Рідкі кристали, історія відкриття рідких кристалів, структура, типи та їх застосування - Математика
Реферат з фізики
Виконав студент I курсу групи Н-5972 Глухенький Р.Є.
Далекосхідний Державний Технічний Університет
Владивосток 2006 р.
Незвичайне поєднання слів "рідкі кристали", ймовірно, багатьом вже знайоме, хоча далеко не всі собі уявляють, що ж стоїть за цим дивним і, здавалося б, суперечливим поняттям. Рідкі кристали мають подвійні властивості, поєднуючи в собі властивість рідин (плинність) і властивість кристалічних тіл (анізотропію). Їхня поведінка не завжди вдається описати за допомогою звичних методів та понять. Але саме в цьому і полягає їх привабливість для дослідників, які прагнуть пізнати ще незвідане. У той же час, ймовірно, кожна друга (ну, може бути третя!) людина носить при собі рідкокристалічні (ЖК) індикатори і по кілька десятків разів на день поглядає на свій електронний годинник. РК-циферблат яких акуратно відраховує години, хвилини, секунди, а іноді й частки секунд. Саме ЖК-індикатори є основою сучасних калькуляторів, портативних комп'ютерів "Notebooks", мініатюрних плоских екранів телевізорів, словників-перекладачів, пейджерів та багатьох інших сучасних електронних технічних та побутових приладів та пристроїв.
Світове виробництво РК-індикаторів та дисплеїв обчислюється мільярдами, і за прогнозами збільшуватиметься й надалі. Вже зараз без перебільшення можна сказати, що прогрес та розвиток низки галузей науки і техніки немислимі без розвитку досліджень у галузі рідких кристалів. Не менший інтерес є рідкими кристалами з погляду біології та процесів життєдіяльності. Функціонування клітинних мембран та ДНК, передача нервовихімпульсів, робота м'язів, формування атеросклеротичних бляшок - ось далеко неповний перелік процесів, що протікають у РК-фазі, з властивими цій фазі особливостями - схильністю до самоорганізації та збереження високої молекулярної рухливості. Світ рідких кристалів нескінченно великий і охоплює широке коло природних і синтетичних об'єктів, привертаючи увагу не тільки вчених — фізиків, хіміків і біологів, а й дослідників-практиків, що працюють у найрізноманітніших галузях сучасної техніки.
1. Історія відкриття рідких кристалів
З часу відкриття рідких кристалів минуло понад сто років. Вперше їх виявив австрійський ботанік Фрідріх Рейнітцер, спостерігаючи дві точки плавлення складного ефіру холестерину - холестерілбензоату (рис.1).
Перша РК-з'єднання — холестерилбензоат та діаграма, що ілюструє температурну сферу існування РК-фази.
При температурі плавлення (Tпл), 1450C, кристалічна речовина перетворювалася на каламутну, сильно розсіюючу світло рідина, яка при 1790C ставала прозорою. На відміну від точки плавлення температуру, за якої відбувалося просвітлення зразка, Рейнітцер назвав точкою просвітлення (Tпр). Вражений цим надзвичайним явищем, що свідчить про подвійне плавлення, Рейнітцер відправив свої препарати німецькому кристалографу Отто Леману з проханням допомогти розібратися в дивній поведінці холестерилбенозоату. Досліджуючи їх за допомогою поляризаційного мікроскопа, Леман встановив, що каламутна фаза, що спостерігається Рейнітцером, є анізотропною. Оскільки властивості анізотропії притаманні твердому кристалу, а речовина в каламутній фазі була рідкою, Леман назвав її рідким кристалом.
З того часу речовини, здатні в певному температурному інтервалі вище точкиплавлення поєднувати одночасно властивості рідин (плинність, здатність до утворення крапель) та властивості кристалічних тіл (анізотропії), стали називатися рідкими кристалами або рідкокристалічними. РК-речовини часто називають мезоморфними, а утворену ними РК-фазу - мезофазою (від грец. "Мезос" - проміжний).
Такий стан є стабільним термодинамічний фазовим станом і по праву на ряду з твердим, рідким і газоподібним може розглядатися як четвертий стан речовини.
Однак розуміння природи ЖК-стану речовин встановлення та дослідження їх структурної організації приходить значно пізніше. Серйозна недовіра до самого факту
існування таких незвичайних сполук у 20-30-х роках змінилося їх активним дослідженням. Роботи Д. Форлендера у Німеччині багато в чому сприяли синтезу нових
РК-з'єднань. Досить сказати, що під його керівництвом було виконано 85 дисертацій з рідких кристалів. Французький вчений Ж. Фрідель запропонував першу класифікацію рідких кристалів, голландець С. Озеєн та чех Х. Цохер створили теорію пружності, українські вчені В.К. Фредерікс та В.М. Цвєтков у СРСР у 30-х роках вперше досліджували поведінку рідких кристалів в електричних та магнітних полях. Однак те 60-х років вивчення рідких кристалів не мало істотного практичного інтересу, і всі наукові дослідження мали досить обмежений, суто академічний інтерес.
Ситуація різко змінилася в середині 60-х років, коли у зв'язку з бурхливим розвитком мікроелектроніки та мікромініатюризації приладів були потрібні речовини, здатні відображати та передавати інформацію, споживаючи при цьому мінімум енергії. І ось тут на допомогу прийшли рідкі кристали, двоїстий характер яких (анізотропія властивостей івисока молекулярна рухливість) дозволили створити керовані зовнішнім електричним полем швидкодіючі та економічні РК-індикатори, які є по суті основним елементом багатомільйонної "армії" годинника, калькуляторів, плоских екранів телевізорів і т.д.
Рідкокристалічний бум, у свою чергу, стимулював активну наукову діяльність, скликалися міжнародні симпозіуми та конференції з рідких кристалів, організовувалися школи для молодих учених, випускалися збірки та монографії.