Úvod: Na stránkách vědeckých a v poslední době i populárně naučných časopisů se stále častěji objevuje pojem „liquid crystals“ (ve zkratce LCD) a články věnované tekutým krystalům. V každodenním životě se setkáváme s hodinkami a teploměry z tekutých krystalů. Co jsou to za látky s tak paradoxním názvem „tekuté krystaly“ a proč je o ně tak výrazný zájem? V naší době se věda stala produktivní silou, a proto zpravidla zvýšený vědecký zájem o určitý jev nebo předmět znamená, že tento jev nebo předmět je zajímavý pro materiální výrobu. V tomto ohledu nejsou výjimkou ani tekuté krystaly. Zájem o ně je dán především možnostmi jejich efektivního využití v řadě odvětví. Zavedení tekutých krystalů znamená hospodárnost, jednoduchost a pohodlí.
Cíl projektu: Zjistit, co jsou tekuté krystaly, kdy a jak byly objeveny a proč je o ně tak velký zájem
· Prostudujte si literaturu a internetové zdroje na toto téma
· Analyzujte literaturu a internetové zdroje na toto téma
· Prostudujte si využití LCD v technologii
Předmět výzkumu: tekuté krystaly
Co jsou tekuté krystaly?
Kapalné krystaly jsou fázovým stavem, do kterého se některé látky za určitých podmínek (teplota, tlak, koncentrace v roztoku) přeměňují. Kapalné krystaly mají současně vlastnosti kapalin (tekutost) i krystalů (anizotropie – rozdíl ve vlastnostech daného prostředí v závislosti na směru v něm (například index lomu, rychlost zvuku nebo tepelná vodivost)). Strukturálně jsou LC viskózní kapaliny sestávající z podlouhlých nebo diskovitých molekul, uspořádaných určitým způsobem v celém objemu této kapaliny.
Povinnou vlastností tekutých krystalů, která je přibližuje běžným krystalům, je přítomnost řádu v prostorové orientaci molekul. Toto pořadí v orientaci se může projevit například tím, že všechny dlouhé osy molekul ve vzorku tekutých krystalů jsou orientovány stejně. Tyto molekuly musí mít podlouhlý tvar. Kromě nejjednoduššího uspořádání molekulárních os uvedených výše se v tekutém krystalu může vyskytovat složitější orientační uspořádání molekul.
V závislosti na typu uspořádání molekulárních os se tekuté krystaly dělí na tři typy: nematické, smektické a cholesterické.
Smectics jsou nejvíce uspořádané 2-rozměrné krystaly. Mají vrstvenou strukturu, na rozdíl od nematických a cholesterických. Nejrozsáhlejší třída LCD.
Nematics jsou opticky jednoosé tekuté krystaly, mají orientaci na dlouhé vzdálenosti a mohou se volně pohybovat. Takové tekuté krystaly jsou podobné kapalinám.
Cholesterika jsou tekuté krystaly se spirálovitými molekulami a postrádají středovou symetrii. Molekuly jsou přecitlivělé na jakoukoli změnu teploty a v závislosti na ní
Historie objevu tekutých krystalů
V roce 1888 rakouský botanik Friedrich Reinitzer objevil, že některé typy krystalů mají dvě teploty tání, což znamená, že existují dvě různá kapalná skupenství, z nichž jedno je čiré a druhé zakalené.
A přestože v roce 1904 přinesl německý fyzik Otto Lehmann ve své stejnojmenné knize řadu vědeckých důkazů ve prospěch tekutých krystalů, po dlouhou dobu fyzici a chemici tekuté krystaly v zásadě neuznávali, protože jejich existence zničila teorii tři skupenství hmoty: pevné, kapalné a plynné.
K prvnímu praktickému použití tekutých krystalů došlo v roce 1936, kdy společnost Marconi Wireless Telegraph patentovala svůj elektrooptický světelný ventil.
V roce 1963 našel americký vynálezce James Ferguson uplatnění pro jednu z vlastností LCD – změnu barvy v závislosti na teplotě. Jeden Američan získal patent na vynález, který dokáže detekovat tepelná pole okem neviditelná. S tím začala růst obliba tekutých krystalů.
