Смектические жидкие кристаллы. 
Различные степени упорядочения смектических жидких кристаллов. 
Параметр порядка смектической фазы

Федеральное агентство по рыболовству Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

" Мурманский государственный технический университет"

(ФГБОУ ВПО «МГТУ»)

Реферат Смектические жидкие кристаллы. Различные степени упорядочения смектических жидких кристаллов. Параметр порядка смектической фазы Мурманск

Оглавление Введение

1. Общие понятия о жидких кристаллах

2. Смектические жидкие кристаллы

2.1 Различные степени упорядочения смектических жидких кристаллов

2.2 Параметр порядка смектической фазы Заключение

Целью данной работы является рассмотрение такого класса веществ, как жидкие кристаллы.

Для реализации поставленной цели необходимо решить ряд задач:

1) показать отличительные особенности смектических жидких кристаллов;

2) рассмотреть различные степени упорядочения смектических жидких кристаллов;

3) определить параметр порядка смектической фазы.

1. Общие понятия о жидких кристаллах

Жидкие кристаллы — вещества, переходящие при определенных условиях (температурара, давление, концентрация в растворе) в жидкокристаллическое состояние, которое является промежуточным между кристаллическим состоянием и жидкостью. Как и обычные жидкости, жидкие кристаллы обладают текучестью, но при этом для них характерно спонтанное появление анизотропии свойств (оптических, электрических, магнитных и др.) при отсутствии трехмерного дальнего порядка в расположении частиц (атомов, молекул). Поэтому жидкокристаллическое состояние часто называют также мезоморфным (мезофазой). На диаграмме состояния температурный интервал существования жидких кристаллов ограничен температурой плавления твердых кристаллов (температура просветления), при которой жидкокристаллические мутные образцы становятся прозрачными вследствие плавления мезофазы и превращения ее в изотропную жидкость.

Характерной особенностью ЖК является наличие дальнего ориентационного порядка в расположении молекул, а иногда одноили двумерного квази-дальнего трансляционного или позиционного порядка. ЖК демонстрируют большое разнообразие фаз, которые отличаются друг от друга по своей структуре и физическим свойствам.

Хотя ЖК, или мезофазы, сочетают в себе свойства твердого тела и изотропной жидкости, они проявляют весьма специфические электрооптические явления, которые не имеют соответствующих аналогов среди твердых тел или изотропных жидкостей.

Открытие промежуточного жидкокристаллического состояния вещества принадлежит австрийскому ботанику Фридриху Рейнитцеру. Он описал свой опыт с эфиром холестерина в статье, опубликованной в 1888 году. Термин «жидкий кристалл» был впервые предложен немецким физиком Отто Леманном. Классификацию ЖК на основе их структурных свойств предложил французский минералог Жорж Фридель. В 1922 году экспериментальные исследования О. Леманна и Г. Фриделя, вместе с теорией ЖК представленной шведским физиком Карлом Озеена, сформировали научные основы учения о жидких кристаллах. С середины 1960 года вся теоретическая и экспериментальная база развивалась под влиянием французского физика Пьера-Жиль де Жена.

Наиболее существенным свойством жидких кристаллов является анизотропия. Из-за анизотропии электрических и магнитных свойств, ориентация молекул ЖК может эффективно контролироваться воздействием слабых электрических или магнитных полей. В результате изменения ориентации ЖК молекул, можно регулировать оптические, механические свойства среды. Данные свойства важны для функционирования устройств, основанных на ЖК: цифровые часы, калькуляторы, плоские телевизионные дисплеи, термометры и ЖК дисплеи, которые, в свою очередь, являются примерами того, чего могут достичь ЖК технологии.

2. Смектические жидкие кристаллы

Смектические жидкие кристаллы могут быть образованы веществами, молекулы которых имеют вытянутую стержнеобразную форму и ориентированы параллельно друг другу, образуя тонкий слой. Внутри слоев, в боковых направлениях, строгая периодичность в расположении молекул отсутствует. Смектическими жидкими кристаллами являются, например, радужные мыльные пузыри. Смектический слой обладает важнейшим свойством твердого кристалла — анизотропией оптических свойств, так как вдоль длинной оси молекул свет распространяется с меньшей скоростью, чем поперек нее, и показатели преломления в жидком кристалле в этих направлениях различны.

