Жидкокристаллический

Шлирен- текстура жидкокристаллической нематической фазы

Жидкие кристаллы (ЖК) - это состояние вещества, которое имеет свойства между обычными жидкостями и твердыми кристаллами . Например, жидкий кристалл может течь как жидкость, но его молекулы могут быть ориентированы подобно кристаллу. Существует много различных типов жидкокристаллических фаз , которые можно различать по различным оптическим свойствам (например, текстурам). Контрастные области на текстурах соответствуют областям, в которых молекулы жидкого кристалла ориентированы в разные стороны. Однако внутри домена молекулы хорошо упорядочены. ЖК-материалы не всегда могут находиться в жидкокристаллическом состоянии вещества (так же, как вода может превращаться в лед или водяной пар).

Жидкие кристаллы можно разделить на термотропные , лиотропные и металлотропные фазы. Термотропные и лиотропные жидкие кристаллы состоят в основном из органических молекул , хотя известно также несколько минералов. Термотропные ЖК демонстрируют фазовый переход в жидкокристаллическую фазу при изменении температуры. Лиотропные ЖК демонстрируют фазовые переходы в зависимости как от температуры, так и от концентрации молекул жидких кристаллов в растворителе (обычно в воде). Металлотропные ЖК состоят как из органических, так и из неорганических молекул; их жидкокристаллический переход зависит не только от температуры и концентрации, но и от соотношения неорганический и органический состав.

Примеры жидких кристаллов можно найти как в мире природы, так и в технологических приложениях. В широко распространенных жидкокристаллических дисплеях используются жидкие кристаллы. Лиотропные жидкокристаллические фазы широко распространены в живых системах, но их также можно найти в мире минералов. Например, многие белки и клеточные мембраны представляют собой жидкие кристаллы. Другими хорошо известными примерами жидких кристаллов являются растворы мыла и различных родственных детергентов , а также вирус табачной мозаики и некоторые глины .

История [ править ]

В 1888 году австрийский физиолог ботанический Фридриха Рейнитцер , работая на Карла-Ferdinands-Universität , исследовали физико-химические свойства различных производных от холестерина , которые в настоящее время принадлежат к классу материалов , известных как холестерических жидких кристаллов. Ранее другие исследователи наблюдали отчетливые цветовые эффекты при охлаждении производных холестерина чуть выше точки замерзания , но не связали это с новым явлением. Рейнитцер считал, что изменение цвета производного холестерилбензоата не является самой характерной особенностью.

Он обнаружил, что холестерилбензоат не плавится так же, как другие соединения, но имеет две точки плавления . При 145,5 ° C (293,9 ° F) он плавится в мутную жидкость, а при 178,5 ° C (353,3 ° F) он снова тает, и мутная жидкость становится прозрачной. Явление обратимое. Обращаясь за помощью к физику, 14 марта 1888 года он написал Отто Леману , в то время приват-доценту в Аахене . Они обменялись письмами и образцами. Леманн исследовал промежуточную мутную жидкость и сообщил, что видел кристаллиты.. Венский коллега Рейнитцера фон Зефарович также указал, что промежуточная «жидкость» была кристаллической. Обмен письмами с Леманном закончился 24 апреля, оставив без ответа множество вопросов. Рейнитцер представил свои результаты, с благодарностью Леману и фон Зефаровичу, на заседании Венского химического общества 3 мая 1888 года ^[1].

К тому времени Рейнитцер обнаружил и описал три важных свойства холестерических жидких кристаллов (название, придуманное Отто Леманом в 1904 году): наличие двух точек плавления, отражение света с круговой поляризацией и способность изменять направление поляризации свет.

После своего случайного открытия Рейнитцер не стал заниматься дальнейшими исследованиями жидких кристаллов. Исследования были продолжены Леманом, который осознал, что он столкнулся с новым явлением и был в состоянии исследовать его: в годы после докторантуры он приобрел опыт в кристаллографии и микроскопии. Леманн начал систематическое исследование сначала холестерилбензоата, а затем родственных ему соединений, демонстрирующих феномен двойного плавления. Он мог проводить наблюдения в поляризованном свете, а его микроскоп был оснащен горячим столиком (держатель образца с нагревателем), позволяющим проводить наблюдения при высоких температурах. Промежуточная мутная фаза явно поддерживала течение, но другие особенности, в частности подпись под микроскопом, убедили Леманна в том, что он имеет дело с твердым телом.К концу августа 1889 г. он опубликовал свои результаты вZeitschrift für Physikalische Chemie . ^[2]

Работа Лемана была продолжена и значительно расширена немецким химиком Даниэлем Форлендером , который с начала 20 века до выхода на пенсию в 1935 году синтезировал большинство известных жидких кристаллов. Однако жидкие кристаллы не пользовались популярностью среди ученых, и этот материал оставался чисто научным курьезом около 80 лет. ^[3]

После Второй мировой войны работы по синтезу жидких кристаллов были возобновлены в исследовательских лабораториях университетов Европы. Джордж Уильям Грей , известный исследователь жидких кристаллов, начал исследовать эти материалы в Англии в конце 1940-х годов. Его группа синтезировала много новых материалов, которые проявляли жидкокристаллическое состояние, и разработала лучшее понимание того, как создавать молекулы, которые проявляют это состояние. Его книга « Молекулярная структура и свойства жидких кристаллов» ^[4] стала путеводителем по этому вопросу. Одним из первых американских химиков, изучавших жидкие кристаллы, был Гленн Х. Браун, начавший в 1953 году в Университете Цинциннати, а затем в Кентском государственном университете.. В 1965 году он организовал первую международную конференцию по жидким кристаллам в Кенте, штат Огайо, на которой присутствовало около 100 ведущих ученых в области жидких кристаллов. Эта конференция ознаменовала начало всемирных усилий по проведению исследований в этой области, которые вскоре привели к разработке практических приложений для этих уникальных материалов. ^{[5] [6]}

Жидкокристаллические материалы стали центром исследований при разработке плоских электронных дисплеев, начиная с 1962 года в RCA Laboratories. ^[7] Когда физик-химик Ричард Уильямс приложил электрическое поле к тонкому слою нематического жидкого кристалла при 125 ° C, он наблюдал формирование регулярного узора, который он назвал доменами (теперь известными как домены Вильямса). Это побудило его коллегу Джорджа Х. Хейлмейера провести исследование плоского жидкокристаллического дисплея, который заменит электронно-лучевую вакуумную трубку, используемую в телевизорах. Но пара-азоксианизолкоторые использовали Уильямс и Хейлмайер, демонстрируют нематическое жидкокристаллическое состояние только при температуре выше 116 ° C, что делало его непрактичным для использования в коммерческом демонстрационном продукте. Совершенно очевидно, что нужен был материал, который можно было бы использовать при комнатной температуре.

