Рисунок 5.2.1.13 – Структурні схеми групи ліотропних рідких кристалів лінійної структури

5.2.2 Ліотропні рідкі кристали комірчастої структури

Сукупність ліотропних рідких кристалів комірчастої структури включає дві групи: Р та РН. Ці групи в свою чергу поділяються на шість класів: Р1, Р2, Р3, РН1, РН2 та РН3.

До групи Р відносяться три класи (рис. 5.2.2.14). Клас Р1 містить агрегати молекули – комірці – в формі стрижнів з органічною серцевиною, оточені водою. Перетин стрижнів в основному чотирьохкутне. Це нормальна двомірна тетрагональна структура Р1. Клас Р2 включає комірці в вигляді стрижнів з водною серцевиною. Перетин стрижнів квадратний. Цей клас називається зворотною двомірною тетрагональною структурою. Клас Р3 охоплює комірці ромбоедричного пакування в формі стрижнів з органічною серцевиною, оточенні водою. Перетин стрижнів прямокутний – нормальна двомірна прямокутна структура.

Рисунок 5.2.2.14 – Структурні схеми групи ліотропних рідких кристалів комірчастої структури

До групи РН відносяться також три класи. Клав РН1 містить комірці з гексагональним пакуванням в формі стрижнів з органічною серцевиною. Перетин стрижнів має форму кільця або шестигранника. Ця середня фаза або нормальна двомірна гексагональна структура в залежності від форми перетину стрижня. Клас РН2 містить комірці з гексагональним пакуванням в формі стрижнів з водною серцевиною. Перетин стрижня має форму кільця або шестигранника, це зворотна двомірна гексагональна структура (рис.5.2.2.15). Клас РН3 включає частки більш складної структури, оточенні водою та які мають гексагональне пакування – комплексна двомірна гексагональна структура.

Рисунок 5.2.2.15 – Структурні схеми групи ліотропних рідких кристалів комірчастої гексагональної структури

5.2.3 Ліотропні рідкі кристали кубічної структури

Ці кристали складають групу С, яка складається з двох підгруп: IV – 1 та IV – 2. До першої відносяться класи Сf з кубічним гранецентрованим пакуванням, до другої – класи з об’ємноцентрованим кубічним пакуванням Сb.

Клас Сf поділяється на три підкласи: Сf1, Cf2 та Cf3. До цих підкласів відносяться комірці гранецентрованої кубічною структурою, які розташовані в об’ємній решітці. Перетин комірців може змінюватись від кільцеподібних до дванадцятигранних. Підклас Сf1 містить комірці з органічною серцевиною, оточені водою – нормальна гранецентрована кубічна структура. Підклас Сf2 – з водною серцевиною – зворотна гранецентрована кубічна структура. Підклас Сf3 включає комірці більш складної структури – комплексна гранецентрована кубічна структура.

Клас Сb розділяється на два підкласи: Cb1 та Cb2. До цих підкласів відносяться комірці кубічної об’ємноцентрованої структури з кільцеподібним перетином. Підклас Сb1 – нормальна об’ємноцентрована кубічна структура – містить комірці з органічною серцевиною, оточену водою. Підклас Сb2 – комплексна об’ємноцентрована кубічна структура – комірці більш складної форми з кубічним об’ємноцентрованим пакуванням. [4]

6. ДЕФЕКТИ В РІДКИХ КРИСТАЛАХ

Якщо не приймати спеціальних засобів обережності для отримання однородного препарату, то при плавленні твердої мезогенної речовини отримуються ті чи інші складні текстури. Проявлення різних типів дефектів, тобто порушень оптичної безперервної рідкокристалічної фази.

