Жидкие кристаллы

Основными свойствами для жидкости являются текучесть, вязкость, поверхностное натяжение, сцепление с твёрдыми телами, способность отражать, преломлять и рассеивать свет. Такими

Жидкие кристаллы

Информация

Физика

Другие материалы по предмету

Физика

Сдать работу со 100% гаранией

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Учебно-исследовательская работа по физике на тему

Жидкие кристаллы

 

 

Работу выполнили

Дудник Алёна, Глобина Алёна, Федоренко Алёна

учащиеся 10 - А класса,

СОУВК школы - лицея «ОКЛ»

Руководитель

Бутенко Елена Владимировна

 

 

 

 

 

 

Симферополь, 2004

Введение

 

Актуальность: в связи с тем, что жидкие кристаллы нашли своё широкое применение в различных отраслях науки (техника, медицина и т.д.), необходимо их дальнейшее, более глубокое изучение и внедрение во все сферы деятельности человека. Применение жидких кристаллов раскрывает колоссальные перспективы в совершенствовании современных технологий и возможности делать их более практичными и экономичными. Кроме того, жидкие кристаллы могут выступать в роли заменителей энергоёмких и труднодоступных материалов.

Объект исследования: жидкие кристаллы.

Предмет исследования: особенности строения, свойства, практическое применение.

Цель: изучить особенности строения и связанные с ними свойства жидких кристаллов, рассмотреть области их применения в жизни человека.

Задачи: определить особенности строения и свойств жидких кристаллов, дать им характеристику, классификацию и анализ, сделать выводы по исследованным вопросам.

В методологи были использованы труды нескольких авторов справочников и пособий, сведения, полученные из Интернета и средств массовой информации. Работа выполнена сравнительно-литературным способом.

Человеку всегда было трудно выйти за пределы трёх понятий, описывающих, как казалось, все состояния материи: газ, жидкость, твёрдое тело. Однако оказалось, что свойства кристалла и жидкости могут совместиться в одном веществе - жидком кристалле. Однако сейчас вряд ли кто-то удивится, если будет обнаружено состояние, промежуточное между газом и жидкостью. Во всяком случае, к понятию «газообразной плёнки» прибегают при обсуждении свойств жидких слоёв, толщиной в одну молекулу. О жидких кристаллах слышали, конечно, все, они используются в самых современных электронных приборах, о них пишут даже в газетах, не говоря уже о журналах и книгах.

Наука о жидких кристаллах - одна из самых молодых и наиболее трудных областей физики. Трудности обусловлены сложностью молекул, образующих эти вещества. Для объяснения свойств жидких кристаллов необходимо привлекать не только теорию обычных жидкостей, достаточно сложную саму по себе, но и науки о твёрдых кристаллах, например, кристаллографию и физику твёрдого тела.

Хронология исследования

 

Прошло примерно 20 лет с момента, когда в 1888 г. австрийский ботаник Ф.Рейнитцер и немецкий кристаллограф Ф.Леман описали необычные свойства жидких кристаллов, прежде чем учёные начали осознавать, что открыто новое, четвёртое состояние вещества. Эти вещества в действительности обладали текучестью, как обычные жидкости, и в то же время их оптические свойства были поразительно похожи на свойства кристаллов. Оказалось, что порядок расположения атомов, характерный для кристаллов, может быть не полным и что вообще может быть несколько разных видов порядков (один порядок в ориентации молекул, другой - в расположении их центров масс). Это означает, что может быть даже и не один, а несколько типов промежуточных состояний.

В начале XX века Д. Форлендер в университетском городке Галле (Германия) со своими аспирантами изготовил несколько сотен новых жидких кристаллов. Уже никто не сомневался в их реальности, и физики, обычно с большим опасениям относящиеся к сложным химическим соединениям, охотно берутся за их исследования.

Ж.. Фридель во Франции предлагает первую классификацию жидких кристаллов, голландец С. Озеен и чех Х. Цохер создают теорию упругости, а В. Фредерикс и В. Цветков в СССР впервые исследуют их необычные электрические и оптические свойства.

Успехи атомной физики, физики полупроводников и химии полимеров затмили на некоторое время скромные академические исследования жидких кристаллов. Вплоть до 60-х годов ими занимаются только энтузиасты-одиночки. В это же время бурно развивается электроника. Идёт процесс микроминиатюризации приборов: от электронных ламп к транзисторам, затем к интегральным схемам, и к большим интегральным схемам (БИСам). Уменьшаются потребляемые мощности, уменьшаются источники питания. И вдруг оказывается, что есть всё, кроме экономичного малогабаритного устройства, способного передать информацию от электронной схемы к человеку. Проблема состояла в том, что телевизионная трубка слишком громоздка, потребляет большие токи и т.д.

