Flytande kristaller

Egenskaper för flytande kristaller

Mellantillstånden mellan fasta ämnen och vätskor – mesofaser – kallas flytande kristaller. Deras partiklar har en långsträckt eller skivformad form. Flytande kristaller upptäcktes 1888 av den tyske botanikern F. Reinitzier. Han studerade en förening som heter kolesterolbensoat. När han värmde detta ämne observerade han övergången av fasta kristaller till en grumlig vätska. Ytterligare temperaturökning resulterade i en klar vätska. Efterföljande forskning av Reinitzier och andra forskare fokuserade på egenskaperna hos det resulterande övergångstillståndet, dvs flytande kristaller. Flytande kristaller, på grund av arrangemanget av deras molekyler, är uppdelade i:

• Smektiska faser, S – molekyler är ordnade i successiva lager. Deras axlar är parallella med varandra.
• Kolesteriska faser, D – på samma sätt som den smektiska fasen är axlarna parallella med varandra. Partiklarna är ordnade i kolumner.
• Nematiska faser, N – fritt rörliga molekyler, riktar sig i specifika riktningar i rymden. När det gäller nematik är deras tyngdpunkter inte ordnade.

Flytande kristaller kombinerar egenskaperna hos både vätskor (förmåga att flyta) och fasta ämnen (strukturens organisation). Detta tillstånd bibehålls i fallet med ett visst ämne, endast i ett visst temperaturintervall. Under påverkan av till och med en liten förändring i elektrisk ström eller temperatur förändras deras struktur. Flytande kristallfaser har mycket goda optiska egenskaper. De uppvisar linjär och cirkulär dikroism.

Metoder för att erhålla flytande kristaller

Flytande kristallfaser är möjliga endast för ämnen vars molekyler har rätt struktur – en starkt anisotrop form, amfifilitet. De skapas i en- och flerkomponentsystem. Den huvudsakliga faktorn som bestämmer erhållandet av flytande kristaller är en gradvis förändring av temperaturen. Det har stort inflytande på ordningen på faserna som uppträder efter varandra. Denna sekvens kan presenteras enligt följande: kristall – smektisk – nematisk – kolesterisk – isotrop vätska. Ett sätt att få flytande kristaller är att värma den fasta kristallina formen av ett specifikt ämne. De resulterande kristallerna kallas den termotropiska mesofasen. Att höja temperaturen smälter inte det fasta ämnet omedelbart, men det omvandlar dess kristallina form till en flytande kristallin form. Ytterligare uppvärmning kommer att leda till en vätska. Ett annat sätt är att lösa upp molekyler som är kända för att existera i flytande kristallfaser i ett lämpligt lösningsmedel. Sådana kristaller kallas den lyotropa mesofasen.

Användningen av flytande kristaller

Utan tvekan är flytande kristaller oftast förknippade med skärmar. LCD (liquid crystal displays) använder fenomenet optisk dubbelbrytning. Celler i vilka flytande kristaller är inbäddade är anslutna med elektroder. Genom att kontrollera den resulterande spänningen kan molekylerna ordnas för att erhålla effekten av ljusbrytande. Att blanda flytande kristaller med färgämnen resulterar i (beroende på molekylernas orientering) absorption av ljus med olika våglängder och det blir möjligt att få en färgbild. Jämfört med katodstrålerörsmodeller kan en LCD-skärm bara fungera med sin maximala upplösning i sann upplösning. Detta framtvingas av ett fast antal pixlar. Dessutom har de inte flimmereffekten på grund av en lägre uppdateringsfrekvens. De otvivelaktiga fördelarna med flytande kristallskärmar inkluderar också lägre strömförbrukning, produktion av ett svagare magnetfält och mindre skadliga effekter på synen. LCD-skärmar används också i flyginstrument, miniräknare och elektroniska klockor. Andra användningsområden för flytande kristaller:

• Som tillsatser till färger och emulsioner visar de förmågan att ändra färg under påverkan av temperatur (tonade bilrutor, leksaker som ändrar färg under bad).
• Krämer med flytande kristaller blir allt populärare. De förhindrar vattenförlust från epidermis.
• Flytande kristaller används i vissa termometrar. De använder ändringen av färgen på det reflekterade ljuset beroende på temperaturen. En liknande funktion används i temperaturdetektorer.
• En intressant lösning är användningen av flytande kristaller som logiska grindar. De tillämpas bland annat inom optoelektronik, där så kallade icke-linjära fenomen används.