В 1966 году Джоэл Э. Гольдмахер и Джозеф А. Кастеллано, химики-исследователи из группы Хейлмайера в RCA, обнаружили, что смеси, состоящие исключительно из нематических соединений, которые различались только числом атомов углерода в концевых боковых цепях, могут давать нематическую жидкость при комнатной температуре. кристаллы. Трехкомпонентная смесь основных соединений Шиффа привела к материалу, который имел нематический диапазон 22–105 ° C. ^[8] Работа при комнатной температуре позволила создать первое практическое устройство отображения. ^[9] Затем команда приступила к приготовлению многочисленных смесей нематических соединений, многие из которых имели гораздо более низкие температуры плавления. Этот метод смешивания нематических соединений для получения широкого диапазона рабочих температур. В конечном итоге ассортимент стал отраслевым стандартом и до сих пор используется для изготовления материалов для конкретных целей.

В 1969 году Гансу Келкеру удалось синтезировать вещество, имевшее нематическую фазу при комнатной температуре, MBBA , которое является одним из самых популярных объектов исследования жидких кристаллов. ^[10] Следующим шагом к коммерциализации жидкокристаллических дисплеев стал синтез других химически стабильных веществ (цианобифенилов) с низкими температурами плавления Джорджем Греем . ^[11] Эта работа с Кеном Харрисоном и Министерством обороны Великобритании ( RRE Malvern ) в 1973 году привела к разработке новых материалов, что привело к быстрому внедрению ЖК-дисплеев небольшой площади в электронных продуктах.

Эти молекулы имеют форму стержня, некоторые из них созданы в лаборатории, а некоторые спонтанно появляются в природе. С тех пор были синтезированы два новых типа молекул ЖК: дискообразные ( Сиварамакришна Чандрасекхар в Индии в 1977 году) ^[12] и конусообразные или чашеобразные (предсказанные Луи Ламом в Китае в 1982 году и синтезированные в Европе в 1985 году). ^[13]

В 1991 году, когда жидкокристаллические дисплеи были уже хорошо развиты , Пьер-Жиль де Жен, работавший в Университете Париж-Юг, получил Нобелевскую премию по физике «за открытие того, что методы, разработанные для изучения явлений порядка в простых системах, можно обобщить на более сложные формы вещества, в частности жидких кристаллов и полимеров ». ^[14]

Дизайн жидкокристаллических материалов [ править ]

Известно, что большое количество химических соединений имеет одну или несколько жидкокристаллических фаз. Несмотря на значительные различия в химическом составе, эти молекулы имеют некоторые общие черты по химическим и физическим свойствам. Существует три типа термотропных жидких кристаллов: дискотические, конические (шарообразные) и стержневидные молекулы. Дискотики представляют собой плоские дискообразные молекулы, состоящие из ядра соседних ароматических колец; ядро в коническом ЖК не является плоским, а имеет форму чаши для риса (трехмерного объекта). ^{[15] [16]} Это дает возможность двухмерного столбчатого упорядочения как для дискотических, так и для конических ЖК. Молекулы в форме палочек имеют удлиненную анизотропную геометрию, которая обеспечивает преимущественное выравнивание в одном пространственном направлении.

• Форма молекулы должна быть относительно тонкой, плоской или конической, особенно в жестких молекулярных каркасах.
• Длина молекулы должна быть не менее 1,3 нм, что соответствует присутствию длинной алкильной группы во многих жидких кристаллах при комнатной температуре.
• Структура не должна быть разветвленной или угловатой, за исключением конического ЖК.
• Низкая температура плавления является предпочтительной, чтобы избежать метастабильных монотропных жидкокристаллических фаз. Низкотемпературное мезоморфное поведение в целом технологически более полезно, и концевые алкильные группы способствуют этому.

Расширенная, структурно жесткая, сильно анизотропная форма кажется основным критерием жидкокристаллического поведения, и в результате многие жидкокристаллические материалы основаны на бензольных кольцах. ^[17]

Жидкокристаллические фазы [ править ]

Различные жидкокристаллические фазы (называемые мезофазами ) можно охарактеризовать по типу упорядочения. Можно различать позиционный порядок (расположены ли молекулы в какую-либо упорядоченную решетку) и ориентационный порядок (указывают ли молекулы в основном в одном направлении), и, кроме того, порядок может быть либо ближним (только между молекулами, близкими друг к другу) или дальнодействующие (расширяющиеся до более крупных, иногда макроскопических размеров). Большинство термотропных ЖК будут иметь изотропную фазу при высокой температуре. То есть , что нагрев будет в конечном итоге привод их в обычную жидкую фазу характеризуется случайным и изотропным молекулярным упорядочением (практически нет дальнего порядка) и жидкости-подобное поведение потока. В других условиях (например, при более низкой температуре) ЖК может населять одну или несколько фаз со значительной анизотропной ориентационной структурой и ближним ориентационным порядком, сохраняя при этом способность течь. ^{[18] [19]}

Упорядочение жидкокристаллических фаз обширно в молекулярном масштабе. Этот порядок распространяется на весь размер домена, который может быть порядка микрометров, но обычно не распространяется на макроскопические масштабы, как это часто бывает в классических кристаллических твердых телах. Однако некоторые методы, такие как использование границ или приложенного электрического поля , могут быть использованы для усиления единого упорядоченного домена в макроскопическом образце жидкого кристалла. Ориентационное упорядочение в жидком кристалле может распространяться только по одному измерению , при этом материал существенно разупорядочен в двух других направлениях. ^{[20] [21]}

Термотропные жидкие кристаллы [ править ]

Термотропные фазы - это те, которые возникают в определенном температурном диапазоне. Если повышение температуры слишком велико, тепловое движение разрушит хрупкую кооперативную упорядоченность ЖК-фазы, переводя материал в обычную изотропную жидкую фазу. При слишком низкой температуре большинство ЖК-материалов образуют обычный кристалл. ^{[18] [19]} Многие термотропные ЖК проявляют множество фаз при изменении температуры. Например, при нагревании молекула ЖК определенного типа (называемая мезогеном ) может демонстрировать различные смектические фазы, за которыми следует нематическая фаза и, наконец, изотропная фаза при повышении температуры. Примером соединения, демонстрирующего термотропное поведение ЖК, является параазоксианизол . ^[22]

Нематическая фаза [ править ]