V roce 1965 se v USA konala První mezinárodní konference věnovaná tekutým krystalům. V roce 1968 vytvořili američtí vědci zásadně nové indikátory pro informační zobrazovací systémy. Princip jejich činnosti je založen na skutečnosti, že molekuly tekutých krystalů, otáčející se v elektrickém poli, odrážejí a propouštějí světlo různými způsoby. Pod vlivem napětí aplikovaného na vodiče připájené do stínítka se na něm objevil obraz skládající se z mikroskopických bodů. A přesto až po roce 1973, kdy skupina anglických chemiků pod vedením George Graye získávala tekuté krystaly z relativně levných a dostupných surovin, se tyto látky rozšířily v nejrůznějších zařízeních.
Aplikace tekutých krystalů
Předně je třeba poznamenat, že nejznámější aplikací LCD jsou displeje z tekutých krystalů. V době gadgetů jsou takové displeje přítomny téměř v každém elektronickém zařízení: televizory, počítačové monitory, digitální fotoaparáty, navigátory, kalkulačky, elektronické čtečky, tablety, telefony, elektronické hodinky, přehrávače atd. Tyto displeje poskytují velmi kvalitní obraz , spotřebovává méně energie ve srovnání s televizory s katodovými trubicemi. .
Konstrukce LCD displejů je poměrně složitá, ale obecně se jedná o sadu skleněných desek, mezi kterými jsou tekuté krystaly (LCD matrice), a mnoho světelných zdrojů. Maticový pixel LCD obsahuje dvojici průhledných elektrod, které umožňují měnit orientaci molekul tekutých krystalů, stejně jako dvojici polarizačních filtrů, které regulují stupeň průhlednosti atd.
Méně oblíbenou, ale důležitější aplikací LCD je termografie. Volbou složení kapalně krystalické látky se vytvářejí indikátory pro různé teplotní rozsahy a pro různá provedení. Například tekuté krystaly ve formě filmu se nanášejí na tranzistory, integrované obvody a desky plošných spojů elektronických obvodů. Termografie umožňuje získat tepelný obraz předmětu jako výsledek záznamu infračerveného záření – tepla. Infračervené přístroje pro noční vidění používají hasiči v případě kouře v místnosti k detekci obětí požáru. Uplatnění našly také v bezpečnostních a vojenských službách.
Termovize umožňuje detekovat horká místa, poruchy izolace nebo jiné nouzové oblasti během údržby nebo výstavby elektrického vedení.
Termografie se také používá v lékařském zobrazování, hlavně pro sledování mléčných žláz. To umožňuje odhalit různé druhy rakoviny, například rakovinu prsu. Indikátor tekutých krystalů na kůži pacienta rychle diagnostikuje skrytý zánět a dokonce i nádor.
Elektronické indikátory vytvořené pomocí tekutých krystalů reagují na různé teploty, v důsledku čehož mohou informovat o poruchách a nesrovnalostech v elektronice. Například LCD ve formě filmu se aplikuje na desky plošných spojů a integrované obvody a také na tranzistory. Vadné elektronické segmenty lze pomocí takového indikátoru snadno identifikovat.
Kromě toho LCD indikátory umístěné na kůži pacienta umožňují detekovat záněty a nádory u lidí.
Indikátory z tekutých krystalů se také používají k detekci výparů různých škodlivých chemických sloučenin a také k detekci ultrafialového a gama záření. Ultrazvukové detektory a tlakoměry jsou vyvíjeny pomocí LCD.
Tekuté krystaly se také používají při výrobě „chytrých skel“, které mohou měnit propustnost světla.
Hlavním výrobcem tekutých krystalů je německá společnost Merck. Zajišťuje více než polovinu celosvětové poptávky po komponentech LCD obrazovek
Jak vidět tekuté krystaly
Pokud na nechráněnou obrazovku telefonu přinesete zapalovač, vytvoří se na ní černá skvrna. Stejná místa se mohou objevit také v případě, že displej narazí na tvrdý povrch. Objevují se v důsledku delaminace matrice v důsledku mechanického působení, a pokud se podíváme podrobněji, vnitřní tekuté krystaly nejsou rozmístěny na svých místech v místě vzniku skvrny. Látka tekutých krystalů začne vytékat.
Ve své práci jsem se seznámil s historií objevování a studia tekutých krystalů, s vývojem jejich technických aplikací. Téma „Tekuté krystaly“ je aktuální, a pokud se do něj ponoříte hlouběji, bude zajímat každého, poskytne odpovědi na mnoho otázek a hlavně neomezené použití tekutých krystalů. Moje práce popsala jen malou část toho, co je v současné době známo o tekutých krystalech a jejich aplikacích, ale i z toho lze usoudit, že studium tekutých krystalů bude pokračovat, v důsledku čehož vzniknou různé technologie, které budou užitečné pro lidi.
