6.11.2008 r.

Agata Piorun

Zespół 1

Grupa 2.1

Wydział Inżynierii Materiałowej

Ćw. 21. Badanie przejść fazowych i właściwości elektrooptycznych ciekłych kryształów.

1. Wstęp.

Celem ćwiczenia było badanie przejść fazowych i właściwości elektrooptycznych ciekłych kryształów.

Ciekłe kryształy to ciekłe substancje organiczne, będące fazą pośrednią między kryształem a izotropową cieczą. Charakteryzują się one uporządkowaniem orientacyjnym długiego zasięgu, w którym długie osie molekuł ustawione są w stosunku do siebie równolegle. Powoduje to ich silną anizotropowość, czyli wykazywanie odmiennych właściwości, tj rozszerzalność termiczna, przewodnictwo elektryczne, współczynnik załamania światła, szybkość wzrostu i rozpuszczania kryształu, w zależności od kierunku przyłożenia siły. Ciała anizotropowe wykazują różne właściwości w zależności od kierunku, w którym dana właściwość jest rozpatrywana. Izotropia natomiast to brak różnic właściwości fizycznych materiałów niezależnie od tego, w jakim kierunku są one mierzone.

W zewnętrznym „sterującym” polu elektrycznym długie osie molekuł cieczy krystalicznych mogą ustawiać się równolegle do wektora natężenia pola (anizotropia dodatnia), bądź prostopadle (anizotropia ujemna).

Istotny wpływ na właściwości fizyczne ciekłych kryształów ma sposób ułożenia ich molekuł w warstwach, tzw. tekstura molekularna:

• tekstura planarna - molekuły ułożone są równolegle do siebie nawzajem i do płytek ograniczających warstwę ciekłokrystaliczną;

• tekstura planarna skręconego nematyka - płytka dolna obrócona względem górnej o 90^o wokół osi prostopadłej do obu płytek. Molekuły przylegające do dolnej powierzchni obrócone są w stosunku do molekuł sąsiadujących
  z drugą płytką;

• tekstura homeotropowa - długie osie molekuł skierowane prostopadle do powierzchni ograniczających.

.

2. Układ pomiarowy i przebieg wykonania ćwiczenia.

Układ pomiarowy składa się z komórek typu „sandwich” wraz z próbkami związków ciekłokrystalicznych, które obserwuje się w mikroskopie polaryzacyjnym między skrzyżowanymi polaryzatorami. Mikroskop jest sprzężony z kamerą, co umożliwia obserwację obrazu na monitorze.

Rys. 1. Schemat ideowy zestawu do badań efektów elektrooptycznych w ciekłych kryształach.

1. Badano deformację struktury nematyka o dodatniej anizotropii dielektrycznej
   o teksturze skręconego nematyka.

2. Wyznaczano temperaturę przejść fazowych ciekłych kryształów.

3. Opracowanie wyników.

W ćwiczeniu wykorzystywano falową naturę światła oraz związane z nią prawa odbicia i załamania światła.

Promieniowanie elektromagnetycznego światła widzialnego zawiera się w przybliżeniu w zakresie długości fal 400-700 nm. Odpowiada mu częstotliwość rzędu 10^-6 Hz.

Światło spolaryzowane składa się z fal, których wektory natężenia pola elektrycznego mają uporządkowany kierunek drgań, wzdłuż jednej osi. Stąd, chcąc zobrazować drgania pola elektrycznego w jakimś zadanym czasie, patrząc wzdłuż kierunku rozchodzenia się fali, otrzyma się obraz jednej podwójnej strzałki.

Rys. 2. Układ dwóch polaryzatorów liniowych.

Niespolaryzowane światło widzialne można zmienić na spolaryzowane, przepuszczając je przez polaryzator. Wówczas składowe wektora natężenia pola elektrycznego równoległe do kierunku polaryzacji są przepuszczane, natomiast składowe prostopadłe do tego kierunku są absorbowane.

Badano nematyk planarny o anizotropii dielektrycznej dodatniej za pomocą transmisyjnego mikroskopu polaryzacyjnego w skrzyżowanych polaryzatorach.