Одной из наиболее распространенных ЖК-фаз является нематик. Слово нематик происходит от греческого νήμα ( греч . Nema ), что означает «нить». Этот термин происходит от нитевидных топологических дефектов, наблюдаемых в нематиках, которые формально называются « дисклинациями ». У нематиков также наблюдаются так называемые «ежовые» топологические дефекты. В нематической фазе каламитовые или палочковидные органические молекулы не имеют позиционного порядка, но они самоустанавливаются, чтобы иметь дальний направленный порядок с примерно параллельными длинными осями. ^[23]Таким образом, молекулы могут свободно течь, а их центры масс распределены случайным образом, как в жидкости, но при этом сохраняют свой дальний порядок направления. Большинство нематиков одноосны: у них одна ось (называемая директрисой) более длинная и предпочтительная, а две другие эквивалентны (могут быть аппроксимированы как цилиндры или стержни). Однако некоторые жидкие кристаллы являются двухосными нематиками , что означает, что они не только ориентируются по длинной оси, но и по вторичной оси. ^[24] Нематики обладают текучестью, аналогичной текучести обычных (изотропных) жидкостей, но их можно легко выровнять с помощью внешнего магнитного или электрического поля. Выровненные нематики обладают оптическими свойствами одноосных кристаллов, что делает их чрезвычайно полезными в жидкокристаллических дисплеях.(ЖК-дисплей). ^[7]

Ученые обнаружили, что электроны могут объединяться, чтобы течь вместе в сильных магнитных полях, создавая «электронную нематическую» форму материи. ^[25]

Смектические фазы [ править ]

Смектические фазы, обнаруженные при более низких температурах, чем нематик, образуют четко определенные слои, которые могут скользить друг по другу так же, как мыло. Слово «смектик» происходит от латинского слова «смектик», означающего очищающий или обладающий мыльными свойствами. ^[26] Таким образом, смектики располагаются в одном направлении. В фазе смектики А молекулы ориентированы по нормали к слою, а в фазе смектики С они наклонены от него. Эти фазы внутри слоев подобны жидкости. Существует много различных смектических фаз, каждая из которых характеризуется разным типом и степенью позиционного и ориентационного порядка. ^{[18] [19]}Помимо органических молекул, смектическое упорядочение также встречается в коллоидных суспензиях двумерных материалов или нанолистов. ^{[27] [28]}

Хиральные фазы или закрученные нематики [ править ]

Хиральная нематики фазы имеет хиральность (рукость). Эту фазу часто называют холестерической фазой, потому что она впервые наблюдалась для производных холестерина . Только хиральные молекулыможет вызвать такую ​​фазу. В этой фазе наблюдается закрутка молекул перпендикулярно директору, причем ось молекулы параллельна директору. Конечный угол закручивания между соседними молекулами обусловлен их асимметричной упаковкой, что приводит к более дальнему хиральному порядку. В смектической фазе C * (звездочка обозначает хиральную фазу) молекулы имеют позиционное упорядочение в слоистой структуре (как и в других смектических фазах), причем молекулы наклонены на конечный угол по отношению к нормали слоя. Хиральность вызывает конечное азимутальное закручивание от одного слоя к другому, создавая спиральное закручивание оси молекулы вдоль нормали слоя. ^{[19] [20] [21]}

Хиральный основной тон , р, относится к расстоянию , на котором молекула LC претерпевать полный 360 ° поворота (но заметьте , что структура хиральной нематической фазы повторяется каждый пол-тон, так как в этой фазе директорах при 0 ° и ± 180 ° эквивалентны). Шаг p обычно изменяется при изменении температуры или при добавлении других молекул к ЖК-хозяину (ахиральный ЖК-материал-хозяин образует хиральную фазу, если он легирован хиральным материалом), позволяя шагу данного материала быть настроен соответственно. В некоторых системах жидких кристаллов, шаг имеет тот же порядок, что и длина волны от видимого света . Это приводит к тому, что эти системы демонстрируют уникальные оптические свойства, такие как отражение Брэгга и низкопороговый лазер.излучение ^[29], и эти свойства используются в ряде оптических приложений. ^{[3] [20]} В случае брэгговского отражения допускается только отражение низшего порядка, если свет падает вдоль оси спирали, тогда как при наклонном падении допускается отражение более высокого порядка. Холестерические жидкие кристаллы также обладают уникальным свойством: они отражают свет с круговой поляризацией, когда он падает вдоль оси спирали, и эллиптически поляризованный, если он падает под углом. ^[30]

Голубые фазы - это жидкокристаллические фазы, которые появляются в диапазоне температур между хиральной нематической фазой и изотропной жидкой фазой. Голубые фазы имеют регулярную трехмерную кубическую структуру дефектов с периодами решетки в несколько сотен нанометров, и поэтому они демонстрируют селективные брэгговские отражения в диапазоне длин волн видимого света, соответствующем кубической решетке . В 1981 г. было теоретически предсказано, что эти фазы могут обладать икосаэдрической симметрией, подобной квазикристаллам . ^{[32] [33]}

Хотя голубые фазы представляют интерес для быстрых модуляторов света или перестраиваемых фотонных кристаллов , они существуют в очень узком температурном диапазоне, обычно менее нескольких кельвинов . Недавно была продемонстрирована стабилизация голубых фаз в диапазоне температур более 60 К, включая комнатную температуру (260–326 К). ^{[34] [35]} Синие фазы, стабилизированные при комнатной температуре, позволяют осуществлять электрооптическое переключение со временем отклика порядка 10 ^-4  с. ^[36] В мае 2008 года была разработана первая ЖК- панель с синим фазовым режимом . ^[37]

Кристаллы Blue Phase, представляющие собой периодическую кубическую структуру с запрещенной зоной в видимом диапазоне длин волн, можно рассматривать как трехмерные фотонные кристаллы . Получение идеальных кристаллов голубой фазы в больших объемах все еще проблематично, поскольку получаемые кристаллы обычно являются поликристаллическими (пластинчатая структура) или размер монокристаллов ограничен (в диапазоне микрометров). В последнее время голубые фазы, полученные в виде идеальных трехмерных фотонных кристаллов в больших объемах, были стабилизированы и произведены с различными регулируемыми ориентациями кристаллической решетки. ^[38]

Дискотические фазы [ править ]

Дискообразные молекулы ЖК могут ориентироваться слоем, известным как дискотическая нематическая фаза. Если диски укладываются в стопки, фаза называется дискотичной колонной . Сами столбцы могут быть организованы в прямоугольные или шестиугольные массивы. Также известны хиральные дискотические фазы, подобные хиральной нематической фазе.

Конические фазы [ править ]

Конические молекулы ЖК, как и в дискотиках, могут образовывать столбчатые фазы. Были предсказаны другие фазы, такие как неполярный нематик, полярный нематик, фазы стручковых бобов, пончика и лука. Конические фазы, кроме неполярного нематика, являются полярными фазами. ^[39]

Лиотропные жидкие кристаллы [ править ]

Лиотропный жидкий кристалл состоит из двух или более компонентов , которые проявляют жидкокристаллические свойства в определенных диапазонах концентраций. В лиотропных фазах молекулы растворителя заполняют пространство вокруг соединений, обеспечивая текучесть системы. ^[40] В отличие от термотропных жидких кристаллов, эти лиотропы обладают другой степенью свободы концентрации, которая позволяет им индуцировать множество различных фаз.

