Nieliniowość optyczna

3-1

1

CIEKŁE KRYSZTAŁY

Ciekłe kryształy są substancjami zbudowanymi głównie z
wydłużonych sztywnych molekuł o dużej anizotropii własności
fizycznych

Kształt molekuł wpływa na ich daleko zasięgowe wzajemne
oddziaływanie wywołane siłami van der Waalsa.

•

Oddziaływanie to w fazie ciekłokrystalicznej jest na tyle
słabe, że dopuszcza przesuwanie się molekuł względem
siebie, faza ciekłokrystaliczna ma właściwości płynięcia jak
ciecze.

•

Jednocześnie jest na tyle silne, że wymusza uporządkowanie
kierunku, wzdłuż którego leżą - ośrodek jest anizotropowy, co
jest cechą charakterystyczną kryształów.

ciecz nematyczny ciekły kryształ kryształ

Anizotropowy kształt molekuł i ich ukierunkowanie powoduje
anizotropię własności fizycznych, takich jak przenikalność
elektryczna,

przenikalność

magnetyczna,

przewodność

elektryczna, przewodność termiczna, lepkość i in.

Nieliniowość optyczna

3-2

2

PRZYKŁADY CK

Istotną cechą substancji, które mogą występować jako ciekłe
kryształy, jest

wydłużony kształt

ich molekuł (d ≥ 6

φ

)

N=N

CH O

3

OCH

3

O

p-azoksyanizol (PAA)

CH=N

CH O

3

C H

4

9

4-n-butylo-N-(4-metoksybenzylideno) - anilina (MBBA)

C H

8

19

CN

oktylocyjanodwufenyl (OCB)

X

Y’

Y

ogólny schemat budowy molekuł ciekłokrystalicznych

CH

2

CH

2

CH

2

CH CH

3

CH

3

CH

3

CH

3

CH

3

CH

O

C

O

C H

8

17

pierścienie
benzenowe

długość 2nm,
szerokość 0,3 – 0,4 nm

pelargonian cholesterylu (CN)

Nieliniowość optyczna

3-3

3

MODELE CZASZOWE

Skomplikowane nazwy związków zastąpione są
skrótami pochodzącymi od angielskich nazw tych
związków.

7CBB

7DBT

8OBCAB

7TCPHB

benzen

Nieliniowość optyczna

3-4

4

TYPY CIEKŁYCH KRYSZTAŁÓW

•

termotropowe, w których faza ciekłokrystaliczna występuje w
pewnym przedziale temperatur,

•

liotropowe, z fazą ciekłokrystaliczną w roztworach oraz
polimerowe.

W CK termotropowych różne typy uporządkowania:

•

faza nematyczna

•

fazy smektyczne oraz ich formy chiralne (skręcone)

•

faza cholesterolowa.

Nieliniowość optyczna

3-5

5

NEMATYK

CHOLESTERYK

Nieliniowość optyczna

3-6

6

SMEKTYKI

In the smectic-A mesophase, the director is perpendicular to the smectic plane, and there is no particular
positional order in the layer. Similarly, the smectic-B mesophase orients with the director perpendicular to
the smectic plane, but the molecules are arranged into a network of hexagons within the layer. In the
smectic-C mesophase, molecules are arranged as in the smectic-A mesophase, but the director is at a
constant tilt angle measured normally to the smectic plane.

Nieliniowość optyczna

3-7

7

STOPIEŃ UPORZĄDKOWANIA

n

θθθθ

Drgania termiczne molekuł powodują odchylenia od
równoległości i jedynie średni kierunek ich długości do
osi pozostaje niezmieniony.

