FIZYCZNE PODSTAWY INFORMATYKI
=] MENU [=
Strona główna
Literatura
O wykładzie
Linki
=] WYKŁADY [=
Wykład nr 1
Wykład nr 2
Wykład nr 3
Wykład nr 4
Wykład nr 5
Wykład nr 6
Wykład nr 7
Wykład nr 8
Wykład nr 9
Wykład nr 10
Wykład nr 11
Wykład nr 12
Wykład nr 13
Kolokwium

Cytaty...
What is the difference between genius and stupidity? Genius has limits. - Albert Einstein.
Wykład numer 12


Ciekłe kryształy

 

     Wykład obejmuje następujące zagadnienia:

  1. Definicja ciekłego kryształu.

  2. Budowa cząsteczki ciekłego kryształu.

  3. Ciekłe kryształy termotropowe:

        - nematyczne,

        - smektyczne,

        - cholesterolowe.

      (polimezomorfizm i przejścia między różnymi fazami)

  4. Model domenowy i model continuum.

  5. Rodzaje tekstur:

        - planarna,

        - homeotropowa,

        - planarna Grandjeana,

        - konfokalna.

  6. Własności optyczne ciekłych kryształów:

        - dwójłomność,

        - aktywność optyczna,

        - selektywne odbicie światła.

  7. Anizotropia diamagnetyczna.

  8. Anizotropia dielektryczna.

  9. Anizotropia lepkości.

10. Orientacja molekuł na granicy ciekły kryształ - ciało stałe.

11. Wyświetlacze ciekłokrystaliczne.

 

     Ciekłe kryształy to substancje wykazujące własności pośrednie między cieczą a ciałem stałym. Podobieństwo do cieczy polega na tym, że przyjmują kształt naczynia, tak jak wszystkie ciecze. Natomiast podobieństwo do ciał stałych przejawia się w anizotropii różnego rodzaju własności, w szczególności własności optycznych. Wynikają one z budowy cząsteczek tworzących ciekły kryształ. Najprościej CK można  uzyskać, topiąc odpowiednią substancję ze stanu stałego przez podwyższanie temperatury, choć niekiedy trzeba daną substancję najpierw stopić, a potem dopiero ochłodzić, żeby uzyskać dla określonego rodzaju cząsteczek ciekły kryształ.

     Wszystkie cząsteczki ciekłych kryształów, niezależnie od tego, do której grupy należą, mają na ogół charakterystyczny, wydłużony kształt wynikający z obecności pierścieni benzenowych połączonych w łańcuchy (chemia organiczna!).

Rys. 1. Wzory strukturalne kilku prostych molekuł substancji ciekłokrystalicznych i ogólny schemat ich budowy

 

Rys. 2. Wzór strukturalny molekuły cholesterolowego ciekłego kryształu - pelargonianu cholesterylu

     Pierścienie benzenowe to sześć atomów węgla połączonych ze sobą i wytwarzających nad i pod pierścieniem po sześć elektronów, które utworzyły te wiązania pomiędzy atomami węgla (tzw. wiązania typu pi). Każda z tych dwu grup sześciu elektronów tworzy jeden pierścieniowy orbital (czyli przestrzeń, w której mogą się znajdować elektrony tworzące wiązania pierścienia). Elektrony te nie są przyporządkowane do konkretnego atomu i mają swobodę przemieszczania się w całym orbitalu. Do pierścieni benzenowych, składających się z węgla i wodoru, dołączane są różnego rodzaju grupy -  tak jak w innych związkach organicznych. Substancje organiczne albo stopione, albo rozpuszczone w odpowiednich rozpuszczalnikach prowadzić mogą do powstania ciekłych kryształów. Wydłużenie cząstek i obecność pierścieni benzenowych decydują o większości ciekawych własności tych substancji.

     Ze względu na uporządkowanie wyróżniamy trzy podstawowe grupy stanu ciekłokrystalicznego. Stan ten nazywa się mezofazą, czyli stanem pośrednim pomiędzy ciałem stałym a cieczą. Mogą to być: nematyki, smektyki i ciekłe kryształy cholesterolowe.

