Хоча вони складають лише невеликий відсоток усіх органічних сполук, значення рідких кристалів постійно зростає. Їх все більш широке практичне застосування та їх поява в багатьох системах, наприклад, біологічних, роблять рідкокристалічні фази цікавими не лише для дослідників із різних галузей. Результатом роботи вчених за останні десятиліття є синтез десятків тисяч рідкокристалічних сполук і відкриття їхніх надзвичайних властивостей.
Характеристики рідких кристалів
Проміжні стани між твердими тілами і рідинами – мезофази – називають рідкими кристалами. Їх частинки мають витягнуту або дископодібну форму. Рідкі кристали відкрив у 1888 р. німецький ботанік Ф. Рейніціер. Він вивчав сполуку під назвою бензоат холестерину. Нагріваючи цю речовину, він спостерігав перехід твердих кристалів у каламутну рідину. Подальше підвищення температури призвело до утворення прозорої рідини. Подальші дослідження Рейніціє та інших дослідників зосередилися на характеристиках отриманого перехідного стану, тобто рідких кристалів. Рідкі кристали за розташуванням їх молекул поділяють на:
- Смектичні фази, S – молекули розташовані послідовними шарами. Їхні осі паралельні одна одній.
- Холестерична фаза, D – як і смектична фаза, осі паралельні одна одній. Частинки розташовані в стовпчики.
- Нематичні фази, N – вільно рухаються молекули, вибудовуються в певних напрямках у просторі. У випадку нематиків центри їх ваги не впорядковані.
Рідкі кристали поєднують в собі характеристики як рідин (здатність до течії), так і твердих тіл (організація структури). Цей стан зберігається у випадку конкретної речовини лише в певному діапазоні температур. Під впливом навіть незначної зміни електричного струму або температури їх структура змінюється. Рідкокристалічні фази мають дуже хороші оптичні властивості. Вони виявляють лінійний і круговий дихроїзм.
Методи одержання рідких кристалів
Рідкокристалічні фази можливі лише для речовин, молекули яких мають правильну будову – сильно анізотропну форму, амфіфільність. Створюються в одно- і багатокомпонентних системах. Основним фактором, що визначає отримання рідких кристалів, є поступова зміна температури. Це має великий вплив на порядок наступу фаз одна за одною. Цю послідовність можна представити так: кристал – смектична – нематична – холестерична – ізотропна рідина. Одним із способів отримання рідких кристалів є нагрівання твердої кристалічної форми певної речовини. Утворені кристали називаються термотропною мезофазою. Підвищення температури не плавить тверду речовину відразу, але вона перетворює свою кристалічну форму в рідку кристалічну форму. Подальше нагрівання призведе до утворення рідини. Іншим способом є розчинення молекул, які, як відомо, існують у рідкокристалічних фазах, у відповідному розчиннику. Такі кристали називають ліотропною мезофазою.
Використання рідких кристалів
Безсумнівно, рідкі кристали найчастіше асоціюються з дисплеями. РК (рідкокристалічні дисплеї) використовують явище оптичного подвійного променезаломлення. Комірки, в які вбудовані рідкі кристали, з’єднані електродами. Контроль результуючої напруги дозволяє розташувати молекули так, щоб отримати ефект заломлення світла. Змішування рідких кристалів з барвниками призводить (в залежності від орієнтації молекул) до поглинання світла різних довжин хвиль і стає можливим отримати кольорове зображення. Порівняно з моделями з електронно-променевою трубкою, РК-екран може працювати лише з максимальною роздільною здатністю у справжній роздільній здатності. Це примусово фіксованою кількістю пікселів. Крім того, вони не мають ефекту мерехтіння через меншу частоту оновлення. До безсумнівних переваг рідкокристалічних екранів також відносяться менше енергоспоживання, створення більш слабкого магнітного поля, менший шкідливий вплив на зір. РК-екрани також використовуються в авіаційних приладах, калькуляторах та електронних годинниках. Інші способи використання рідких кристалів:
- Як добавки до фарб і емульсій виявляють здатність змінювати колір під впливом температури (тоновані скла автомобілів, іграшки, що змінюють колір під час купання).
- Креми з рідкими кристалами набирають популярність. Вони запобігають втраті води з епідермісу.
- У деяких термометрах використовуються рідкі кристали. Вони використовують зміну кольору відбитого світла в залежності від температури. Подібна функція використовується в датчиках температури.
- Цікавим рішенням є використання рідких кристалів як логічних елементів. Вони застосовуються, зокрема, в оптоелектроніці, де використовуються так звані нелінійні явища.