Ці дефекти надзвичайно різноманітні. Нитки, ядра, інверсійні стінки, петлі, конфокальні домени – добре видні за допомогою звичайного поляризаційного мікроскопа, так як вони мають достатньо великі розміри. Вже цим дефекти в рідких кристалах відрізняються від дефектів в твердих тілах, де вони мають субмікроскопічні розміри й за допомогою звичайної мікроскопічної техніки вирішуються погано. Причина такої різниці в розмірах полягає в тому, що енергія, необхідна для стабілізації дефектів в рідких кристалах, трохи менше відповідній енергії для твердого кристала. Дефекти в рідких кристалах часто стабілізуються опорними стінками або сторонніми включеннями. Вони виникають в процесі плавлення твердого кристала, при приложені електричних і магнітних полів, при виниканні градієнтів температури, в результаті механічних деформацій.

Дефекти в рідких кристалах можна поділити на три групи. Точкові дефекти, що належать до першої групи, добре відомі по твердим кристалам. Це, перш за все, дефекти молекулярних розмірів – дефекти по Френзелю та Шоттки. Можна думати, що ці дефекти в рідких кристалах проявляються в більш високих концентраціях, ніж в твердих кристалах внаслідок високої рухомості молекул. Інші точкові дефекти молекулярних розмірів пов’язані з обертанням молекул рідких кристалів вздовж довгих і коротких осей, з процесіоним рухом і з відхиленням довгих осей молекул від напрямку директора на величини порядку градуса. Ці дефекти не проявляються візуально в текстурах, й їх вивчення можливо тільки резонансними методами. Другий тип дефектів – це лінійні дефекти. В рідких кристалах спостерігається як лінійні дефекти, типові для твердих кристалів, - дислокації, так і дефекти, що рідко зустрічаються в твердих кристалах,- дисклинації. Вони визначають головним чином вид текстур рідких кристалів.

Третій тип дефектів – це двомірні дефекти або стінки. Вони також дуже часто бувають присутні в рідких кристалах і багато в чому визначають вид спостережуємій текстури. До цього останього типу можна віднести й різноманітні домени – конфокальні й більш складні полігональні утворення.

Розглянемо докладно лінійні дефекти. Візьмемо полий циліндр із речовини, що вивчаємо і розріжемо його уздовж твірної, як показано на рис. 6.16. Зміщуючи берега розрізу вздовж трьох осій координат, ми отримуємо краєві та гвинтові дислокації. В першому випадку вектор Бюргерса b перпендикулярний лінії дислокації L, в другому – паралельний (рис. 6.16, а – в).

Рисунок 6.16 – Процес Вольтерра утворення дислокацій та дисклінацій

Лінії дислокацій і дисклінацій L розташовані вздовж осі Х3. Напрямок зміщення та обертання показані векторами b та ν відповідно. а) і б) – краєві дислокації, в) – гвинтова дислокація, г) і д) – гвинтові дисклинації, е) – клинова дисклинація

Дисклинації виникають при обертанні берегів розрізу кругом осі ν, що розташована теж уздовж трьох осей координат. В перших двох випадках (рис.6.16,г,д) ось ν перпендикулярна лінії дисклинації L. Такі дисклинації називаються гвинтовими. В останньому випадку (рис. 6.16, е) ν паралельна L. Ця дисклинація називається клиновою.

В загальному випадку в результаті розглянутого процесу Вольтерра зсув кожної точки середи можна представити як

d=b+Ω(ν*r) (6.3)

де b – вектор Бюргерса

r – відстань до осі обертання ν, кругом якої середа оберталась на кут Ω

Дислокації в рідких кристалах можливі тільки в шаруватих структурах. При цьому вектор Бюргерса b повинний бути кратним числу шарів.

Дисклинації – більш часті дефекти в рідких кристалах.

Кут Ω в формулі (6.3), на який обертаються береги розрізу кругом осі ν, не може мати будь-які значення. Це обумовлено тим фактом, що оптичні осі по одну та іншу сторону дисклинації зберігають свій напрямок незмінним. Тому кут Ω повинен бути цілим, кратним π:

Ω=2πs (6.4)

де s – ціле або напівціле число, що називається силою дисклинації

Прийнято вважати силу дисклинації s позитивною, якщо в процесі Вольтерра приходиться видаляти залишок речовини. Якщо при утворенні дисклинації треба додати речовину, то її сила буде негативною.