Смектические соединения (смектики) по своему строению ближе всего к истинно кристаллическим телам. Молекулы в смектиках расположены в слоях, а их центры масс подвижны в двух измерениях (на смектической плоскости). При этом длинные оси молекул в каждом слое могут располагаться как перпендикулярно плоскости слоя (ортогональные смекти-ки), так и под некоторым углом (наклонные смектики). Направление пре-имущественной ориентации осей молекул принято называть директором и обозначать вектором. Термин «смектики» происходит от греческого слова «смегма» — мыло, поскольку первые ЖК — соединения такого типа были обнаружены среди мылоподобных веществ.

2.1 Различные степени упорядочения смектических жидких кристаллов Смектические фазы имеют большую степень порядка, чем нематические. Смектические фазы представляют собой двумерные упорядоченные слои, в которых толщина слоя примерно равна толщине молекулярного стержня. Из-за слабых взаимодействий между слоями один слой может легко скользить по другим. Для менее упорядоченных смектических фаз, таких, как, А и С (рис. 1. (а), (в)), внутри слоя реализуется аналогичное жидкому состоянию статистическое распределение мезогенов. В случае более упорядоченной смектической фазы В (рис. 1. (б)) молекулы-стержни имеют гексагональную упаковку. Тот же эффект увеличения порядка наблюдается при организации плоских стержней по типу «елочка», исключающей вращение вокруг продольной оси (смектическая фаза Е (рис. 1. (г)). К настоящему времени изучено не менее 12 различных смектических фаз (SA-S1), причем наиболее упорядоченный смектик имеет и наиболее высокую вязкость. Смектическая фаза D обладает довольно необычной кубической структурой, которая не удовлетворяет условию слоистости. В общем, при нагревании наблюдается переход от более упорядоченных фаз к менее упорядоченным в последовательности SE/SG > SB > SF > SC > SD > SA.

Рис. 1 Схематическое представление смектических фаз: (а) смектическая А, (б) смектическая В, (в) смектическая С, (г) смектическая Е.

В смектических фазах, А молекулы параллельны друг другу и расположены слоями, с длинными осями, перпендикулярными плоскости слоя (рис. 2). В слоях центры тяжести молекул упорядочены случайным образом. Смектики обладают одномерной квази-позицией дальнего порядка и в слоях молекулы проявляют относительно высокую подвижность. Толщина слоя равна длине молекулы.

Смектические фазы, А оптически положительны и однонаправлены с оптической осью, параллельной молекулярной длинной оси.

Рис. 2. Стукруткура смектической фазы, А Возможно искажение структуры смектического ЖК типа А.

Рис. 3. Деформация фазы, А жидкого кристалла: uniform — перемещение слоя Изгиб и поворотные деформации поля директора в структуре смектической фазы, А запрещены. Энергия, необходимая для изгиба слоя значительно ниже, чем энергия, необходимая для изменения межслойного пространства (прослойки)

1 / 2Bг 2,

где В — модуль сжатия; г — относительное изменение толщины слоя. Принимая смещение плоскости слоя U в качестве переменной, свободная энергия искажения задается как:

где первый член соответствует деформации директора, а второй соответствует вкладу растяжения / сжатия.

Структура смектических фаз С тесно связана со структурой смектической фазы А. Молекулы расположены в слоях, но длинные оси молекул наклонены к слоям плоскостей (рис. 4).

жидкий кристалл мезофаза смектический Рис. 4. Смектическая фаза С: n — директор, z — нормаль к слоям Для некоторых материалов угол наклона постоянен, но для других он зависит от температуры. Центры тяжести молекул случайно упорядочены и молекулы могут свободно вращаться вокруг своих длинных осей. Смектические фазы C оптически двухосны.

Смектическая фаза C* похожа на фазу С, но состоит из хиральных молекул (рис. 5), которые вращаются в направлении проекции директора на плоскость слоя из одного слоя к другому. Ось поворота в фазе C * перпендикулярна слоям.

Таким образом, эти фазы являются оптически положительно одноосными, и проявляют оптическую активность.

