скачать рефераты

скачать рефераты

 
 
скачать рефераты скачать рефераты

Меню

Жидкие кристаллы как основа развития современных технологий скачать рефераты

Жидкие кристаллы как основа развития современных технологий

33

Министерство образования и науки Самарской губернии

ГОУ СПО Самарский приборостроительный техникум

Дневное отделение

Специальность 1910

Радиоэлектронные приборные устройства

РЕФЕРАТ

на тему: «ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ - КАК ОСНОВА РАЗВИТИЯ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ»

Выполнил:

студент группы Р-62

Вильмас Ю.Г.

Руководитель:

Решеткова Е.А.

Самара 2005 г.

План

  • Введение 3
  • 1. Открытие жидких кристаллов 4
    • 1.1. Четвертое агрегатное состояние вещества - мегафаза 4
    • 1.2. Явление двупреломления 6
    • 1.3. Необычные свойства жидких кристаллов 7
    • 1.3. Флексоэлектрический эффект 13
  • 2. Сфера применения жидких кристаллов 16
    • 2.1. Дисплеи на жидких кристаллах 16
    • 2.2. Изготовление интегральных схем 18
    • 2.3. Жидкокристаллический перстень 19
    • 2.4. Жидкокристаллические телевизоры 20
  • 3. О будущих применениях жидких кристаллов 22
    • 3.1. Перспективы применения жидких кристаллов 22
    • 3.7. Управляемые оптические транспаранты 22
    • 3.7. Пространственно-временные модуляторы света 24
    • 3.4. Оптический микрофон 26
    • 3.7. Жидкокристаллические волноводы 27
    • 3.5. Стереотелевизор 29
    • 3.7. Очки для космонавтов 30
    • 3.7. Жидкокристаллические фильтры 32
  • Заключение 33
  • Литература 34
Введение

Всё чаще мы стали встречаться с термином «жидкие кристаллы».

Мы общаемся с ними, и они играют немаловажную роль в нашей жизни. Многие современные приборы и устройства работают на них. К таким относятся часы, термометры, дисплеи, мониторы и прочие устройства.

Что же это за вещества с та-ким парадоксальным названием «жидкие кристаллы» и почему к ним проявляется столь значительный интерес?

В наше время наука стала производительной силой, и поэтому, как правило, повышенный научный интерес к тому или иному явлению или объекту означает, что это явление или объект представляет интерес для материаль-ного производства.

 В этом отношении не являются ис-ключением и жидкие кристаллы. Интерес к ним, прежде всего, обусловлен возможностями их эффективного при-менения в ряде отраслей производственной деятельно-сти.

Внедрение жидких кристаллов означает экономиче-скую эффективность, простоту, удобство.

1. Открытие жидких кристаллов

1.1. Четвертое агрегатное состояние вещества - мегафаза

Жидкий кристалл - это специфическое агрегатное со-стояние вещества, в котором оно проявляет одновре-менно свойства кристалла и жидкости. Сразу надо огово-риться, что далеко не все вещества могут находиться в жидкокристаллическом состоянии. Большинство веществ может находиться только в трех, всем хорошо известных агрегатных состояниях: твердом или кристаллическом, жидком и газообразном.

   Оказывается,   некоторые органические вещества, обладающие сложными молеку-лами, кроме трех названных состояний, могут образовы-вать четвертое агрегатное состояние -- жидкокристалли-ческое.  Это состояние осуществляется при плавлении кристаллов некоторых веществ. При их плавлении обра-зуется жидкокристаллическая фаза,  отличающаяся от обычных жидкостей. Эта фаза существует в интервале от температуры плавления кристалла до некоторой более высокой температуры, при нагреве до которой жидкий кристалл переходит в обычную жидкость.