Rys. 3. Struktura ciekłych kryształów

a) typ nematyczny

Widoczne jest uporządkowanie długich osi cząsteczek w jednym kierunku, ale cząstki są względem siebie poprzesuwane. Kierunek ułożenia cząstek zostaje zachowany.

b) typ smektyczny

 Dla CK tego typu cząstki są  jeszcze  dodatkowo uporządkowane w równoległe warstwy. Dla cząstek we wszystkich warstwach musi być zachowany cały czas jeden kierunek uporządkowania.

c) typ cholesterolowy

W ciekłych kryształach typu cholesterolowego cząstki układają się w warstwach. W każdej warstwie długie osie cząstek są równoległe do siebie. W następnej - cząsteczki ustawiają się już pod innym kątem. Jest to tak zwane skręcenie śrubowe.

     Nie każdy ciekły kryształ może występować we wszystkich trzech stanach. Kryształy składające się tylko z jednego rodzaju cząsteczek nie mogą wykazywać zarówno stanu nematycznego jak i stanu cholesterolowego - te dwie fazy się wykluczają. Jeżeli kryształ wykazuje  fazę nematyczną, to bez względu na zmiany temperatury nie zamienimy go w typ cholesterolowy. Jeśli w ogóle dla danego rodzaju cząsteczek występuje faza smektyczna, to musi się ona pojawić jako pierwsza po stopieniu substancji krystalicznej. Przejścia te dokonują się w różnych temperaturach. Kryształy, dla których stan w jakim się znajdują zależy od temperatury, nazywa się kryształami termotropowymi. Podstawowym sposobem ich otrzymywana jest rozpuszczanie w rozpuszczalniku, którego cząsteczki mają duży moment dipolowy i są cząsteczkami polarnymi (np. cząsteczka wody).

     Nazwa typ nematyczny pochodzi od greckiej nici (nie ma to nic wspólnego z długimi osiami cząstek, bo nie są one tak długie, żeby zauważyć nici molekularne w roztworze). Nazwa nici pochodzi od widocznych w tej strukturze defektów. Smektyki przypominają lepkością mydło i nazwa ich pochodzi od greckiej nazwy mydła.

     Temperatury, przy których zachodzi przejście jednej fazy ciekłokrystalicznej do drugiej, jak również przejście do fazy izotropowej (utrata własności ciekłokrystalicznych)  są bardzo różne dla różnych ciekłych kryształów. Jednak dla obecnie dostępnych ciekłych kryształów mogą to być nawet temperatury rzędu temperatur pokojowych. Możliwość występowania danego rodzaju cząsteczek w różnych fazach ciekłokrystalicznych nazywana jest polimezomorfizmem i ma ona swój odpowiednik także w przypadku ciał stałych.

Rys. 4. Model domenowy i model ośrodka ciągłego (continuum)

     Ciekłe kryształy opisuje się matematycznie, stosując model domenowy, który przypomina uporządkowanie momentów magnetycznych ferromagnetyka lub dipoli w tak zwanych ferroelektrykach, albo model ciągły wprowadzający stopniowe przejścia pomiędzy obszarami o różnych kierunkach uporządkowania. Jeżeli na próbkę ciekłego kryształu nie są wywierane żadne zewnętrze oddziaływania, to nie powodu, żeby w obrębie całej płytki była ona dokładnie w ten sam sposób zorientowana. Przejście obszaru o określonym kierunku tak zwanego direktora, czyli kierunku wyznaczonego przez długie osie cząsteczek, do innych kierunków direktorów odbywa się raczej stopniowo niż domenowo. Tak więc do tłumaczenia większości z obserwowanych efektów lepiej nadaje się model domenowy.