Рис. 5. Спиральная структура ЖК С: n — директор, z — ось вращения, м — дипольный момент Если молекулы в смектической фазе C * имеют постоянные дипольные моменты, перпендикулярные к их длинным осям, то они демонстрируют сегнетоэлектрические свойства.

2.2 Параметр порядка смектической фазы Анизотропия физических свойств жидких кристаллов в сочетании с низкой вязкостью этих соединений позволяет легко и эффективно осуществлять ориентацию и переориентацию их молекул под действием даже небольших возмущающих факторов (электрических и магнитных полей, а также механических возмущений), существенно изменяя их структуру и свойства.

Как уже отмечалось, главное отличие жидких кристаллов от обычных жидкостей в отношении внутреннего строения состоит в преимущественной ориентации осей молекул вдоль определенного направления, называемого директором. Естественно полагать поэтому, что анизотропия физических свойств мезофаз определяется именно степенью ориентационного упорядочения. Например, показатель преломления светового луча в случае параллельной (nф) и перпендикулярной (n?) ориентации длинных осей молекул каламитиков относительно директора имеет разные значения. Это обстоятельство является причиной явления, которое называется двойным лучепреломлением. Аналогично, различные значения имеет диэлектрическая проницаемость жидкого кристалла при параллельной (еф) и перпендикулярной (е?) ориентации. В зависимости от знака разности Де = еф — е? различают мезофазы с положительной и отрицательной диэлектрической анизотропией.

В качестве меры ориентационного упорядочения используется т.н. параметр порядка, введенный В. И. Цветковым еще в сороковых годах:

(где и — угол между осью отдельной молекулы и направлением директора, угловые скобки означают усреднение по всевозможным углам). Легко увидеть, что в случае полностью изотропной жидкости S = 0, в случае твердого кристалла — S = 1; параметр порядка жидких кристаллов имеет промежуточные значения. Значения разности Дn = nф — n? довольно велики; они изменяются в широких пределах в зависимости от химического состава жидкого кристалла и могут составлять 0,3−0,4. Величина и знак Де зависят от соотношения между анизотропией поляризуемости и величиной дипольного момента молекулы, а также от угла между направлением дипольного момента молекулы и ее длинной осью. Нагревание жидкого кристалла приводит к понижению ориентационной упорядоченности и уменьшению значений Де и Дn; при температуре исчезновения мезофазы анизотропия свойств полностью исчезает.

Заключение

В ходе проделанной работы был рассмотрен такой особый тип веществ, как смектические жидкие кристаллы.

Были рассмотрены их отличительные особенности и свойства, изучены различные степени упорядочения смектических ЖК и определен порядок порядка смектической фазы.

1. Химик.ру — сайт о химии [Интернет-портал]. URL: http://www.xumuk.ru/encyklopedia/1540.html (дата обращения: 15.04.2015).

2. B. Senyuk. Liquid Crystals: a Simple View on a Complex Matter [Электронный ресурс] URL: http://www.personal.kent.edu/~bisenyuk/liquidcrystals/index.html (дата обращения (15.04.2015).

3. Стид Дж.В. Супрамолекулярная химия. Пер с англ.: в 2 т. / Дж.В. Стид, Дж.Л. Этвуд. — М.: ИКЦ «Академкнига». Т. 2. — 2007. — 416 с.

4. Ingentaconnect [Электронный ресурс]. URL: http://www.ingentaconnect.com/content/tandf/tlcy (дата обращения: 16.04.2015).

5. Блинов Л. М. Жидкие кристаллы: Структура и свойства. — М.: Книжный дом «Либрком», 2013. — 480 с.

6. Phases of Liquid Crystals [Электронный ресурс]. URL: http://materials.duke.edu/XCOURSES/ME83/lcrystals2.pdf (дата обращения: 16.04.2015).

7. Роснано. Словарь нано терминов [Электронный ресурс]. URL: http://thesaurus.rusnano.com/wiki/article819 (дата обращения 16.04.2015).

8. Жидкие кристаллы [Электронный ресурс]. URL: http://veronium.narod.ru/LCD.htm (дата обращения 16.04.2015).