Чем же жидкий кристалл  отличается от жидкости и обычного кристалла и чем похож на них? Подобно обычной жидкости, жидкий кристалл обладает текучестью и принимает форму сосуда, в который он помещен. Этим он отличается от известных всем кристаллов. Однако, несмотря на это свойство, объединяющее его с жид-костью, он обладает свойством, характерным для кри-сталлов. Это - упорядочение в пространстве молекул, образующих кристалл. Правда, это упорядочение не та-кое полное, как в обычных кристаллах, но, тем не менее, оно существенно влияет на свойства жидких кристаллов, чем и отличает их от обычных жидкостей. Неполное про-странственное упорядочение молекул, образующих жид-кий кристалл, проявляется в том, что в жидких кристал-лах нет полного порядка в пространственном располо-жении центров тяжести молекул, хотя частичный порядок может быть. Это означает, что у них нет жесткой кри-сталлической решетки. Поэтому жидкие кристаллы, по-добно обычным жидкостям, обладают свойством текуче-сти.

Обязательным свойством жидких кристаллов, сбли-жающим их с обычными кристаллами, является наличие порядка пространственной ориентации молекул. Такой порядок в ориентации может проявляться, например, в том, что все длинные оси молекул в жидкокристалличе-ском образце ориентированы одинаково. Эти молекулы должны обладать вытянутой формой. Кроме простейше-го названного упорядочения осей молекул, в жидком кристалле может осуществляться более сложный ориентационный порядок молекул.

В зависимости от вида упорядочения осей молекул жидкие кристаллы разделяются на три разновидности: нематические, смектические и холестерические.

Исследования по физике жидких кристаллов и их при-менениям в настоящее время ведутся широким фрон-том во всех наиболее развитых странах мира. Отечествен-ные исследования сосредоточены как в академических, так и отраслевых научно-исследовательских учреждени-ях и имеют давние традиции. Широкую известность и признание получили выполненные еще в тридцатые годы в Ленинграде работы В.К. Фредерикса к В.Н. Цветкова. В последние годы бурного изучения жидких кристаллов отечественные исследователи также вносят весомый вклад в развитие учения о жидких кристаллах в целом и, в частности, об оптике жидких кристаллов. Так, работы И.Г. Чистякова, А.П. Капустина, С.А. Бразовского, С.А. Пикина, Л.М. Блинова и многих других советских иссле-дователей широко известны научной общественности и служат фундаментом ряда эффективных технических приложений жидких кристаллов.

Существование жидких кристаллов было установлено очень давно, а именно в 1888 году, то есть почти столетие назад. Хотя учёные и до 1888 года сталкивались с данным состоянием вещества, но официально его открыли позже.

            Первым, кто обнаружил жидкие кристаллы, был авст-рийский ученый-ботаник Рейнитцер. Исследуя новое син-тезированное им вещество холестерилбензоат, он обна-ружил, что при температуре 145°С кристаллы этого ве-щества плавятся, образуя мутную сильно рассеивающую свет жидкость. При продолжении нагрева по достижении температуры 179°С жидкость просветляется, т. е. начина-ет вести себя в оптическом отношении, как обычная жидкость, например вода. Неожиданные свойства холестерилбензоат обнаруживал в мутной фазе. Рассматри-вая эту фазу под поляризационным микроскопом, Рей-нитцер обнаружил, что она обладает двупреломлением. Это означает, что показатель преломления света, т. е скорость света е этой фазе, зависит от поляризации.

1.2. Явление двупреломления

Явление двупреломления - это типично кристалличе-ский эффект, состоящий в том, что скорость света в кри-сталле зависит от ориентации плоскости поляризации света. Существенно, что она достигает экстремального максимального и минимального значений для двух вза-имно ортогональных ориентаций плоскости поляризации. Разумеется, ориентации поляризации, соответствующие экстремальным значениям скорости свете в кристалле, определяются анизотропией свойств кристалла и одно-значно задаются ориентацией кристаллических осей отно-сительно направления распространения света.