     Zagadnienie tekstury ciekłego kryształu - ułożenia cząstek względem siebie i względem ścianek ograniczających cienką ciekłokrystaliczną płytkę - obejmuje tekstury: planarną, homeotropową, planarną Grandjeana oraz konfokalną. W przypadku tekstury planarnej cząstki położone są osiami równolegle do powierzchni ograniczających kryształ. Natomiast w przypadku struktury homeotropowej - cząstki położone są osiami prostopadle do szkiełek ograniczających kryształ. Odpowiednie przygotowanie powierzchni poprzez oszlifowanie jej w jednym kierunku prowadzi do tego, że cząstki ciekłego kryształu mają naturalną tendencję do ustawiania się swoimi długimi osiami równolegle do rowków pozostałych po oszlifowaniu. W ten sposób otrzymujemy strukturę planarną. Zwilżenie powierzchni cząsteczkami o dużym momencie dipolowym powoduje przyczepianie się cząsteczek ciekłego kryształu czubkami do powierzchni płytek ograniczających. W ten sposób powstaje struktura homeotropowa. Struktura planarna Grandjeana dotyczy głównie kryształów nematycznych, a struktura konfokalna - kryształów cholesterolowych i smektycznych. Ta ostatnia polega na tym, że cząstki grupują się w pewne obszary - bryłki, które "w specyficzny sposób układają się wzdłuż hiperbol i elips o wspólnych ogniskach".

     Na anizotropię własności optycznych wpływa kształt cząsteczek i rodzaj tekstury w krysztale, na przykład nematycznym. Kryształ ten wykazuje tak zwaną dwójłomność optyczną. W ciałach stałych, w szczególnego rodzaju kryształach, światło wpadające do wnętrza rozdziela się na dwie wiązki prostopadle do siebie spolaryzowane. Jedna z nich spełnia tylko prawo załamania Snella w tym sensie, że promień padający, promień załamany i normalna leżą w jednej płaszczyźnie. Druga wiązka nie leży już w tej płaszczyźnie. Ponadto prędkość rozchodzenia się drugiej wiązki, a więc jej współczynnik załamania, zależy od kierunku rozchodzenia się względem specyficznych osi kryształu, czyli wykazuje dwie nadzwyczajne własności: nie spełnia prawa załamania a prędkość zależy od kierunku. W związku z tym nazywa się ją wiązką nadzwyczajną, w odróżnieniu od pierwszej - zwyczajnej. Różnią się one między innymi prędkością rozchodzenia się (prędkością propagacji). Podobnie jest w krysztale ciekłego kryształu nematycznego.

     Kierunek, w którym nie daje się zauważyć żadnych ciekawych efektów, nazywamy kierunkiem osi optycznej. W kierunku prostopadłym do osi optycznej ujawniają się szczególne własności. Rozchodzą się dwa promienie: promień zwyczajny i promień nadzwyczajny. Różnią się one polaryzacjami.

Własność tę nazywany dwójłomnością kryształu. Ciekły kryształ ma możliwość rozdzielania padającego światła na dwie wiązki o prostopadłych polaryzacjach i różniące się prędkością rozchodzenia. Kryształ, który posiada większy współczynnik załamania dla fali nadzwyczajnej niż dla fali zwyczajnej, to kryształ optycznie dodatni.

 Własności te giną powyżej temperatury, w której kryształ przechodzi do cieczy izotropowej. Natomiast wcześniej do pewnego stopnia zależą od temperatury.

Rys. 5. Zależność współczynników załamania ne i n0 w PAA od temperatury

Podobnego rodzaju anizotropia występuje również dla innych właściwości ciekłego kryształu.

Rys. 6. Zależność podatności magnetycznej PAA od temperatury

 

Rys. 7. Zależność przenikalności elektrycznej PAA od temperatury

 

     Ciekłe kryształy mają poza dwójłomnością więcej ciekawych własności optycznych. Kryształy cholesterolowe, czyli posiadające śrubowe uporządkowanie w poprzek warstwy, wykazują bardzo dużą aktywność optyczną - zdolność do skręcania drgań wektora pola elektrycznego fali świetlnej w trakcie przechodzenia jej wzdłuż próbki. Okazuje się, że nawet po jednym mm długości ten wektor może się obrócić o kilka tysięcy stopni. Natomiast np. dla cukru -klasycznie wykorzystywanego w doświadczeniach z dwójłomnością - choć byśmy przygotowali bardzo gęsty syrop - nie uzyskamy więcej na długości kilkunastu cm niż kilkadziesiąt stopni. Taki efekt nie jest spotykany dla żadnych innych materiałów.

     Kolejne zagadnienie to własność dichroizmu kołowego - zjawiska polegającego na różnej absorpcji światła spolaryzowanego kołowo w lewo i w prawo. Dichroizm kołowy prowadzi do tzw. eliptyzacji polaryzacji światła przechodzącego.

