29.03.2006

Ciekłe kryształy

Ciekłe kryształy to pojęcie kojarzące się powszechnie z nowoczesną techniką elektroniczną.W 1888 roku austriacki botanik, Fryderyk Reinitzer, dokonał zaskakującego odkrycia. Ogrzewając benzoesan cholesterolu stwierdził, że w temperaturze 145°C ulega on stopieniu, przechodząc w ciecz, która do temperatury 179°C pozostaje mlecznobiała. Dokonując tego odkrycia, nie przypuszczał zapewne, jak ogromną karierę zrobią związki chemiczne o podobnej właściwości. W dwa lata później, w Karlsruhe fizyk Otto Lehman wprowadza pojęcie: ciekły kryształ, stwierdzając ich specyficzną strukturę fazową. W liście asortymentowej produktów, znanej i współcześnie firmy odczynnikowej Merck z roku 1904, można spotkać substancje o właściwościach ciekłych kryształów wytwarzane jednak głównie do badań naukowych. W ten sposób kończy się pierwszy etap historii ciekłych kryształów, które opisane i przebadanie stanowiły jeden z wielu tzw. zamkniętych tematów naukowych.

Ponownie do substancji o właściwościach ciekłych kryształów wrócono w latach sześćdziesiątych naszego wieku, kiedy Amerykanin James L. Ferguson stwierdził, iż ciekłe kryształy można zastosować jako wskaźniki temperatury, zaś George Heilmeier z Princeton odkrył zjawisko tzw. zakłóceń dynamicznych światła przechodzącego przez ciekły kryształ w polu elektrycznym. Jego publikacje z roku 1968 można uznać za początek technicznego zastosowania ciekłych kryształów.

Właściwości ciekłych kryształów pozostają w ścisłym związku z ich budową chemiczną. Jednak trudno wyobrazić sobie, aby wszystkie zakładane właściwości mógł wykazywać jeden konkretny związek. W praktyce dokonuje się komputerowej kompozycji mieszaniny 12 do 15 różnych połączeń, występujących w formie ciekłych kryształów w przedziale temperatur od -40 do +130°C. Najogólniej można powiedzieć, bez wnikania w zawiłości wzorów chemicznych, że są to substancje, których cząsteczki o wydłużonych kształtach mają charakter polarny, tzn. w ich molekułach występuje nierównomierny rozkład ładunku elektrycznego. Cząsteczki o takich właściwościach będą więc reagowały na przyłożone pole elektryczne.

Czas wyjaśnić sprawę struktury ciekłych kryształów. W stanie stałym cząsteczki substancji zajmują ściśle określone miejsce w tzw. węzłach sieci krystalicznej. W miarę ogrzewania i wzrostu energii kinetycznej, uporządkowane w sieci krystalicznej cząsteczki uwalniają się, a substancja zmienia stan skupienia. W przypadku omawianych połączeń chemicznych w fazie ciekłej można zaobserwować również daleko posunięte uporządkowanie cząsteczek. W zależności od ich ułożenia w fazie ciekłej, wyróżnia się trzy możliwe formy: smektyczną, nematyczną oraz cholesterolową. Najwyższy stopień uporządkowania cechuje fazę smektyczną, składającą się ze ściśle równoległych cząsteczek, ułożonych w przylegające warstwy. W fazie nematycznej, liniowe cząsteczki są ułożone równolegle, wszystkie w tym samym kierunku.

W strukturze smetycznej cząsteczki organiczne w poszczególnych warstwach są ułożone równolegle. Kryształy smetyczne są nieprzeźroczyste i lepkie. Płaszczyzny mogą się przemieszczać równolegle

W strukturze nematycznej cząsteczki są równoległe względem siebie lecz nie są zorganizowane w płaszczyzny. Te ciekłe kryształy są bardziej przeźroczyste i mniej lepkie niż kryształy smetyczne

Często kryształy smetyczne przechodzą w nematyczne w miarę wzrostu temperatury.

Ciekłe kryształy o budowie cholesterycznej posiadają podobną budowę do kryształów nematycznych . W tym przypadku cząsteczki w kolejnych warstwach są jednak zorientowane jedna względem drugiej. W ten sposób cząsteczki w poszczególnych płaszczyznach są obrócone wokół osi prostopadłych do ich środków i tworzą spiralę.

Całkowity obrót o
ma przeważnie miejsce, gdy osiągnięta zostanie odległość długości światła widzialnego. Z tego też powody substancje o budowie cholesterycznej posiadają zdolność odbijania światła o różnej długości fali (kolorze) w zależności od temperatury, ponieważ zmiana temperatury powoduje zmianę struktury spirali. Zmiana zabarwienia ciekłych kryształów cholesterycznych w wyniku temperatury znalazła praktyczne zastosowanie (sporządzanie map temperaturowych w medycynie).

Również pole elektryczne może mieć wpływ na strukturę ciekłego kryształu powodując zmiany zabarwienia odbitego światła lub zmiany przejrzystości kryształu. Zjawisko to zostało wykorzystane do konstrukcji wyświetlaczy cyfrowych w kalkulatorach, zegarkach, aparaturze naukowej etc. przedstawia budowę ciekłokrystalicznego wyświetlacza cyfrowego.

Budowa ciekłokrystalicznego wyświetlacza  cyfrowego

Część doświadczalna

Do probówki wrzuciliśmy niewielka ilość badanego kryształu BPC i całość podgrzewaliśmy. W wyniku ogrzewania powstał mętny roztwór, który przy dalszym ogrzewaniu przechodził w przeźroczystą ciecz. W trakcie doświadczenia wychwycone zostały dwa charakterystyczne punkty dla substancji ciekłokrystalicznych:punkt topnienia i punkt klarowności.

Faza mętnego roztworu zawarta miedzy tymi punktami to stan ciekłokrystaliczny.

W drugim doświadczeniu badaliśmy zachowania ciekłego kryształu na płytce pokrytej rysami z dodatkiem barwnika. W tym doświadczeniu również posłużyliśmy się naszym kryształem BPC. Płytkę ogrzewaliśmy a później oglądaliśmy przy pomocy polaryzatora, obserwowaliśmy wygaszenie lub wzmocnienie barwy . Gdy cząsteczki barwnika były ustawione równolegle do płaszczyzny światła spolaryzowanego obserwowaliśmy wzmocnienie barwy, w przypadku ustawienia prostopadłego następuje wygaszenie barwy.

W wyniku obracania polaryzatora obraz ulegał przyciemnieniu, ciekły kryształ skręca płaszczyznę światła spolaryzowanego.

W ostatnim doświadczeniu badaliśmy zachowanie się kryształu BPC podczas topienia. Oznaczaliśmy temperaturę topnienia i punkt klarowności za pomocą aparatu Betiusa.

Zakres temperatury topnienia: 44-57°C

W temp.44°C kryształ zaczął się topić i przybierać różne kolory, w temp 57°C (punkt klarowności) obraz zaczerniał się .

---