            Поэтому сказанное поясняет, что существование дву-преломления в жидкости, которая должна быть изотроп-ной, т. е. что ее свойства должны быть независящими от направления, представлялось парадоксальным. Наиболее правдоподобным в то время могло казаться наличие в мутной фазе нерасплавившихся малых частичек кристалла, кристаллитов, которые и являлись источником двупреломления. Однако более детальные исследования, к которым Рейнитцер привлек известного немецкого фи-зика Леймана, показали, что мутная фаза не является двух-фазной системой, т. е. не содержит в обычной жидкости кристаллических включений, а является новым фазовым состоянием вещества. Этому фазовому состоянию Лейман дал название «жидкий кристалл» в связи с одновре-менно проявляемыми им свойствами жидкости и кристал-ла. Употребляется также и другой термин для названия жидких кристаллов. Это - «мезофаза», что буквально означает «промежуточная фаза».

            В то время существование жидких кристаллов пред-ставлялось каким-то курьезом, и никто не мог предполо-жить, что их ожидает почти через сто лет большое буду-щее в технических приложениях. Поэтому после некото-рого интереса к жидким кристаллам сразу после их от-крытия о них через некоторое время практически за-были.

Тем не менее, уже в первые годы были выяснены мно-гие другие удивительные свойства жидких кристаллов. Так, некоторые виды жидких кристаллов обладали не-обычно высокой оптической активностью.

1.3. Необычные свойства жидких кристаллов

            Оптической активностью называют способность неко-торых веществ вращать плоскость поляризации проходя-щего через них света. Это означает, что линейно поля-ризованный свет, распространяясь в таких средах, изме-няет ориентацию плоскости поляризации. Причем угол поворота плоскости поляризации прямо пропорционален пути, пройденному светом.

Так, в твердых телах, как, впрочем, и в обычных жид-костях, удельная вращательная способность Ра имеет вполне определенный, независящий от длины волны све-та знак. Это означает, что вращение плоскости поляри-зации света в них происходит в определенном направле-нии. Против часовой стрелки при положительном фа и по часовой стрелке при отрицательном Ра. При этом подра-зумевается, что наблюдение за вращением плоскости по-ляризации осуществляется вдоль направления распрост-ранения света. Поэтому все оптически активные веще-ства подразделяются на правовращающие (если враще-ние происходит по часовой стрелке) и левовращающие (если вращение происходит против часовой стрелки).

В случае оптически активных жидких кристаллов та-кая классификация сталкивалась с трудностями. Дело в том, что направление (знак) вращения в жидких кристал-лах зависело от длины волн света. Для коротких длин волн величина Ра, например, могла быть положи-тельной, а для более длинноволнового света - отрица-тельной. А могло быть и наоборот. Однако характерным для всех случаев было изменение знака вращения плос-кости поляризации в зависимости от длины волны света, или, как говорят, инверсия знака оптической активности. Такое поведение вращения плоскости поляризации со-вершенно не укладывалось в рамки существовавших представлений об оптической активности.

Удивительными были также и другие свойства, такие, как сильная температурная зависимость названных ха-рактеристик, их очень высокая чувствительность к внеш-ним магнитным и электрическим полям и так далее. Но прежде чем пытаться объяснить перечисленные свойства, необ-ходимо понять, как устроены жидкие кристаллы, и, в частности, ознакомиться с их структурными свойствами, ибо в конечном итоге для объяснения описанных свойств наиболее существенными оказываются именно структур-ные характеристики жидких кристаллов.