     Kryształy cholesterolowe wykazują bardzo ciekawe zjawisko, tak zwane selektywne odbicie. Okazuje się, że w zależności od tego pod jakim kątem światło pada na taka próbkę i jaki jest kąt obserwacji, może następować odbicie fal w różnym stopniu dla fal o różnych długościach. Próbka ta wykazuje właściwość rozszczepiania światła i uzyskiwania różnego rodzaju barwnych efektów. Tym, pod jakim kątem następuje odbicie danej barwy, można sterować, tak jak i wieloma innymi własnościami optycznymi ciekłego kryształu, ponieważ jest on bardzo wrażliwy na wszystkie zewnętrzne wpływy: pole elektryczne, grubość warstwy, naprężenia mechaniczne.

     Własności magnetyczne ciekłych kryształów wynikają z obecności wspomnianych wcześniej pierścieni benzenowych, nad którymi znajdują się elektrony tworzące nadprzewodzący pierścień. Jeżeli wstawimy ciekły kryształ do pola magnetycznego, to elektrony doznają wpływu ze strony tego pola.  Zacznie indukować się prąd, czyli w tym pierścieniu elektrony popłyną w uporządkowany sposób.

Pole, które wytwarzają, ustawi się zgodnie ze zmianą zewnętrznego pola, czyli indukowane w tych benzenowych orbitalach pole magnetyczne będzie takie, jak w substancjach diamagnetycznych. Podejmie próbę przeciwstawiania się zmianom pola zewnętrznego. Jeżeli to pole się ustali, to nie znaczy, że elektrony przestaną się poruszać - będą próbowały je osłabić tak jak w diamagnetyku.

     Cząsteczki ciekłych kryształów w polu magnetycznym ustawiają się swoimi pierścieniami benzenowymi równolegle do kierunku pola. Jeżeli byłaby możliwość utrzymania ich w kierunku prostopadłym do pola, to właściwości okazałyby się zupełnie inne. (POWYŻSZY FRAGMENT MUSZĘ JESZCZE  PRZEMYŚLEĆ- KŁ)

     Ostatnim rodzajem anizotropii jest anizotropia własności elektrycznych (Rys.7). Okazuje się, że stała dielektryczna płytki ciekłokrystalicznej, w szczególności płytki kryształu nematycznego czy smektycznego, zależy od tego, jaka jest orientacja cząsteczek względem zewnętrznego pola elektrycznego. Stała dielektryczna mówi, ile razy zwiększy się pojemność kondensatora po wprowadzeniu między jego okładki substancji dielektrycznej. Efekt ten - zmiana własności kondensatora - zależy od tego, w jaki sposób umieścimy między okładkami kondensatora substancję ciekłokrystaliczną. W zależności od kierunku trwałego momentu dipolowego cząstki ck różnie zachowują się w polu zewnętrznym. Należy jednak zauważyć, że w polu zewnętrznym, w szczególności jeżeli podlega ono jeszcze zmianom, obecne są również inne rodzaje polaryzacji, niż tylko polaryzacje związane z orientacją trwałych momentów dipolowych. W cząsteczce może się również dokonywać dodatkowe przesunięcie ładunków względem siebie, czyli może indukować się moment elektryczny. Moment, który może się indukować wzdłuż osi długiej, jest wielokrotnie większy niż moment indukujący się wzdłuż osi prostopadłej. Ta różnica własności dielektrycznych będzie wyraźna w tych cząstkach, których trwały moment dipolowy skierowany jest prostopadle do osi.