Dne 2009. prosince senior vědecký pracovník Katedry makromolekulárních sloučenin Fakulty chemické Moskevské státní univerzity, docent, doktor chemických věd, laureát Prezidentské ceny Ruské federace pro mladé vědce za rok XNUMX, Alexej Bobrovskij, jako součást projektu „Public Lectures to Polit.ru“ přednášel o tekutých krystalech v Polytechnickém muzeu. Korespondent Lenta.Ru udělal s vědcem rozhovor, ve kterém Bobrovskij znovu stručně vysvětlil, co jsou tekuté krystaly, jak se získávají a studují a proč jsou potřeba.
Co jsou tekuté krystaly?
Jsou to látky schopné tvořit speciální fázi, mezistupeň mezi obvyklou – izotropní (neuspořádanou) – kapalnou fází a pevnou krystalickou fází. Můžeme říci, že tekuté krystaly jsou uspořádané kapaliny. Termín “mezofáze” (“mezos” znamená meziprodukt) se často používá pro kapalné krystalické fáze. Díky svému molekulárnímu uspořádání mají obrovské množství zajímavých vlastností, díky kterým se tekuté krystaly používají v nejrůznějších technických zařízeních. Navíc nyní téměř každý používá LCD monitor, sleduje LCD TV a monitory mobilních telefonů fungují na tekutých krystalech.
Jaké vlastnosti mají tekuté krystaly? Jak se liší od „obyčejných“ krystalů nebo od kapalin?
Nejzajímavější vlastností tekutých krystalů je, že mají anizotropii vlastností. To znamená, že polarizované světlo se šíří ve fázi tekutých krystalů různou rychlostí v různých směrech. Díky této vlastnosti lze tekuté krystaly použít ve spínaných systémech – jednak rychle reagují na vnější pole, jednak se jejich vlastnosti liší v závislosti na směru působení vnějšího pole.
K přeorientování molekul tekutých krystalů obvykle dochází v milisekundách a to způsobuje obrovské změny v optických vlastnostech vrstvy tekutých krystalů.
Jaké látky se mohou přeměnit do kapalného krystalického stavu?
Látka se může přeměnit do stavu kapalných krystalů, pokud její molekuly mají určitou strukturu – aby se projevila anizotropie vlastností, musí být anizometrické. Zhruba řečeno, v látce LC by molekuly měly mít tvar tyčinky nebo disku. To je v nejjednodušším případě. Existuje například třída takzvaných „banánovitých“ molekul, které tvoří zajímavé mezofáze.
Existují látky, které jsou za určitých podmínek např. kapalné, ale za jiných přecházejí do kapalného krystalického stavu?
Videozáznam přednášky Alexeje Bobrovského v rámci projektu „Veřejné přednášky Polit.Ru“ a její přepis naleznete zde.
Existují dva typy tekutých krystalů: termotropní a lyotropní. Termotropní kapaliny se při určité teplotě přeměňují do kapalně krystalického stavu a při jiných teplotách mohou být buď krystalické nebo (při vysokých teplotách) izotropní kapaliny. V případě lyotropních tekutých krystalů nastává mezofáze, když se k látce přidá rozpouštědlo.
Dochází k přechodu do stavu tekutých krystalů, když teplota klesá nebo když se zvyšuje?
Při zahřívání se jakákoliv látka nejčastěji přeměňuje do méně uspořádaného stavu; podle toho je kapalný krystalický stav méně uspořádaný než krystalický stav, ale uspořádanější než izotropní kapalina.
A může se při dalším zahřívání taková látka proměnit v kapalinu?
Ano, některé látky mohou přejít do stavu běžné neuspořádané kapaliny a poté se začnou vypařovat. Uvažujeme-li obecný diagram změny skupenství látky s rostoucí teplotou, bude následující: krystal, tekutý krystal, kapalina a pára.
Kdy a jak byly poprvé získány tekuté krystaly?
První tekutý krystal, který vědci izolovali, byla syntetická látka na bázi přírodního cholesterolu. Tato látka se nazývá cholesteryl benzoát, ester kyseliny benzoové a cholesterolu, a v roce 1888 bylo objeveno, že má kapalný krystalický stav, i když výzkumníci ještě nevěděli, že to je ono.