Pod wpływem pola elektrycznego światła widzialnego na ekranie zaobserwowano jasne tło. Świadczy to o tym, że na skutek różnic w oddziaływaniu zmiennego pola elektrycznego fali świetlnej z chmurą elektronową molekuł nematyka, chmura elektronowa w kierunku długiej osi molekuły uległa deformacji. Promień świetlny, przechodząc przez substancję, przepolaryzował - uległ rozdzieleniu na dwa promienie załamane zwyczajny (wektor E prostopadły do długiej osi molekuł) i nadzwyczajny (wektor E równoległy do długiej osi molekuł). Stąd w polaryzatorach skrzyżowanych zamiast wygaszenia światła, nastąpiło pojawienie się rozjaśnionego pola widzenia.

Następnie ustalono częstość generatora na 20 Hz i podczas powolnego zwiększania napięcia zaobserwowano na ekranie pojawianie się na przemian jasnego i czarnego tła. Przyłożenie „sterującego” pola elektrycznego spowodowało obrót trwałych momentów molekuł zgodnie ze zmianami pola elektrycznego. Badano związek o anizotropii dodatniej, stąd w momencie, gdy wektor natężenia pola „sterującego” był równoległy do kierunku długich osi molekuł, nie następowało przepolaryzowanie światła i obserwowano czarne tło.

Analizowano zasadę działania wyświetlacza ciekłokrystalicznego z nematykiem skręconym o anizotropii dodatniej.

Pod wpływem „sterującego” pola elektrycznego długie osie molekuł ustawiają się równolegle do kierunku pola i nematyk przechodzi do struktury homeotropowej. Aby efekt zmiany orientacji molekuł nastąpił w całej objętości ośrodka, natężenie pola elektrycznego nie może być mniejsze od pewnej wartości progowej E_p. Przed osiągnięciem E_p
w mikroskopie polaryzacyjnym obserwuje się jasne pole; zwiększając wartość natężenia pole obserwacji ulega zaciemnieniu. Nematyk o teksturze homeotropowej, w odróżnieniu od skręconego nematyka o teksturze planarnej, nie rozprasza światła, co świadczy o zajściu przemiany.

Rys. 3. Schemat wyświetlacza ciekłokrystalicznego.

Badano przejścia fazowe ciekłych kryształów w wyniku przemian termicznych.

Początkowo badana próbka dawała na ekranie barwny obraz. Pod wpływem ogrzewania próbki, w T₁ = 37,9 ^oC nastąpiła zmiana barwy, a w T₂ = 42,0 ^oC obserwowano już tylko czarne tło. T₁ to temperatura przejścia: faza krystaliczna-ciecz krystaliczna, a T₂ - przejścia: ciecz krystaliczna-ciecz izotropowa. Świadczy to o tym, że ciecz krystaliczna jest fazą przejściową, występującą jedynie w pewnym zakresie temperatur.

4. Wnioski.

Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, że ciekłe kryształy mogą powstawać w wyniku stopienia fazy krystalicznej lub ochłodzenia cieczy izotropowej. Ich właściwości fizykooptyczne zależą od rodzaju ciekłego kryształu oraz jego struktury molekularnej.

• Z jaką częścią molekuły ciekłokrystalicznej oddziałuje pole elektryczne fali świetlnej, jak objawia się to oddziaływanie ? (Co oznacza spolaryzowanie liniowe fali świetlnej? Dlaczego przy skrzyżowanych polaryzatorach pole obserwacji jest ciemne?).

Pole elektryczne fali świetlnej oddziałuje z chmurą elektronową wzdłuż długiej osi molekuły, deformując tą chmurę. Objawia się to dwójłomnością substancji, czyli rozszczepieniem promienia świetlnego na 2 promienie załamane po przejściu tego promienia przez substancję.

Spolaryzowanie liniowe fali świetlnej oznacza, że składa się ono z fal, których wektory natężenia pola elektrycznego mają uporządkowany kierunek drgań, wzdłuż jednej osi.

Przy skrzyżowanych polaryzatorach pole obserwacji jest ciemne, ponieważ światło nie może zostać spolaryzowane i następuje jego wygaszenie.

• W jaki sposób oddziałuje na molekuły ciekłokrystaliczne o anizotropii dielektrycznej dodatniej sterujące pole elektryczne?

W zewnętrznym „sterującym” polu elektrycznym długie osie molekuł ciekłokrystalicznych o anizotropii dodatniej ustawiają się równolegle do wektora natężenia pola.

• Przy jakim ukierunkowaniu prędkości światła względem osi długiej molekuły ciekłokrystalicznej nie następuje przepolaryzowanie światła?

Przy równoległym ukierunkowaniu prędkości światła względem długiej osi molekuły światło nie może przepolaryzować, ponieważ promień świetlny nie ulega wówczas rozdzieleniu na dwa promienie załamane.

---