Соединение, которое имеет две несмешивающиеся гидрофильные и гидрофобные части в одной и той же молекуле, называется амфифильной молекулой. Многие амфифильные молекулы демонстрируют лиотропные жидкокристаллические фазовые последовательности в зависимости от объемного баланса между гидрофильной частью и гидрофобной частью. Эти структуры образуются за счет микрофазового разделения двух несовместимых компонентов в нанометровом масштабе. Мыло - это повседневный пример лиотропного жидкого кристалла.

Содержание воды или других молекул растворителя изменяет самоорганизующиеся структуры. При очень низкой концентрации амфифила молекулы будут распределены случайным образом без какого-либо упорядочения. При немного более высокой (но все же низкой) концентрации амфифильные молекулы спонтанно собираются в мицеллы или везикулы.. Это делается для того, чтобы «спрятать» гидрофобный хвост амфифила внутри ядра мицеллы, подвергая гидрофильную (водорастворимую) поверхность воздействию водного раствора. Однако эти сферические объекты не упорядочиваются в растворе. При более высокой концентрации сборки станут упорядоченными. Типичная фаза представляет собой гексагональную столбчатую фазу, в которой амфифилы образуют длинные цилиндры (опять же с гидрофильной поверхностью), которые образуют примерно гексагональную решетку. Это называется средней фазой мыла. При еще более высокой концентрации может образовываться ламеллярная фаза (чистая фаза мыла), в которой протяженные листы амфифилов разделены тонкими слоями воды. Для некоторых систем кубическая (также называемая вязкой изотропной) фазой может существовать между гексагональной и ламеллярной фазами, при этом образуются сферы, образующие плотную кубическую решетку.Эти сферы также могут быть соединены друг с другом, образуя бинепрерывную кубическую фазу.

Объекты, созданные амфифилами, обычно имеют сферическую форму (как в случае мицелл), но также могут быть дискообразными (бицеллы), стержневидными или двухосными (все три оси мицелл различны). Эти анизотропные самоорганизующиеся наноструктуры могут затем упорядочиваться так же, как термотропные жидкие кристаллы, образуя крупномасштабные версии всех термотропных фаз (например, нематическую фазу стержневидных мицелл).

Для некоторых систем при высоких концентрациях наблюдаются обратные фазы. То есть можно получить обратную гексагональную столбчатую фазу (столбики воды, инкапсулированные амфифилами) или обратную мицеллярную фазу (объемный образец жидкого кристалла со сферическими водяными полостями).

Общая последовательность фаз от низкой до высокой концентрации амфифилов:

• Прерывистая кубическая фаза ( мицеллярная кубическая фаза)
• Гексагональная фаза (гексагональная столбчатая фаза) (средняя фаза)
• Ламеллярная фаза
• Бинепрерывная кубическая фаза
• Обратная гексагональная столбчатая фаза
• Обратная кубическая фаза (обратная мицеллярная фаза)

Даже в пределах одних и тех же фаз их самоорганизующиеся структуры регулируются концентрацией: например, в ламеллярных фазах расстояния между слоями увеличиваются с увеличением объема растворителя. Поскольку лиотропные жидкие кристаллы полагаются на тонкий баланс межмолекулярных взаимодействий, их структуру и свойства анализировать сложнее, чем у термотропных жидких кристаллов.

Подобные фазы и характеристики можно наблюдать в несмешивающихся диблок- сополимерах .

Металлотропные жидкие кристаллы [ править ]

Жидкокристаллические фазы также могут быть основаны на легкоплавких неорганических фазах, таких как ZnCl 2, которые имеют структуру, состоящую из связанных тетраэдров, и легко образуют стекла. Добавление длинноцепочечных мылообразных молекул приводит к ряду новых фаз, которые демонстрируют разнообразие жидкокристаллических свойств как в зависимости от соотношения неорганического и органического состава, так и от температуры. Этот класс материалов получил название металлотропных. ^[41]

Лабораторный анализ мезофаз [ править ]

Термотропные мезофазы обнаруживаются и характеризуются двумя основными методами. Первоначальный метод заключался в использовании термооптической микроскопии ^{[42] [43],} в которой небольшой образец материала помещался между двумя скрещенными поляризаторами; затем образец нагревали и охлаждали. Поскольку изотропная фаза не будет существенно влиять на поляризацию света, он будет казаться очень темным, тогда как кристаллическая и жидкокристаллическая фазы будут поляризовать свет равномерно, что приведет к яркости и цветовым градиентам. Этот метод позволяет охарактеризовать конкретную фазу, так как разные фазы определяются своим определенным порядком, который необходимо соблюдать. Второй метод, дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК), ^[42]позволяет более точно определять фазовые переходы и энтальпии переходов. В ДСК небольшой образец нагревается таким образом, что происходит очень точное изменение температуры во времени. Во время фазовых переходов тепловой поток, необходимый для поддержания этой скорости нагрева или охлаждения, будет изменяться. Эти изменения можно наблюдать и приписывать различным фазовым переходам, например, ключевым жидкокристаллическим переходам.

Лиотропные мезофазы анализируются аналогичным образом, хотя эти эксперименты несколько сложнее, так как концентрация мезогена является ключевым фактором. Эти эксперименты проводятся при различных концентрациях мезогена , чтобы проанализировать это воздействие.

Биологические жидкие кристаллы [ править ]

Лиотропные жидкокристаллические фазы широко распространены в живых системах, изучение которых называется липидным полиморфизмом . Соответственно, лиотропные жидкие кристаллы привлекают особое внимание в области биомиметической химии. В частности, биологические мембраны и клеточные мембраны представляют собой форму жидких кристаллов. Составляющие их молекулы (например, фосфолипиды ) перпендикулярны поверхности мембраны, но мембрана гибкая. Эти липиды различаются по форме (см. Страницу о полиморфизме липидов.). Составляющие молекулы могут легко смешиваться, но имеют тенденцию не покидать мембрану из-за высокой потребности в энергии этого процесса. Молекулы липидов могут перемещаться с одной стороны мембраны на другую, причем этот процесс катализируется флиппазами и флоппазами (в зависимости от направления движения). Эти фазы жидкокристаллической мембраны могут также содержать важные белки, такие как рецепторы, свободно «плавающие» внутри или частично снаружи мембраны, например CCT.

Многие другие биологические структуры демонстрируют поведение жидких кристаллов. Например, концентрированный белковый раствор, выдавливаемый пауком для образования шелка , на самом деле является жидкокристаллической фазой. Точное расположение молекул в шелке имеет решающее значение для его известной прочности. ДНК и многие полипептиды , включая активно управляемые цитоскелетные филаменты ^[44], также могут образовывать жидкокристаллические фазы. Также было описано, что монослои удлиненных клеток демонстрируют поведение жидких кристаллов, а связанные с ними топологические дефекты связаны с биологическими последствиями, включая гибель и экструзию клеток. ^[45] Вместе эти биологические применения жидких кристаллов составляют важную часть текущих академических исследований.