V historii tekutých krystalů se ukázalo, že látky s takovými vlastnostmi byly syntetizovány dříve, než vědci tyto vlastnosti pochopili. Později začali chemici a fyzici zkoumat vlastnosti nových látek a ukázalo se, že mnohé z nich mohou tvořit tekuté krystaly. Vědci se ale začali vážně zajímat o tekuté krystaly až koncem 1960. let, kdy si uvědomili, že by se daly využít v technologii.
Jak nyní vědci získávají tekuté krystaly? Jak odhadnou – nebo předpovídají -, že látka bude mít vlastnosti kapalných krystalů?
Nyní se tekuté krystaly získávají standardní organickou syntézou. Vědci nashromáždili spoustu informací, na základě kterých je možné předpovědět, zda látka vytvoří kapalnou krystalickou fázi či nikoliv.
Nacházejí se v přírodě tekuté krystaly?
Kapalný krystalický stav hraje důležitou roli v „provozu“ živých systémů. Lze jej například pozorovat v lipidových membránách. Za určitých podmínek může DNA přejít do fáze kapalných krystalů. Někdy jsou nalezeny analogy nebo podobnosti struktur tekutých krystalů – například duhová barva některých brouků a motýlů je určena pevnými strukturami, které se podobají „zmrzlým“ tekutým krystalům.
Jak odborníci studují tekuté krystaly? Jaké experimentální metody používají?
Úplně první, takříkajíc tradiční, metodou studia tekutých krystalů je polarizační optická mikroskopie. Stejná technologie se používá ke studiu obyčejných krystalů. Stručně řečeno, podstata metody je následující: když polarizované světlo vstoupí do kapalného krystalického média, pozoruje se rotace roviny polarizace a stupeň rotace závisí na vlnové délce. Mezofáze poskytují charakteristické obrazy a textury, když jsou pozorovány polarizačním mikroskopem. Analýza obrazu nám umožňuje učinit primární závěr o tom, jaký druh kapalné krystalické fáze se tvoří.
Další metodou pro studium tekutých krystalů je rentgenová difrakční analýza.
Kromě toho se ke studiu vlastností tekutých krystalů používají spektrální metody, mezi které patří například nukleární magnetická rezonance. A přestože existuje mnoho metod a tekuté krystaly byly studovány již dlouhou dobu, mnoho z jejich vlastností zůstává nejasných.
Existují nějaké vlastnosti, které dosud nebyly objeveny v tekutých krystalech, ale jejichž přítomnost se předpokládá?
Nic takového mě nenapadá. V 70. letech byla předpovězena možnost výskytu feroelektřiny v určitých typech LC fází a později byla skutečně objevena. V současné době existuje několik takříkajíc „módních“ směrů ve studiu tekutých krystalů. Patří sem například studie výše zmíněných molekul banánového tvaru. Vědci se o ně poprvé začali zajímat již v polovině 90. let, ale nyní zájem zesílil, protože takové tekuté krystaly vykazují velmi neobvyklé fyzikální vlastnosti, včetně například feroelektřiny.
Pojďme se bavit o praktických aplikacích tekutých krystalů. Jak přesně fungují například v monitorech nebo hodinkách?
Tekuté krystaly se mohou snadno přeorientovat ve vnějším magnetickém nebo elektrickém poli. Nanášejí se ve formě tenkého filmu na speciální plochu s vodivým povlakem. Když je aplikován elektrický signál, molekuly tekutých krystalů se přeorientují a změní se barva nebo propustnost světla povlaku.
Mimochodem, displeje s tekutými krystaly nepoužívají pouze jeden typ krystalu, ale vícesložkovou směs (a není nutné, aby všechny jeho součásti měly vlastnosti tekutých krystalů). To se provádí za účelem snížení teploty tání směsi pod teplotu místnosti. V opačném případě takové displeje nebudou moci fungovat, protože tekuté krystaly v nich budou v pevném stavu.
Jaké další využití mají tekuté krystaly?
Pomocí tekutých krystalů je možné zobrazit teplotní pole – faktem je, že některé tekuté krystaly mění svou barvu pod vlivem teplotních změn.
Obecně však lze říci, že kulminace výzkumné činnosti v oblasti tekutých krystalů pro zobrazovací technologie byla v 80. až 90. letech minulého století a nyní o ně zájem z tohoto pohledu do značné míry opadl. To však neznamená, že je s nimi vše jasné. Existuje obrovský prostor jak pro základní výzkum, tak pro možné aplikace „bez displeje“: v optoelektronice, vytváření senzorů, v biologii a medicíně.