Часто замість сили дисклинації користуються іншою величиною, що називається індексом Франка.

Дисклинації, також як і дислокації, взаємодіють один з одним, а також с дисклинаціями, крапковими дефектами поверхні, причому роль заряду в цих взаємодіях грає сила дисклинації або індекс Франка. [3]

7. ЗАСТОСУВАННЯ РІДКИХ КРИСТАЛІВ

7.1 Дисплеї на рідких кристалах

Відомо, якою популярністю користувалися різні електронні ігри, що зазвичай встановлюються в кімнаті атракціонів в місцях суспільного відпочинку або фойє кінотеатрів. Успіхи в розробці матричних рідкокристалічних дисплеїв зробили можливим створення і масове виробництво подібних ігор в мініатюрному, так би мовити, кишеньковому виконанні.

Першою такою грою в Росії стала гра «Ну, почекай!», освоєна вітчизняною промисловістю. Габарити цієї гри, як в записника, а основним його елементом є рідкокристалічний матричний дисплей, на якому висвічуються зображення вовка, зайця, курей і яєчок, що котяться по жолобах. Завдання людини що грає, натискуючи кнопки управління, змусити вовка, переміщаючись від жолоба до жолоба, ловити яєчка, що скачуються з жолобів в корзину, аби не дати їм впасти на землю і розбитися. Тут же відзначимо, що, окрім розважального призначення, ця іграшка виконує роль годинника і будильника, тобто в іншому режимі роботи на дисплеї «висвічується» час і може подаватися звуковий сигнал в необхідний момент часу.

Ще один вражаючий приклад ефективності союзу матричних дисплеїв на рідких кристалах і мікроелектронної техніки дають сучасні електронні словники і перекладачі, які почали випускати в Японії. Вони є мініатюрними обчислювальними машинками розміром із звичайний кишеньковий мікрокалькулятор, в пам'ять яких введені слова на двох (або більше) мовах і які забезпечені матричним дисплеєм і клавіатурою з алфавітом. Набираючи на клавіатурі слово на одній мові, ви вмить отримуєте на дисплеї його переклад іншою мовою. Уявіть собі, як покращає і полегшиться процес навчання іноземним мовам в школі і у вузі, якщо кожен учень буде забезпечений подібним словником. А, спостерігаючи, як швидко вироби мікроелектроніки упроваджуються в наше життя, можна з упевненістю сказати, що такий час не за горами. Легко представити і дороги подальшого вдосконалення таких словарів-переводчиків: переводиться не одне слово, а ціле речення. Крім того, переклад може бути і озвучений. Словом, впровадження таких словарів-переводчиків обіцяє революцію у вивченні мов і техніці перекладу.

Поява в нашому сучасному житті органайзерів, здатних нагромаджувати, обробляти і аналізувати інформацію дозволяє користувачеві вести індивідуальне планерування свого часу, враховуючи можливість виконання ряду дій, пов'язаних з контактами, зустрічами і так далі Органайзер завчасно нагадає про настання часу і дати особливо важливих заходів.

Мініатюризація відбувається в даному випадку в основному із-за зменшення дисплея. Як видно, рідкокристалічний дисплей вирішує цю задачу дуже просто.

7.2 Виготовлення інтегральних схем

Союз мікроелектроніки і рідких кристалів виявляється надзвичайно ефективним не лише в готовому виробі, але і на стадії виготовлення інтегральних схем. Як відомо, одним з етапів виробництва мікросхем є фотолітографія, яка полягає в нанесенні на поверхню напівпровідникового матеріалу спеціальних масок, а потім у витравленні за допомогою фотографічної техніки так званих літографічних вікон. Ці вікна в результаті подальшого процесу виробництва перетворяться в елементи і з'єднання мікроелектронної схеми. Від того, наскільки малі розміри відповідних вікон, залежить число елементів схеми, які можуть бути розміщені на одиниці площі напівпровідника, а від точності і якості витравлення вікон залежить якість мікросхеми.