Минеральные жидкие кристаллы [ править ]

Примеры жидких кристаллов также можно найти в мире минералов, большинство из которых являются лиотропами. Первым был обнаружен оксид ванадия (V) Зохером в 1925 году. ^[46] С тех пор было обнаружено и подробно изучено несколько других оксидов . ^[47] Существование истинной нематической фазы в случае семейства смектитовых глин было поднято Ленгмюром в 1938 году ^[48], но оставалось открытым вопросом в течение очень долгого времени и было подтверждено только недавно. ^{[49] [50]}

С быстрым развитием нанонауки и синтезом множества новых анизотропных наночастиц, количество таких минеральных жидких кристаллов быстро увеличивается, например, углеродные нанотрубки и графен. Была даже обнаружена ламеллярная фаза, H ₃ Sb ₃ P ₂ O ₁₄ , которая демонстрирует гипервыступ до ~ 250 нм для межламеллярного расстояния. ^[27]

Формирование узоров в жидких кристаллах [ править ]

Анизотропия жидких кристаллов - это свойство, не наблюдаемое в других жидкостях. Эта анизотропия заставляет потоки жидких кристаллов вести себя более дифференцированно, чем потоки обычных жидкостей. Например, введение потока жидкого кристалла между двумя близко расположенными параллельными пластинами ( вязкая аппликатура ) заставляет ориентацию молекул взаимодействовать с потоком, что приводит к появлению дендритных структур. ^[51] Эта анизотропия также проявляется в межфазной энергии ( поверхностном натяжении ) между различными жидкокристаллическими фазами. Эта анизотропия определяет форму равновесия при температуре сосуществования и настолько сильна, что обычно появляются грани. При изменении температуры одна из фаз растет, образуя различную морфологию в зависимости от изменения температуры.^[52] Поскольку рост контролируется диффузией тепла, анизотропия теплопроводности способствует росту в определенных направлениях, что также влияет на конечную форму. ^[53]

Теоретическая обработка жидких кристаллов [ править ]

Теоретическая микроскопическая обработка жидких фаз может стать довольно сложной из-за высокой плотности материала, а это означает, что нельзя игнорировать сильные взаимодействия, жесткие отталкивания и корреляции многих тел. В случае жидких кристаллов анизотропия во всех этих взаимодействиях еще больше усложняет анализ. Однако существует ряд довольно простых теорий, которые могут, по крайней мере, предсказать общее поведение фазовых переходов в жидкокристаллических системах.

Директор [ править ]

Как мы уже видели выше, нематические жидкие кристаллы состоят из стержневидных молекул с длинными осями соседних молекул, ориентированными приблизительно друг относительно друга. Для описания этой анизотропной структуры вводится безразмерный единичный вектор n, называемый директором , который представляет направление предпочтительной ориентации молекул в окрестности любой точки. Поскольку вдоль оси директора нет физической полярности, n и -n полностью эквивалентны. ^[19]

Параметр заказа [ править ]

Описание жидких кристаллов включает анализ порядка. Симметричный бесследовый тензорный параметр порядка второго ранга используется для описания ориентационного порядка нематического жидкого кристалла, хотя для описания одноосных нематических жидких кристаллов обычно достаточно скалярного параметра порядка. Чтобы сделать это количественным, параметр ориентационного порядка обычно определяется на основе среднего значения второго полинома Лежандра :

${\displaystyle S=\langle P_{2}(\cos \theta )\rangle =\left\langle {\frac {3\cos ^{2}(\theta )-1}{2}}\right\rangle }$

где - угол между осью молекулы жидкого кристалла и локальным директором (который является «предпочтительным направлением» в элементе объема жидкого кристалла, также представляющим его локальную оптическую ось ). Скобки обозначают как временное, так и пространственное среднее. Это определение удобно, поскольку для полностью случайного и изотропного образца S  = 0, тогда как для идеально выровненного образца S = 1. Для типичного жидкокристаллического образца S составляет порядка 0,3–0,8 и обычно уменьшается с повышением температуры. В частности, резкое падение параметра порядка до 0 наблюдается при фазовом переходе системы из ЖК-фазы в изотропную фазу. ^[54]${\displaystyle \theta }$Параметр порядка можно измерить экспериментально несколькими способами; например, диамагнетизм , двойное лучепреломление , комбинационное рассеяние , ЯМР и ЭПР можно использовать для определения S. ^[21]

Порядок жидкого кристалла можно также охарактеризовать с помощью других четных полиномов Лежандра (все нечетные полиномы в среднем равны нулю, поскольку директор может указывать в любом из двух антипараллельных направлений). Эти средние более высокого порядка сложнее измерить, но они могут дать дополнительную информацию о молекулярном упорядочении. ^[18]

Позиционный параметр порядка также используется для описания упорядочения жидкого кристалла. Он характеризуется изменением плотности центра масс молекул жидкого кристалла по заданному вектору. В случае изменения положения по оси z плотность часто определяется как:${\displaystyle \rho (z)}$

${\displaystyle \rho (\mathbf {r} )=\rho (z)=\rho _{0}+\rho _{1}\cos(q_{s}z-\varphi )+\cdots \,}$

Комплексный параметр позиционного порядка определяется как и средняя плотность. Обычно сохраняются только первые два члена, а члены более высокого порядка игнорируются, поскольку большинство фаз можно адекватно описать с помощью синусоидальных функций. Для идеального нематика и для смектической фазы будут принимать комплексные значения. Сложная природа этого параметра порядка позволяет проводить много параллелей между фазовыми переходами нематик-смектик и переходами из проводника в сверхпроводник. ^[19]${\displaystyle \psi (\mathbf {r} )=\rho _{1}(\mathbf {r} )e^{i\varphi (\mathbf {r} )}}$${\displaystyle \rho _{0}}$${\displaystyle \psi =0}$${\displaystyle \psi }$

Модель жесткого стержня Онзагера [ править ]

Нерешенная проблема в физике : Можно ли охарактеризовать фазовый переход нематика в смектик (A) в жидкокристаллических состояниях как универсальный фазовый переход? (больше нерешенных задач по физике)

Простая модель, которая предсказывает лиотропные фазовые переходы, - это модель жесткого стержня, предложенная Ларсом Онсагером . Эта теория рассматривает объем, исключенный из центра масс одного идеализированного цилиндра по мере приближения к другому. В частности, если цилиндры ориентированы параллельно друг другу, очень небольшой объем исключен из центра масс приближающегося цилиндра (он может подойти довольно близко к другому цилиндру). Если, однако, цилиндры расположены под некоторым углом друг к другу, тогда существует большой объем, окружающий цилиндр, в который центр масс приближающегося цилиндра не может войти (из-за отталкивания жесткого стержня между двумя идеализированными объектами). Таким образом, такое угловое расположение приводит к уменьшению чистой позиционной энтропии.приближающегося цилиндра (ему доступно меньше состояний). ^{[55] [56]}