Rys. 11. Siedmiosegmentowe pole cyfrowe, stosowane w odczytnikach ciekłokrystalicznych

     Przedstawiony ciekłokrystaliczny wyświetlacz składa się z siedmiu segmentów, które odróżniają się od tła, ponieważ wykazują inne własności optyczne. Tło może być ciemne, a cyferki jasne - lub odwrotnie. W najprostszym przypadku odpowiednio cienkie
elektrody nałożone są na płytki ograniczające przestrzeń wypełnioną ciekłym kryształem - nematykiem. Jeżeli przyłożymy pole elektryczne, a elektrody nie są izolowane od kryształu wykazującego teksturę planarną, to popłynie prąd, ponieważ zawsze pewna ilość jonów znajduje się we wnętrzu takiej płytki. Mogą to być jony związane z rodzajem rozpuszczalnika, w którym dany kryształ powstał. Płynące jony niszczą uporządkowanie i światło nie przechodzi przez te obszary - jest rozproszone i na przezroczystym tle daje określone odczyty. Taka struktura byłaby dla światła przezroczysta, gdyby zastosowane zostały polaryzatory. Powyższe rozwiązanie nie sprzyja zachowaniu trwałości kryształu. Uderzanie jonami prowadzi do zmian chemicznych i do degradacji ośrodka. Dlatego z takiego rozwiązania zrezygnowano.

Rys. 10. Dynamiczne rozpraszanie światła w nematykach. Analogiczny efekt występuje także przy orientacji molekuł prostopadle do powierzchni elektrod

     W stosowanych wyświetlaczach ciekłokrystalicznych nie ma przepływu prądu, ponieważ elektrody są oddzielone od ciekłego kryształu cienką warstwą nieprzewodzącą - nie występują prądy jonowe, które mogłyby niszczyć cząsteczki (rozrywać wiązania). Dodano natomiast dwa polaroidy, czyli folie polaryzacyjne skrzyżowane tak, że bez ciekłego kryształu przez taką strukturę nie przechodziłoby żadne światło.

     Jeżeli w środku znajduje się nematyk ujemny w sensie dielektrycznym (posiadający trwały moment dipolowy skierowany prostopadle do długiej geometrycznej osi) z wytworzoną strukturą homeotropową, to tak ustawione cząsteczki ciekłego kryształu nie wykazują dwójłomności optycznej. Światło, padając prostopadle, rozchodzi się wzdłuż osi optycznej, która pokrywa się z długą osią cząsteczek. Jest to sytuacja analogiczna do tej, w której przestrzeń między polaroidami była pusta - będzie ciemno. Natomiast jeżeli pojawi się pole elektryczne, to cząsteczki posiadające trwały moment dipolowy ustawią się tym momentem równolegle do pola elektrycznego. W tej sytuacji ciekły kryształ, oświetlony prostopadle do długiej osi swoich cząsteczek, wykaże maksymalną dwójłomność wzdłuż osi optycznej. Wiązka światła rozdzieli się na dwie prostopadle do siebie spolaryzowane wiązki, które nie mogą zostać jednocześnie wykasowane przez dolny polaryzator - będzie jasno.

Możliwość wykorzystania w podobnym układzie nematyka dodatniego dielektrycznie przedstawia kolejny rysunek.

      Na powyższym rysunku przedstawiony został nematyk o orientacji planarnej, który bez pola wykazuje maksymalną dwójłomność - jest jasno. Pod wpływem pola dielektrycznie dodatni kryształ traci swoje własności dwójłomne i polaryzatory wygaszają światło.

     Powyższy rysunek przedstawia dielektrycznie dodatnią skręconą teksturę nematyczną. Przy jednej powierzchni znajdują się równolegle ustawione do niej molekuły; przy drugiej również, ale obydwie te powierzchnie są obrócone względem siebie o 90 stopni - cząstki przy górnej powierzchni ustawiają się prostopadłe do cząstek przy powierzchni dolnej. Jest to struktura optycznie dwójłomna. Przyłożenie pola powoduje całkowite wygaszenie przechodzącego światła przez polaryzatory, tak jak poprzednio.

Nematyk jest najczęściej wykorzystywanym rodzajem ciekłego kryształu ale wyświetlacze ciekłokrystaliczne mogą też zawierać kryształy cholesterolowe.

Wyświetlacze ciekłokrystaliczne  z aktywną matrycą.

Okazuje się, że kolorowe wyświetlacze ciekłokrystaliczne to w zasadzie wyświetlacze tego typu jak powyżej omówione plus trzy kolorowe filtry (czerwony, zielony, niebieski -RGB) w każdym pikselu. Zainteresowanym szczegółami technicznymi i efektownym schematem takiego wyświetlacza polecamy artykuł w Świecie Nauki, styczeń 1998.