Не менш корисним виявилося вживання рідких кристалів (тепер уже нематичних) на стадії контролю якості літографічних робіт. Для цього на напівпровідникову пластину з протравленими літографічними вікнами наноситься орієнтований шар нематика, а потім до неї прикладається електрична напруга. В результаті в поляризованому світлі картина витравлених вікон виразно візуалізується. Більш того, цей метод дозволяє виявити дуже малі по розмірах неточності і дефекти літографічних робіт, протяжність яких всього 0,01 мкм.

7.3 Рідкокристалічні телевізори

Створення телевізорів з рідкокристалічними екранами стало новою історичною віхою вживання рідких кристалів (LCD). Телевізори цього типа стають доступніше для покупців, тому що відбувається регулярно зниження цін, із-за вдосконалення технологій виробництва.

Екран LCD - це екран просвітного типу, тобто екран, який підсвічує із зворотного боку лампою білого кольору, а вічка основних кольорів (RGB - червоний, зелений, синій), розташовані на трьох панелях відповідних кольорів, пропускають або не пропускають через себе світло залежно від прикладеної напруги. Саме тому відбувається певне запізнювання картинки (час відгуку), особливо помітне при перегляді об'єктів, що швидко рухаються. Час відгуку в сучасних моделях різниться від 15мс (мілісекунди, 1мс - одна тисячна секунди) до 40мс і залежить від типу і розміру матриці. Чим менше цей час, тим швидше міняється зображення, немає явищ шлейфу і накладення картинок.

Час роботи лампи для більшості LCD-панелей майже на початковій яскравості - 60 000 годин (це вистачить приблизно на 16 років при перегляді телевізора по 10 годин в день). Для порівняння: в плазмових телевізорах яскравість за той же час зменшується набагато сильніше, а для кінескопних телевізорів (вигоряє люмінофор) поріг - 15000-20 000 годин (приблизно 5 років), потім якість помітно погіршується.

Прикладом досконалості може служити екран LCD телевізора LG RZ-23LZ20 який передає близько 17 мільйонів кольорів, з високим дозволом 1280 х 768 пікселів, з контрастністю 400:1 і яскравістю в 450кд/м. Це - прекрасний зразок рідкокристалічної технології.

Кут огляду в рідкокристалічних телевізорах останніх моделей досягає 160-170 градусів по вертикалі і горизонталі, а це робить проблему набагато менш гострою, чим вона була кілька років тому.

Недоліком рідкокристалічних екранів є наявність непрацюючих пікселів. Непрацюючі пікселі - пікселі, які постійно включені в якомусь одному стані і не міняють свій колір залежно від сигналу. Різні виробники допускають різну кількість непрацюючих пікселів на екрані, про що пишуть в інструкціях по використанню товару. Наприклад, в інструкції може бути написано "якщо на панелі ви виявили не більше чотирьох непрацюючих пікселів, то панель вважається повністю працездатною". У рідкокристалічних моніторах взагалі не допускається наявність непрацюючих пікселів, оскільки на монітор ми дивимося з набагато ближчої відстані, ніж на телевізор, і відразу можемо розгледіти це "сміття". [2]

ВИСНОВКИ

Рідкі кристали — речовини, що володіють одночасно властивостями як рідин (текучість), так і кристалів (анізотропія). По структурі рідкі кристали є рідинами, схожими на желе, що складаються з молекул витягнутої форми, певним чином впорядкованих у всьому об'ємі цієї рідини. Найбільш характерною властивістю рідких кристалів є їх здатність змінювати орієнтацію молекул під впливом електричних полів, що відкриває широкі можливості для вживання їх в промисловості.

