ФІЗИКА

Частина 2 МОЛЕКУЛЯРНА ФІЗИКА І ТЕРМОДИНАМІКА

 

Розділ 6 БУДОВА І ВЛАСТИВОСТІ РЕЧОВИНИ В КОНДЕНСОВАНОМУ СТАНІ

 

6.4. Структура і властивості рідких кристалів

 

Смектичний стан рідких кристалів

 

Смектичні рідкі кристали (смектики, скорочено позначають СРК) за своїми властивостями ближчі до твердого тіла, ніж НРК. Будову смектичної мезофази схематично зображено на рис. 6.11. Центри тяжіння видовжених молекул знаходяться в площинах, які містяться на однаковій відстані одна від одної. Типовим представником смектиків є етиловий ефір n-азоксибензойної кислоти, смектична мезофаза якого зберігається за температур 114... 120 °С. Його структурна формула така:

Тверді кристали цього ефіру плавляться за температури 114 °С і переходять у рідкі кристали смектичного типу, молекули яких розміщені шарами. За температури 120 °С рідкі кристали перетворюються в звичайну ізотропну рідину. При зниженні температури рідкокристалічні зародки випадають у формі паличок, швидкість зростання їх в осьовому напрямі приблизно в 65 разів більша, ніж в радіальному.

 

 

Рис. 6.11

 

Оптичні дослідження дають змогу визначити структуру зразків, не доповнюючи результати досліджень даними інших методів. При дослідженні однорідного смектичного рідкого кристала етилового ефіру — азоксибензойної кислоти в поляризованому світлі (з одним поляризатором) легко виявити явище дихроїзму (плеохроїзму). Під час обертання препарат змінює своє забарвлення від темно-жовтого до білого. Дихроїзм установлено також для інших смектичних рідких кристалів.

Рідкі кристали утворюються з тих сполук, молекули яких мають видовжену планкоподібну або пластинчасту форму. Наявність розгалужених молекул з боковими ланцюгами гальмує виникнення рідких кристалів. Багато речовин, для яких властивий рідкокристалічний стан, належать до ароматичних сполук. Більшість з них мають бензольні кільця із заміщенням в параположенні (в орто- і метаположенні рідкокристалічний стан не виникає). Схильність до утворення рідких кристалів зростає зі збільшенням кількості сполучених бензольних кілець. Велике значення мають групи атомів X, які поєднують бензольні ядра в ланцюг

Рідкокристалічний стан реалізується частіше у сполук з такими Х-групами атомів:

 

Подібний вплив мають і кінцеві групи Y

Речовини, які утворюють термотропні рідкі кристали, можуть перебувати в рідкокристалічному стані лише в певному інтервалі температур. Нижче межі існування мезофази центри тяжіння молекул утворюють тривимірну кристалічну ґратку звичайного кристала молекулярного типу. З підвищенням температури речовини до температури плавлення відбувається фазовий перехід твердого тіла в рідкий кристал, при якому зникає далекий порядок у розміщенні центрів тяжіння молекул (координаційне плавлення), але зберігається порядок в орієнтації молекулярних осей. При цьому спостерігається досить каламутна рідина, якій властиве сильне двопроменезаломлення. Це і є рідкокристалічний стан речовини.

Подальше підвищення температури приводить до фазового переходу, який супроводжується втратою орієнтаційного порядку, в результаті чого виникає ізотропна, а отже, прозора рідина. Такий фазовий перехід називають орієнтаційним плавленням. Температуру, за якої це відбувається, називають температурою просвітлення. Температури плавлення і просвітлення визначають інтервал температур, в якому мезофаза термодинамічно стала.

Зазначимо, що обидва ці переходи (плавлення і просвітлення) є фазовими переходами першого роду, на що вказують існування прихованої теплоти переходу і стрибкоподібна зміна густини.

Рідким кристалам властиве явище поліморфізму, тобто мезогенні сполуки можуть мати кілька різних мезофаз. При нагріванні чи охолодженні речовини, молекули якої мають право-ліву симетрію, фазові перетворення в ній від твердих кристалів (ТК) до ізотропної рідини (ІР) відбуваються звичайно за схемою

У речовинах, молекули яких оптично активні, фазові переходи здійснюються за такою схемою:

Можуть бути також інші схеми переходів, але ніколи не спостерігається перехід Можливості застосування рідких кристалів дуже широкі (реєстрація температури і тиску в індикаторних пристроях; візуалізація теплових полів у медичній діагностиці й мікроелектроніці; пристрої відображення інформації; неруйнівний контроль деталей; візуалізація електромагнітного випромінювання, полів НВЧ, ультразвукових хвиль тощо). Дослідження в цьому напрямку, пошук нових матеріалів на основі рідких кристалів належать до найважливіших питань, які визначають прогрес у цій галузі.





Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити