Ciekłe kryształy

Nazwą ciekłe kryształy określa się substancje (zazwyczaj organiczne) znajdujące się w tzw. stanie ciekłokrystalicznym. Stan ten wyróżnia unikalne wprost połączenie typowej cechy cieczy, jaką jest płynność, ze swego rodzaju uporządkowaniem dalekiego zasięgu — typowym dla struktur krystalicznych, pociągającym za sobą anizotropię niektórych właściwości fizycznych (dielektrycznych, optycznych i innych). Stan ciekłokrystaliczny występuje w charakterystycznym dla danej substancji zakresie temperatur (typowy jest przedział — 5... + 55°C), gdy temperatura jest niższa, substancja zestala się, przechodząc w stan krystaliczny, gdy temperatura zaś jest wyższa, przechodzi w stan ciekły (normalny), czyli staje się cieczą (bezpostaciową, izotropową). Cząsteczki substancji ciekłokrystalicznych mają wydłużony kształt, ich rozmieszczenie przestrzenne, decydujące o właściwościach fizycznych, jest kryterium podziału ciekłych kryształów na trzy zasadnicze typy: nematyczny, smektyczny, cholesteryczny.

Najważniejsze rodzaje struktury ciekłych kryształów: a) nematyczna, b) smektyczna; c) cholesteryczna

Ciekłe kryształy najczęściej stosuje się w postaci cienkiej warstwy umieszczonej między dwiema płaszczyznami (elektrodami). Oddziaływania powierzchniowe między cząsteczkami ciekłego kryształu a materiałem elektrod powodują powstanie określonej tekstury molekularnej w warstwie ciekłokrystalicznej. Spośród wielu znanych tekstur molekularnych ciekłych kryształów najważniejsze są: tekstura planarna, charakteryzująca się równoległym ułożeniem cząstek ciekłego kryształu w stosunku do płaszczyzny elektrod i tekstura homeotropowa o prostopadłym układzie cząsteczek. Bardzo ważną odmianą tekstury planarnej jest konfiguracja TN (ang. twisted nematics) tzw. skręconego nematyka, która charakteryzuje się skręceniem o kąt 90° lub 45° osi cząsteczek równolegle ułożonych przy obu powierzchniach (rys. c). Wewnątrz warstwy uzyskuje się ciągłą deformację śrubową ułożenia cząsteczek, nadającą jej zdolność skręcania płaszczyzny polaryzacji światła odpowiednio o 90° lub 45°.

Podstawowe typy tekstury warstwy ciekłokrystalicznej: a) planarna; b) homeopolarna; c) skręconego nematyka (TN 90)

Struktura przestrzenna cząsteczek ciekłego kryształu związanych niewielkimi siłami jest bardzo podatna na wpływ oddziaływań zewnętrznych w postaci temperatury, oświetlenia, naprężeń oraz pól elektrycznych i magnetycznych. Na przykład działanie pola elektrycznego, wywołując zmianę konfiguracji przestrzennej cząsteczek ciekłego kryształu powoduje zmianę właściwości przepuszczania światła. Po ustaniu działania pola oddziaływania powierzchniowe przywracają pierwotny układ przestrzenny cząsteczkom ciekłego kryształu (warstwy ciekłokrystalicznej).

Ułożenie cząsteczek w warstwie ciekłokrystalicznej w przypadku: a) braku polaryzacji (E = 0) — warstwa przepuszcza światło; b) przy polaryzacji (E ≠ 0) — warstwa nie przepuszcza światła, lecz je rozprasza

 

 

 

Ciekłe kryształy

Ciekłe kryształy to pojęcie kojarzące się powszechnie z nowoczesną techniką elektroniczną. Zapewne jednak tylko nieliczni wiedzą, że ciekłe kryształy znane są od stu lat. 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.

Faza cholesterolowa cechuje się równoległym ułożeniem cząsteczek w warstwach przesuniętych względem siebie o pewien kąt, co nadaje jej kształt śrubowy. Do konstrukcji wyświetlaczy stosuje się ciekłe kryształy o strukturze nematycznej. Wynika to z faktu, że są one bardzo podatne na zmianę orientacji w polu elektrycznym.

Co w zegarku świeci?

Rozważmy sytuację, w której substancja nematyczna znajdzie się między szklanymi płytkami pokrytymi od strony wewnętrznej przewodnikiem prądu. Z chwilą przyłożenia niewielkiej różnicy potencjałów następuje równoległa do płytek orientacja cząsteczek ciekłych kryształów, które w tym położeniu przepuszczają światło. Jeżeli jednak do ciekłego kryształu wprowadzono niewielką ilość soli, to zwiększenie różnicy potencjału do 10 V spowoduje ruch jonów w polu elektrycznym.

Migrujące jony zakłócą równoległe położenie cząsteczek i warstwa cieczy staje się mleczna, nieprzenikliwa dla światła. Tak więc wzór lub zapis sformowany z opisanych naczynek w zależności od impulsu prądowego może być niewidoczny lub też przepuszczać padające światło. Musimy bowiem uświadomić sobie fakt, że ciekłe kryształy nie świecą samoistnie, lecz stanowią jedynie przeszkodę lub przepuszczają światło zewnętrzne, np. dzienne bądź sztuczne. Lata siedemdziesiąte obecnego stulecia przyniosły nowe rozwiązanie konstrukcyjne komórki z ciekłym kryształem, które określa od dołu na komórkę przechodzi przez dolną płytkę, a następnie ulega stopniowemu skręceniu tak, że ostatecznie płaszczyzna polaryzacji światła jest równoległa do płaszczyzny polaryzacji zewnętrznej folii i światło przechodzi w ten sposób przez warstwę ciekłego kryształu. Przyłożenie niewielkiej różnicy potencjałów powoduje orientację polarnych cząsteczek ciekłych kryształów, które w położeniu prostopadłym do płytek nie powodują skręcenia płaszczyzny polaryzacji światła przechodzącego przez dolną płytkę i w tej sytuacji górna folia polaryzacyjna stanowi przeszkodę dla światła. Zewnętrzna część komórki pozostaje ciemna. Tak więc przyłożenie potencjału decyduje o tym czy komórka staje się ciemna, czy też „świeci".

Pisanie ciekłymi kryształami

Chcąc uzyskać możliwość wyświetlania cyfr i liczb przyjmuje się 7- lub 16-segmentowe układy wyświetlaczy.

Najodpowiedniejsza zaś do wyświetlania liter jest matryca 35-punktowa. Wyspecjalizowane firmy, głównie japońskie, produkują wyświetlacze o przekątnej rzędu kilkudziesięciu centymetrów, w których można sterować oświetleniem dowolnych punktów, uzyskując dzięki temu bardzo ostry obraz cyfr, liczb i przedmiotów. Inny system sterowania wyświetlaczami o ilości punktów rzędu dziesiątków tysięcy polega na zastosowaniu tranzystorów cienkowarstwowych. Na wyświetlacz przeciętnego zegarka ręcznego potrzeba 2 mg ciekłego kryształu, niewielkie zaś zużycie energii elektrycznej pozwala zaliczyć rozwiązania z zastosowaniem ciekłych kryształów do energooszczędnych. Istotnym problemem pozostaje wciąż poszukiwanie mieszanin ciekłych kryształów, które w szerokim przedziale temperatury (-20°C do 80°C) będą reagowały w ciągu setnych części sekundy, dając ostre przejścia z przepuszczalnych dla światła w nieprzepuszczalne.

Ciekły kryształ w kolorze

Wszystkie dotychczasowe rozwiązania dotyczyły uzyskania obrazu czarno-białego za pomocą ciekłych kryształów. Czy możliwe jest uzyskanie obrazu barwnego? Zagadnienie to kilka lat temu zostało rozwiązane. Opracowano mieszaniny ciekłych kryształów z barwnikami o wyraźnych właściwościach dichroicznych, to znaczy takich, które w zależności od orientacji przestrzennej cząsteczek absorbują światło o różnych długościach fali, czyli dają efekt barwy. W taki sposób wykorzystuje się barwniki w metodzie tzw. wtrąceniowych osnów luminoforowych. Światło przechodzące przez wyświetlacz jest w kolorze barwnika dodanego do ciekłych kryształów. Obecnie produkuje się już odpowiednie barwniki: żółte, czerwone, niebieskie, zielone i oranżowe z możliwością ich mieszania, aby uzyskać barwy pośrednie aż do głębokiej czerni włącznie. Faktem stało się wykorzystanie kolorowych wyświetlaczy na ciekłych kryształach w telewizorach, co jak powszechnie wiadomo umożliwiło ich miniaturyzację do rozmiarów ręcznego zegarka z jednej strony i otrzymania tzw. płaskich ekranów.
Należy przypuszczać, że ścisła współpraca chemików i elektroników, której efektem jest zawrotna kariera ciekłych kryształów, zaowocuje jeszcze licznymi zastosowaniami i rozwiązaniami, których głównym bohaterem będzie staruszek - ciekły kryształ.

Opracowanie na podstawie czasopisma "Młody Technik" 1989 nr 3

 

---