z wyświetlaczami. Ekrany ciekłokrystaliczne LCD, bo o nich mowa, wykorzystują zjawisko dwójłomności optycznej. Komórki, w których są zatopione ciekłe kryształy, połączone są elektrodami. Sterowanie powstałym napięciem, pozwala na uporządkowanie cząsteczek, aby uzyskać efekt załamywania światła. Zmieszanie ciekłych kryształów z barwnikami, spowodowało, że w zależności od orientacji cząsteczek, absorbują one światło o różnych długościach fali i możliwe staje się uzyskanie barwnego obrazu. Ekran LCD, w porównaniu do modeli kineskopowych, może pracować z maksymalną rozdzielczością tylko w rozdzielczości rzeczywistej. Wymusza to na nim stała liczba pikseli. Ponadto nie posiadają one tzw. efektu migotania, dzięki mniejszej częstotliwości odświeżania. Do niewątpliwych zalet ekranów ciekłokrystalicznych należy również mniejsze zużycia prądu, wytwarzanie słabszego pola magnetycznego oraz mniej szkodliwy wpływ na wzrok. Ekrany LCD zostały zastosowane także w przyrządach lotniczych, kalkulatorach czy zegarkach elektronicznych.

Inne zastosowania ciekłych kryształów:

• Jako dodatki do farb i emulsji, wykazują zdolność do zmiany barwy pod wpływem temperatury (przyciemnianie szyb samochodowych, zabawki zmieniające kolor w trakcie kąpieli).
• Popularność zyskują kremy z ciekłymi kryształami. Zapobiegają one utracie wody z naskórka.
• Ciekłe kryształy stosowane są w niektórych termometrach. Wykorzystują zmianę barwy odbijanego światła w zależności od temperatury. Podobna ich cecha jest wykorzystywana w detektorach temperatury.
• Interesującym rozwiązaniem jest zastosowanie ciekłych kryształów, jako bramek logicznych. Wykorzystywane są m.in. w optoelektronice, gdzie korzysta się z tzw. zjawisk nieliniowych