0

5

10

15

20

0,0

0,5

1,0

S=0,15 J

S

J=

∆α<|

E

|

2

>

/2kT

Director – wektor

n

wskazujący średni
kierunek molekuł

S = < 3 cos

2

θθθθ

- 1 >

Nieliniowość optyczna

3-8

8

PRZEJŚCIA FAZOWE

S

T

C

S

A

N

I

1

0

0.9

0.4

÷

0.7

Przykładowa zmiana wartości parametru uporządkowania w
funkcji temperatury dla fazy C-krystalicznej, S

A

-smektycznej,

N-nematycznej, I-cieczy izotropowej

TEMPERATURA
PRZEJŚCIA →

K - N

K - S

S - CH

S - N

N - I

CH - I

PAA

118

-

-

-

135

-

MBBA

22

-

-

-

47

-

CN

-

74

81

-

-

93

OCB

-

21

-

32

40

-

Nieliniowość optyczna

3-9

9

TEKSTURY

Tekstury molekularne (sposób ułożenia cząsteczek)

•

planarna

•

skręconego nematyka

•

homeotropowa

•

Grandjeana - oś linii śrubowej kryształu cholesterolowego
prostopadła do ścianek

•

konfokalna - mikroskopijne bryłki kryształów
smektycznych i cholesterolowych silne zmętnienie

OTWICZENIE NA ŚCIANKACH

Oddziaływania powierzchniowe – nawet słabe pozwalają
radykalnie zmieniać własności optyczne ciekłych kryształów.

Wytwarzanie tektur:

-

planarnej przez jednokierunkowe polerowanie ciał stałych lub

przez ukośne napylanie warstw dielektryków i metali.

-

homeotropowej przez naniesienie na powierzchnię ciała

stałego bardzo cienkiej warstwę substancji o wydłużonych
molekułach, mających na jednym końcu grupę polarną, np.
lecytyny.

Nieliniowość optyczna

3-10

10

DEFORMACJE

Kierunek uporządkowania molekuł ciekłego kryształu może być
zmieniony przez zewnętrzne pola.

Zmiana kierunku uporządkowania ciekłego kryształu wiąże się z
wystąpieniem deformacji.

Deformacje typu

E

⊗

⊗

⊗

⊗

E

E

splay twist bend

•

i = 1, deformacja typu splay zwana wachlarzową związana

ze zginaniem poprzecznym,

•

i = 2, deformacja typu twist zwana skręceniową,

•

i = 3, deformacja typu bend zwana ugięciową związana ze

zginaniem podłużnym.

Nieliniowość optyczna

3-11

11

WŁAŚCIWOŚCI OPTYCZNE

dwójłomność
ciekłych kryształów polega na tym, że współczynnik
załamania światła zależy od kierunku drgań wektora
elektrycznego fali świetlnej względem osi optycznej

aktywność optyczna
skręcalność płaszczyzny drgań światła spolaryzowanego.
W kryształach cholesterolowych na drodze 1mm skręcenie
może mieć wymiar tysięcy stopni i może być łatwo sterowane
termicznie, chemicznie, elektrycznie, magnetycznie lub
mechanicznie.

selektywne odbicie światła

związane jest z tym, że długość skoku śruby cholesterolowej

jest porównywalna z długością fali świetlnej.

ZASTOSOWANIA

Zmiana własności optycznych:

•

koloru

•

przezroczystości

•

aktywności optycznej

•

współczynnika załamania

•

współczynnika rozpraszania

w zależności od czynników zewnętrznych

•

temperatury

•

pole elektrycznego (przy napięciach kilku V)

•

ś

wiatła

Wyświetlacze, przyrządy pomiarowe, przełączniki elektryczne i

optyczne, elementy logiczne

Nieliniowość optyczna

3-12

12

STEROWANIE ELKTRYCZNE

Między skrzyżowanymi polaroidami umieszcza się

komórkę zawierającą warstwę planarnie zorientowanego
nematyka o dodatniej anizotropii dielektrycznej.

Pod działaniem pola elektrycznego zachodzi indukowana
przemiana fazowa cholesterolowego ciekłego kryształu w
nematyk.