Фундаментальное понимание здесь состоит в том, что, хотя параллельное расположение анизотропных объектов приводит к уменьшению ориентационной энтропии, существует увеличение позиционной энтропии. Таким образом, в некоторых случаях более высокий позиционный порядок будет энтропийно выгодным. Таким образом, эта теория предсказывает, что раствор стержневидных объектов при достаточной концентрации претерпит фазовый переход в нематическую фазу. Хотя эта модель концептуально полезна, ее математическая формулировка делает несколько предположений, ограничивающих ее применимость к реальным системам. ^[56]

Теория среднего поля Майера – Заупе [ править ]

Эта статистическая теория, предложенная Альфредом Заупе и Вильгельмом Майером, включает вклад притягивающего межмолекулярного потенциала от индуцированного дипольного момента между соседними палочковидными молекулами жидкого кристалла. Анизотропное притяжение стабилизирует параллельное выравнивание соседних молекул, и затем теория рассматривает среднее значение среднего поля взаимодействия. Эта теория, решенная самосогласованно, предсказывает термотропные нематико-изотропные фазовые переходы в соответствии с экспериментом. ^{[57] [58] [59]} Теория среднего поля Майера-Заупе распространяется на высокомолекулярные жидкие кристаллы за счет включения изгибной жесткости молекул и использования методаинтегралы по траекториям в науке о полимерах . ^[60]

Модель Макмиллана [ править ]

Модель Макмиллана, предложенная Уильямом Макмилланом ^[61], является расширением теории среднего поля Майера – Заупе, используемой для описания фазового перехода жидкого кристалла из нематической в ​​смектическую A-фазу. Он предсказывает, что фазовый переход может быть непрерывным или прерывистым, в зависимости от силы короткодействующего взаимодействия между молекулами. В результате он допускает тройную критическую точку, где встречаются нематическая, изотропная и смектическая фазы A. Хотя он предсказывает существование тройной критической точки, он не может успешно предсказать ее значение. Модель использует два параметра порядка, которые описывают ориентационный и позиционный порядок жидкого кристалла. Первый - это просто среднее значение второго полинома Лежандра. а второй параметр порядка определяется выражением:

${\displaystyle \sigma =\left\langle \cos \left({\frac {2\pi z_{i}}{d}}\right)\left({\frac {3}{2}}\cos ^{2}\left(\theta _{i}\right)-{\frac {1}{2}}\right)\right\rangle }$

Значения z _i , θ _i и d - это положение молекулы, угол между осью молекулы и директором, а также расстояние между слоями. Постулируемая потенциальная энергия отдельной молекулы определяется выражением:

${\displaystyle U_{i}(\theta _{i},z_{i})=-U_{0}\left(S+\alpha \sigma \cos \left({\frac {2\pi z_{i}}{d}}\right)\right)\left({\frac {3}{2}}\cos ^{2}\left(\theta _{i}\right)-{\frac {1}{2}}\right)}$

Здесь константа α количественно определяет силу взаимодействия между соседними молекулами. Затем потенциал используется для получения термодинамических свойств системы в предположении теплового равновесия. Это приводит к двум уравнениям самосогласования, которые необходимо решить численно, решениями которых являются три стабильные фазы жидкого кристалла. ^[21]

Теория упругого континуума [ править ]

В этом формализме жидкокристаллический материал рассматривается как континуум; молекулярные детали полностью игнорируются. Скорее, эта теория рассматривает возмущения предполагаемого ориентированного образца. Искажения жидкого кристалла обычно описываются плотностью свободной энергии Франка . Можно выделить три типа искажений, которые могут возникнуть в ориентированном образце: (1) скручивание материала, когда соседние молекулы вынуждены наклоняться друг относительно друга, а не выравниваться; (2) растекание материала, при котором изгиб происходит перпендикулярно директору; и (3) изгибматериала, в котором искажение параллельно директору и оси молекулы. Все три типа искажений влекут за собой штраф за энергию. Это искажения, вызванные граничными условиями на доменных стенках или окружающем контейнере. Затем отклик материала можно разложить на части на основе упругих постоянных, соответствующих трем типам искажений. Теория упругого континуума - эффективный инструмент для моделирования жидкокристаллических устройств и липидных бислоев. ^{[62] [63]}

Внешние воздействия на жидкие кристаллы [ править ]

Ученые и инженеры могут использовать жидкие кристаллы во множестве приложений, потому что внешнее возмущение может вызвать значительные изменения макроскопических свойств жидкокристаллической системы. Как электрические, так и магнитные поля могут быть использованы, чтобы вызвать эти изменения. Величина полей, а также скорость, с которой молекулы выравниваются, являются важными характеристиками, с которыми имеет дело промышленность. В жидкокристаллических устройствах можно использовать специальную обработку поверхности, чтобы добиться определенной ориентации директора.

Эффекты электрического и магнитного поля [ править ]

Способность директора выравниваться по внешнему полю обусловлена ​​электрической природой молекул. Постоянные электрические диполи возникают, когда один конец молекулы имеет чистый положительный заряд, а другой конец - отрицательный. Когда к жидкому кристаллу прикладывается внешнее электрическое поле, дипольные молекулы стремятся ориентироваться вдоль направления поля. ^[64]

Даже если молекула не образует постоянного диполя, на нее все равно может воздействовать электрическое поле. В некоторых случаях поле вызывает небольшое изменение расположения электронов и протонов в молекулах, в результате чего возникает индуцированный электрический диполь. Хотя они не такие сильные, как постоянные диполи, ориентация во внешнем поле все же происходит.