По своїх загальних властивостях рідкі кристали можна розділити на дві великі групи:

1. термотропні рідкі кристали, що утворюються в результаті нагрівання твердої речовини, і що існують в певному інтервалі температур і тисків;

2. ліотропні рідкі кристали, що представляють собою двох або більш компонентні системи, що утворюються в сумішах стержневидних молекул даної речовини і води (або інших полярних розчинників). Ці стержневидні молекули мають на одному кінці полярну групу, а більша частина стержня є гнучким гідрофобним вуглеводневим ланцюгом. Такі речовини називаються амфіфілами.

Термотропні рідки кристали підрозділяються на три великі класи:

1. Нематичні рідкі кристали. У цих кристалах відсутній далекий порядок в розташуванні центрів тяжіння молекул, у них немає шаруватої структури, їх молекули ковзають безперервно у напрямі своїх довгих осей, обертаючись довкола них, але при цьому зберігають орієнтаційний порядок: довгі осі направлені уздовж одного переважного напряму. Вони поводяться подібно до звичайних рідин. Нематичні фази зустрічаються лише в таких речовинах, в молекул яких немає відмінності між правою і лівою формами, їх молекули тотожні своєму дзеркальному зображенню (ахиральні).

2. Смектичні рідкі кристали мають шарувату структуру, шари можуть переміщатися один відносно одного. Товщина смектичного шару визначається довжиною молекул (переважно, довжиною парафінового «хвоста»), проте в'язкість смектиків значно вище чим в нематиків і щільність по нормалі до поверхні шару може сильно мінятися.

3. Холестеричні рідкі кристали — утворюються, в основному, з'єднаннями холестерину і інших стероїдів. Це нематичні рідкі кристали, але їх довгі осі повернені один відносно одного так, що вони утворюють спіралі, дуже чутливі до зміни температури унаслідок надзвичайно малої енергії утворення цієї структури (порядка 0,01 Дж/міль). Холестерики яскраво забарвлені і щонайменша зміна температури (до тисячних доль градуса) наводить до зміни кроку спіралі і, відповідно, зміни забарвлення рідкого кристала.

У рідких кристалів незвичайні оптичні властивості. Нематики і смектики — оптично одноосні кристали. Холестерики внаслідок періодичної будови сильно відображають світло у видимої області спектру. Оскільки в нематиках і холестериках носіями властивостей є рідка фаза, то вона легко деформується під впливом зовнішньої дії, а оскільки крок спіралі в холестериках дуже чутливий до температури, то, отже, і віддзеркалення світла різко міняється з температурою, наводячи до зміни кольору речовини.

Ці явища широко використовуються в різних застосуваннях, наприклад, для знаходження гарячих крапок в мікроланцюгах, локалізації переломів і пухлин у людини, візуалізації зображення в інфрачервоних променях і інше. Всі форми життя так чи інакше пов'язані з діяльністю живої клітини, багато структурних ланок якої схожі на структуру рідких кристалів. Володіючи чудовими діелектричними властивостями, рідкі кристали утворюють внутріклітинні гетерогенні поверхні, вони регулюють взаємини між кліткою і зовнішнім середовищем, а також між окремими клітками і тканинами, повідомляють необхідну інертність складовим частинам клітки, захищаючи її від ферментативного впливу.

Таким чином, встановлення закономірностей поведінки рідких кристалів відкриває нові перспективи в розвитку молекулярної біології.

ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ

Книги

1. Чистяков И.Г., Жидкие кристаллы, М., 1966

2. Беляков В.А., Жидкие кристаллы, М.: Знание, 1986

3. Сонин А.С., Введение в физику жидких кристаллов, М., 1983

4. Пикин С.А., Структурные превращения в жидких кристаллов, М., 1981

Страницы: 1, 2, 3