Тогда в США заново открывают эффекты, ранее обнаруженные Фредериксом и Цветковым. Начинается новая волна исследований. Вместе с появлением электронных приборов с жидкокристаллическим табло и циферблатами наступил ренессанс в физике и химии жидких кристаллов. Активно исследуется их строение, во всех аспектах изучается текучесть, создаются новые вещества, в которых открывается множество необычных явлений, вызванных действием внешних сил (температура, электрическое поле и т.д.).

Трудами учёных разных специальностей и разных стран (особенно США, Франция, СССР, Англия) наука о жидких кристаллах быстро развилась и приобрела ясные и строгие очертания.

 

Жидкость с оптической осью

 

Основными свойствами для жидкости являются текучесть, вязкость, поверхностное натяжение, сцепление с твёрдыми телами, способность отражать, преломлять и рассеивать свет. Такими же свойствами обладают и жидкие кристаллы, хотя у них и имеется ряд особенностей, не присущих жидкостям. Попробуем дать определение жидкого кристалла

  • это жидкость описанных несферических молекул, которые не только удерживаются в среднем на некотором расстоянии а друг от друга, но и имеют векторы е, параллельные оси L.
  • При этом расстояние а примерно равно толщине молекулы. Здесь необходимо отметить, что несмотря на то, что в таком состоянии оси или плоскости молекул оказываются параллельными, вещество всё равно остаётся жидким. Центры масс молекул не образуют в данном случае какую-то периодическую решётку, как в кристалле, а располагаются хаотично в пространстве и могут в нём свободно перемещаться.
  • Ориентация молекул в такой необычной жидкости подчиняется строгому порядку только при умеренной температуре, когда тепловые толчки не на столько сильны, чтобы разрушить этот ориентационный порядок. Сильное повышение температуры влечёт за собой разрушение порядка в ориентации молекул, когда их хаотическое поступательное и вращательное движение становится преобладающим. Фактически при нагревании жидкий кристалл превращается в обыкновенную жидкость.
  • Существование того или иного жидкого состояния зависит не только от температуры. Большое значение имеет то, сколько несферических молекул находится в единице объёма, т.е. какова плотность вещества. Это особенно относится к молекулам, которые по каким-либо причинам слабо притягиваются друг к другу. Тогда необходимо выяснить, могут ли силы отталкивания молекул обеспечить ориентационный порядок при умеренных температурах. В ходе исследований оказалось, что могут, если это молекулы особой вытянутой формы, похожие на стержни. Если молекул-стержней мало, т.е. мала плотность вещества, то они при различных поворотах имеют возможность не касаться друг друга своими электронными облаками. Чтобы молекулы не мешая друг другу могли поворачиваться как угодно, достаточно отвести каждой молекуле в жидкости объём - кубик с размером ребра примерно равным длине молекулы l. В пределах такого кубика объёмом l3 стержень действительно может быть ориентирован как угодно.
  • Теперь, если поместить такое же число молекул в меньший объём, то на каждую частицу будет приходиться пространства меньше, чем l3, следовательно, теперь они будут располагаться не как попало, а займут более или менее параллельное положение. Если диаметр стержня а заметно меньше его длины l и на каждую молекулу приходится объём а2l, то все молекулы должны быть ориентированы одинаково, т.к. только в таком случае они не задевают друг друга. Но так произойдёт только при очень высокой плотности. При средней плотности, когда на каждую молекулу приходится объём, меньший l3, но больший а2l, ориентационный порядок будет неполным, но всё-таки заметным. Это связано с тем, чтоиз-за сильного отталкивания молекулы не могут проникать друг в друга.
  • Из вышеизложенного следует, что в жидкости, состоящей из несферических молекул, при умеренных температурах и плотности вещества появляется особое направление - ось L. Вдоль такой оси ориентируются молекулы-стержни и перпендикулярно к ней - молекулы-диски. Такие же оси имеются и в некоторых твёрдых кристаллах, состоящих, например, из продолговатых молекул. Это сходство между обыкновенным кристаллом и «удивительной жидкостью» и привело к соединению двух старых понятий в одно новое - жидкий кристалл. Наличие в жидкой среде и в кристаллической решётке выделенной оси придаёт материалам особые оптические свойства. Поэтому такую ось называют оптической. Из этого видно, что сходство жидкого кристалла с твёрдым кристаллом проявляются именно в оптических свойствах
  • Особенность материалов с оптическими осями состоит в том, что они эффективно, и часто эффектно, управляют световыми лучами, изменяя их интенсивность, цвет, направление. Скорость света зависит от направления его распространения по отношению к оптической оси. Белый луч света, падающий на кристалл под углом к оптической оси, на выходе может оказаться окрашенным. В некоторых случаях хорошо видно даже невооружённым глазом, что луч света на вых

Похожие работы

1 2 3 4 5 > >>