Реакция любой системы на внешнее электрическое поле

${\displaystyle D_{i}=\epsilon _{0}E_{i}+P_{i}}$

где , и - компоненты электрического поля, поля электрического смещения и плотности поляризации. Электрическая энергия на единицу объема хранится в системе:${\displaystyle E_{i}}$${\displaystyle D_{i}}$${\displaystyle P_{i}}$

${\displaystyle f_{\text{elec}}=-{\frac {1}{2}}D_{i}E_{i}}$

(суммирование по дважды появляющемуся индексу ). В нематических жидких кристаллах поляризация и электрическое смещение линейно зависят от направления электрического поля. Поляризация должна быть ровной в директоре, так как жидкие кристаллы инварианты относительно отражения . Самая общая форма выражения -${\displaystyle i}$${\displaystyle n}$${\displaystyle D}$

${\displaystyle D_{i}=\epsilon _{0}\epsilon _{\bot }E_{i}+\left(\epsilon _{\parallel }-\epsilon _{\bot }\right)n_{i}n_{j}E_{j}}$

(суммирование по индексу ) с и электрическая проницаемость параллельно и перпендикулярно директору . Тогда плотность энергии равна (без учета постоянных членов, которые не вносят вклад в динамику системы) ^[65]${\displaystyle j}$${\displaystyle \epsilon _{\bot }}$${\displaystyle \epsilon _{\parallel }}$${\displaystyle n}$

${\displaystyle f_{\text{elec}}=-{\frac {1}{2}}\epsilon _{0}\left(\epsilon _{\parallel }-\epsilon _{\bot }\right)\left(E_{i}n_{i}\right)^{2}}$

(суммирование окончено ). Если положительно, то минимум энергии достигается , когда и параллельны. Это означает, что система будет способствовать выравниванию жидкого кристалла с приложенным извне электрическим полем. Если отрицательно, то минимум энергии достигается тогда , когда и перпендикулярны (в НКА вырождаются перпендикулярная ориентация, что делает возможным появление вихрей ^[66] ).${\displaystyle i}$${\displaystyle \epsilon _{\parallel }-\epsilon _{\bot }}$${\displaystyle E}$${\displaystyle n}$${\displaystyle \epsilon _{\parallel }-\epsilon _{\bot }}$${\displaystyle E}$${\displaystyle n}$

Разница называется диэлектрической анизотропией и является важным параметром в жидкокристаллических приложениях. Бывают как жидкие кристаллы, так и коммерческие. Смесь жидких кристаллов 5CB и E7 - это два обычно используемых жидких кристалла. MBBA - это обычный жидкий кристалл.${\displaystyle \Delta \epsilon =\epsilon _{\parallel }-\epsilon _{\bot }}$${\displaystyle \Delta \epsilon >0}$${\displaystyle \Delta \epsilon <0}$${\displaystyle \Delta \epsilon >0}$${\displaystyle \Delta \epsilon <0}$

Воздействие магнитных полей на молекулы жидких кристаллов аналогично электрическим полям. Поскольку магнитные поля создаются движущимися электрическими зарядами, постоянные магнитные диполи создаются электронами, движущимися вокруг атомов. При приложении магнитного поля молекулы стремятся выровняться с полем или против него. Электромагнитное излучение, например УФ-видимый свет, может влиять на светочувствительные жидкие кристаллы, которые в основном содержат по меньшей мере фото-переключаемый блок. ^[67]

Подготовка поверхности [ править ]

В отсутствие внешнего поля директор жидкого кристалла может указывать в любом направлении. Однако можно заставить директора указать в определенном направлении, введя в систему внешнего агента. Например, когда тонкое полимерное покрытие (обычно полиимид) наносят на стеклянную подложку и натирают тканью в одном направлении, наблюдается, что молекулы жидких кристаллов, контактирующие с этой поверхностью, выравниваются по направлению трения. В настоящее время принятым механизмом для этого является эпитаксиальный рост жидкокристаллических слоев на частично ориентированных полимерных цепях в приповерхностных слоях полиимида.

Некоторые химические жидкие кристаллы также выравниваются по «командной поверхности», которая, в свою очередь, выравнивается электрическим полем поляризованного света. Этот процесс называется фото-выравниванием .

Переход Фредерикса [ править ]

Конкуренция между ориентацией, создаваемой поверхностным закреплением, и эффектами электрического поля часто используется в жидкокристаллических устройствах. Рассмотрим случай, когда молекулы жидкого кристалла выровнены параллельно поверхности, а электрическое поле приложено перпендикулярно к ячейке. Сначала, когда электрическое поле увеличивается по величине, выравнивания не происходит. Однако при пороговой величине электрического поля происходит деформация. Деформация происходит, когда директор меняет ориентацию от одной молекулы к другой. Возникновение такого перехода от выровненного к деформированному состоянию называется переходом Фредерикса и может быть также вызвано приложением магнитного поля достаточной силы.

Переход Фредерикса имеет фундаментальное значение для работы многих жидкокристаллических дисплеев, поскольку ориентацией директора (и, следовательно, свойствами) можно легко управлять с помощью приложения поля.

Эффект хиральности [ править ]

Как уже было описано, хиральные жидкокристаллические молекулы обычно образуют хиральные мезофазы. Это означает, что молекула должна обладать некоторой формой асимметрии, обычно это стереогенный центр. Дополнительным требованием является то, чтобы система не была рацемической : смесь правых и левых молекул нейтрализует хиральный эффект. Однако из-за кооперативного характера упорядочения жидких кристаллов небольшого количества хиральной легирующей примеси в ахиральной мезофазе часто бывает достаточно, чтобы выбрать однодоменную хиральность, что делает систему в целом хиральной.

Хиральные фазы обычно имеют спиральное закручивание молекул. Если шаг этого поворота порядка длины волны видимого света, то можно наблюдать интересные эффекты оптической интерференции. Хиральное закручивание, которое происходит в хиральных ЖК-фазах, также заставляет систему по-разному реагировать на свет с правой и левой круговой поляризацией. Таким образом, эти материалы можно использовать в качестве поляризационных фильтров . ^[68]

Для хиральных молекул ЖК возможно образование по существу ахиральных мезофаз. Например, в определенных диапазонах концентраций и молекулярной массы ДНК образует гексатическую фазу ахиральной линии. Интересное недавнее наблюдение - образование хиральных мезофаз из ахиральных молекул ЖК. В частности, было показано, что молекулы с изогнутой сердцевиной (иногда называемые жидкими кристаллами банана) образуют жидкие кристаллические фазы, которые являются хиральными. ^[69]В любом конкретном образце различные домены будут иметь противоположную направленность, но внутри любого данного домена будет присутствовать сильное хиральное упорядочение. Механизм возникновения этой макроскопической хиральности пока не совсем ясен. Похоже, что молекулы укладываются в слои и ориентируются под наклоном внутри слоев. Эти фазы жидких кристаллов могут быть сегнетоэлектрическими или антисегнетоэлектрическими, оба из которых представляют интерес для приложений. ^{[70] [71]}

Хиральность также может быть включена в фазу путем добавления хиральной добавки , которая сама может не образовывать ЖК. Смеси скрученного нематика или сверхскрученного нематика часто содержат небольшое количество таких примесей.