Здесь следует заметить, что в конце девятнадцатого - начале двадцатого века многие очень авторитетные учёные весьма скептически относились к открытию Рейнитцера и Лемана. (Имя Лемана также можно по праву свя-зывать с открытием жидких кристаллов, поскольку он очень активно участвовал в первых исследованиях жидких кристаллов, и даже самим термином «жидкие кри-сталлы» мы обязаны именно ему.) Дело в том, что не только описанные противоречивые свойства жидких кри-сталлов представлялись многим авторитетам весьма со-мнительными, но и в том, что свойства различных жидко-кристаллических веществ (соединений, обладавших жид-кокристаллической фазой) оказывались существенно различными. Так, одни жидкие кристаллы обладали очень большой вязкостью, у других вязкость была невелика. Одни жидкие кристаллы проявляли с изменением тем-пературы резкое изменение окраски, так что их цвет пробегал все тона радуги, другие жидкие кристаллы та-кого резкого изменения окраски не проявляли. Наконец, внешний вид образцов, или, как принято говорить, тек-стура,  различных жидких кристаллов при рассматрива-нии их под микроскопом оказывался совсем различным. В одном случае в поле поляризационного микроскопа могли быть видны образования, похожие на нити, в дру-гом - наблюдались изображения, похожие на горный рельеф, а в третьем - картина напоминала отпечатки пальцев. Стоял также вопрос, почему жидкокристаллическая фаза  наблюдается при плавлении только некоторых веществ?

  Время шло, факты о жидких кристаллах постепенно накапливались, но не было общего принципа, который позволил бы установить какую-то систему в представле-ниях о жидких кристаллах. Со временем ученые подошли к проведению классификации предмета исследований. Заслуга в создании основ современной классификации жидких кри-сталлов принадлежит французскому ученому Ж. Фриделю.

В двадцатые годы Фридель предложил разделить все жидкие кристаллы на две большие группы. Одну группу жидких кристаллов Фридель назвал нематическими, дру-гую смектическими. Он же пред-ложил общий термин для жидких кристаллов - «мезо морфная фаза». Этот термин происходит от греческого слова «мезос» (промежуточный), а вводя его, Фридель хотел подчеркнуть, что жидкие кристаллы занимают про-межуточное положение между истинными кристаллами и жидкостями как по температуре, так и по своим физи-ческим свойствам.

Нематические жидкие кристаллы в классификации Фриделя включали уже упоминавшиеся выше холестерические жидкие кристаллы как подкласс. Когда классификация жидких кристаллов была созда-на, более остро встал вопрос: почему в природе реализу-ется жидкокристаллическое состояние? Полным ответом на подобный вопрос принято считать создание микроско-пической теории. Но в то время на такую теорию не при-ходилось и надеяться (кстати, последовательной микро-скопической теории жидких кристаллов не существует и по сей день), поэтому большим шагом вперед было создание чешским ученым X. Цохером и голландцем С. Озерном феноме-нологической теории жидких кристаллов, или, как ее при-нято называть, теории упругости жидких кристаллов.

В 30-х годах в СССР В.К. Фредерике и В.Н. Цветков первыми изучили не-обычные электрические свойства жидких кристаллов. Можно условно считать, что рассказанное выше отно-силось к предыстории жидких кристаллов, ко времени, когда исследования жидких кристаллов велись малочисленными коллек-тивами.

Современный этап изучения жидких кристаллов, который начался в 60-е годы и придал науке о жидких кристаллах сегод-няшние формы, методы исследований, широкий размах работ сформировался под непосредственным влиянием успехов в технических приложениях жидких кристаллов, особенно в системах отображения информации. В это время было понято и практически доказано, что в наш век микроэлектроники, характеризующийся внедрением микроминиатюрных электронных устройств, потребляю-щих ничтожные мощности энергии для устройств инди-кации информации, т. е. связи прибора с человеком, наи-более подходящими оказываются индикаторы на жидких кристаллах.

Дело в том, что такие устройства отображения инфор-мации на ЖК естественным образом вписываются в энер-гетику и габариты микроэлектронных схем. Они потреб-ляют ничтожные мощности и могут быть выполнены в виде миниатюрных индикаторов или плоских экранов. Все это предопределяет массовое внедрение жидкокристал-лических индикаторов в системы отображения информа-ции, свидетелями которого мы являемся в настоящее время.

Страницы: 1, 2, 3