Применение жидких кристаллов [ править ]

Жидкие кристаллы находят широкое применение в жидкокристаллических дисплеях, которые зависят от оптических свойств определенных жидкокристаллических веществ в присутствии или в отсутствие электрического поля . В типичном устройстве жидкокристаллический слой (обычно толщиной 4 мкм) находится между двумя поляризаторами , которые пересекаются (ориентированы под углом 90 ° друг к другу). Выравнивание жидкого кристалла выбирается так, чтобы его релаксированная фаза была закрученной (см. Эффект закрученного нематического поля ). ^[7]Эта закрученная фаза переориентирует свет, прошедший через первый поляризатор, позволяя ему проходить через второй поляризатор (и отражаться обратно к наблюдателю, если имеется отражатель). Таким образом, устройство выглядит прозрачным. Когда электрическое поле прикладывается к ЖК-слою, длинные оси молекул стремятся выровняться параллельно электрическому полю, постепенно раскручиваясь в центре жидкокристаллического слоя. В этом состоянии молекулы ЖК не переориентируют свет, поэтому свет, поляризованный на первом поляризаторе, поглощается на втором поляризаторе, и устройство теряет прозрачность с увеличением напряжения. Таким образом, электрическое поле можно использовать для переключения пикселя между прозрачным или непрозрачным по команде. В цветных жидкокристаллических дисплеях используется тот же метод, с цветовыми фильтрами, используемыми для создания красных, зеленых и синих пикселей.^[7] Хиральные смектические жидкие кристаллы используются в сегнетоэлектрических ЖК-экранах, которые представляют собой бинарные модуляторы света с быстрым переключением. Подобные принципы могут быть использованы для создания других оптических устройств на основе жидких кристаллов. ^[72]

Перестраиваемые жидкокристаллические фильтры используются в качестве электрооптических устройств ^{[73] [74],} например, при построении гиперспектральных изображений .

Термотропные хиральные ЖК, шаг которых сильно зависит от температуры, можно использовать в качестве неочищенных жидкокристаллических термометров , поскольку цвет материала будет меняться при изменении шага. Переходы цвета жидких кристаллов используются во многих термометрах для аквариумов и бассейнов, а также в термометрах для младенцев или ванн. ^[75] Другие жидкокристаллические материалы меняют цвет при растяжении или напряжении. Таким образом, жидкокристаллические листы часто используются в промышленности для поиска горячих точек, отображения теплового потока, измерения схем распределения напряжений и т. Д. Жидкий кристалл в жидкой форме используется для обнаружения электрически генерируемых горячих точек для анализа отказов в полупроводниковой промышленности. ^[76]

Жидкокристаллические линзы сходятся или отклоняют падающий свет, регулируя показатель преломления жидкокристаллического слоя в зависимости от приложенного напряжения или температуры. Как правило, жидкокристаллические линзы создают параболическое распределение показателя преломления за счет расположения молекул. Следовательно, плоская волна преобразуется в параболический волновой фронт жидкокристаллической линзой. Фокусное жидкокристаллических линз может быть непрерывно перестраиваемый , когда внешнее электрическое поле может быть правильно настроен. Жидкокристаллические линзы - это разновидность адаптивной оптики . Система визуализации может быть улучшена с помощью коррекции фокусировки, настройки плоскости изображения или изменения диапазона глубины резкости или глубины резкости.. Жидкокристаллические линзы - один из кандидатов на разработку устройства для коррекции зрения при близорукости и пресбиопии (например, настраиваемые очки и умные контактные линзы). ^{[77] [78]} Являясь оптическим фазовым модулятором , жидкокристаллическая линза имеет пространственно-изменяющуюся длину оптического пути (т. Е. Длину оптического пути как функцию координаты ее зрачка). В различных системах формирования изображения требуемая функция длины оптического пути варьируется от одного к другому. Например, чтобы собрать плоскую волну в пятно, ограниченное дифракцией, для физически плоской жидкокристаллической структуры показатель преломления жидкокристаллического слоя должен быть сферическим или параболоидальным подпараксиальное приближение . Что касается проецирования изображений или восприятия объектов, можно ожидать наличия жидкокристаллической линзы с асферическим распределением длины оптического пути по ее интересующей апертуре. Жидкокристаллические линзы с электрически настраиваемым показателем преломления (обращаясь к разным величинам электрического поля на жидкокристаллическом слое) имеют потенциал для достижения произвольной функции длины оптического пути для модуляции входящего волнового фронта; Современные жидкокристаллические оптические элементы произвольной формы были расширены из жидкокристаллических линз с теми же оптическими механизмами. ^[79] Применение жидкокристаллических линз включает в себя пикопроекторы, линзы по рецепту (очки или контактные линзы), камеру смартфона, дополненную реальность, виртуальную реальность и т. Д.

В жидкокристаллических лазерах в качестве механизма распределенной обратной связи вместо внешних зеркал используется жидкий кристалл в среде излучения . Излучение в фотонной запрещенной зоне, создаваемой периодической диэлектрической структурой жидкого кристалла, дает низкопороговое устройство с высоким выходом и стабильным монохроматическим излучением. ^{[29] [80]}

Листы и рулоны с диспергированными полимерными жидкими кристаллами (PDLC) доступны в виде смарт-пленки с клейкой основой, которую можно наносить на окна и электрически переключать между прозрачным и непрозрачным для обеспечения конфиденциальности.

Многие обычные жидкости, такие как мыльная вода , на самом деле являются жидкими кристаллами. Мыло образует множество ЖК-фаз в зависимости от его концентрации в воде. ^[81]

Жидкокристаллические пленки произвели революцию в мире технологий. В настоящее время они используются в самых разных устройствах, таких как цифровые часы, мобильные телефоны, счетные машины и телевизоры. Возможно использование жидкокристаллических пленок в устройствах оптической памяти с процессом, аналогичным записи и чтению компакт-дисков и DVD-дисков. ^{[82] [83]}

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме жидких кристаллов .

• «История и свойства жидких кристаллов» . Nobelprize.org . Проверено 6 июня 2009 года .
• Определения основных терминов, относящихся к жидким кристаллам с низкой молярной массой и полимерным жидким кристаллам (Рекомендации ИЮПАК 2001 г.)
• Понятное введение в жидкие кристаллы от Университета Кейс Вестерн Резерв
• Учебное пособие по физике жидких кристаллов от Liquid Crystals Group, Университет Колорадо
• Группа жидких кристаллов и фотоники - Гентский университет (Бельгия) , хорошее руководство
• Моделирование распространения света в жидких кристаллах , бесплатная программа
• Жидкие кристаллы Интерактивные онлайн
• Институт жидких кристаллов Кентского государственного университета
• Жидкие кристаллы - журнал Тейлора и Фрэнсиса
• Молекулярные кристаллы и жидкие кристаллы журнал Тейлора и Фрэнсиса
• Методы обнаружения горячих точек для ИС
• Что такое жидкие кристаллы? Технологический университет Чалмерса, Швеция
• Прогресс в химии жидких кристаллов Тематическая серия в открытом доступе Beilstein Journal of Organic Chemistry
• Пакет преподавания и обучения DoITPoMS - «Жидкие кристаллы»
• Жидкий кристалл Bowlic от Государственного университета Сан-Хосе
• Фазовая калибровка пространственного модулятора света