Просмотр кода страницы Жидкие кристаллы

[[Файл:Nematische_Phase_Schlierentextur.jpg|250px|thumb|Шлирен-текстура<ref>{{статья |заглавие=Необычные кристаллы или загадочные жидкости |издание=Соросовский образовательный журнал |номер=11 |страницы=41 |ссылка=http://www.chem.msu.su/rus/teaching/shibajev-nauchpop/shibajev-soros-1996-11.pdf |язык=und |автор=Шибаев |год=1996}}</ref> нематического жидкого кристалла, наблюдаемая при помещении его между двумя поляроидами, например в оптическом поляризационном микроскопе]]
'''Жи́дкие криста́ллы''' (сокращённо ЖК; {{lang-en|'''l'''iquid '''c'''rystals}}, LC) — это фазовое состояние, в которое переходят некоторые вещества при определённых условиях (температура, давление, концентрация в растворе). Жидкие кристаллы обладают одновременно свойствами как жидкостей (текучесть), так и кристаллов ([[анизотропия]]). По структуре ЖК представляют собой вязкие жидкости, состоящие из [[молекула|молекул]] вытянутой или дискообразной формы, определённым образом упорядоченных во всём объёме этой жидкости. Наиболее характерным свойством ЖК является их способность изменять ориентацию молекул под воздействием [[электрическое поле|электрических полей]], что открывает широкие возможности для применения их в промышленности. По типу ЖК обычно разделяют на две большие группы: [[нематические жидкие кристаллы|нематики]] и [[смектические жидкие кристаллы|смектики]]. В свою очередь [[нематические жидкие кристаллы|нематики]] подразделяются на собственно [[нематические жидкие кристаллы|нематические]] и [[холестерические жидкие кристаллы]].

== История открытия жидких кристаллов ==
Жидкие кристаллы открыл в [[1888 год]]у австрийский ботаник {{нп3|Рейнитцер, Фридрих|Фридрих  Рейнитцер|de|Friedrich Reinitzer}}<ref>{{статья |заглавие=Beiträge zur Kenntniss des Cholesterins |издание=Monatshefte für Chemie (Wien) |том=9 |номер=1 |страницы=421—441 |doi=10.1007/BF01516710 |язык=und |автор=Reinitzer, Friedrich |год=1888}}</ref>. Он обратил внимание, что у кристаллов [[холестерилбензоат]]а и [[холестерилацетат]]а было две точки плавления и, соответственно, два разных жидких состояния — мутное и прозрачное. Само название «жидкие кристаллы» придумал [[Леман, Отто|Отто Леманн]] в 1904 году<ref>{{статья
| заглавие = Flüssige Krystalle (Жидкие кристаллы)
| автор = Otto Lehmann
 | номер =
 | год = 1904
 | издание = Zeitschrift für Physikalische Chemie
 | издательство = 
 | место = Leipzig
 | страницы = 
 | ссылка = 
}}</ref>. Однако учёные не обратили особого внимания на необычные свойства этих жидкостей.

Долгое время физики и химики в принципе не признавали жидких кристаллов, потому что их существование разрушало теорию о трёх [[Агрегатное состояние|состояниях вещества]]: [[Твёрдое тело|твёрдом]], [[Жидкость|жидком]] и [[газ]]ообразном. Учёные относили жидкие кристаллы то к [[коллоидный раствор|коллоидным растворам]], то к [[эмульсия]]м.

Научное доказательство было предоставлено профессором [[университет Карлсруэ|университета Карлсруэ]] [[Леман, Отто|Отто Леманом]] после многолетних исследований, но даже после появления в [[1904 год]]у написанной им книги «Жидкие кристаллы» открытию не нашлось применения.

Фундаментальный вклад в физику жидких кристаллов внёс советский учёный [[Фредерикс, Всеволод Константинович|В. К. Фредерикс]]<ref>''Репьёва А., Фредерикс В.'' К теории анизотропных жидкостей и некоторые новые наблюдения над ними // V съезд рус. физиков, Москва, 15—20 дек. 1926 г. — М: ГИЗ, 1926. — С. 16—17.</ref>.

Первое практическое применение жидких кристаллов произошло в 1936 году, когда компания Marconi Wireless Telegraph запатентовала свой электро-оптический световой клапан<ref>{{cite web
 | url      = http://history-computer.com/ModernComputer/Basis/lcd.html
 | title    = Liquid Crystal Display (LCD)
 | publisher = History of computer
 | accessdate  = 2019-03-25
 | lang        = en
 | archiveurl  = https://web.archive.org/web/20190403045658/https://history-computer.com/ModernComputer/Basis/lcd.html
 | archivedate = 2019-04-03
}}</ref><ref>{{cite web|author=Barnett Levin; Nyman Levin|url=https://worldwide.espacenet.com/publicationDetails/biblio?DB=EPODOC&II=12&ND=3&adjacent=true&locale=en_EP&FT=D&date=19360113&CC=GB&NR=441274A&KC=A|title=Патент № GB441274 (A) Заявитель Marconi wireless telegraph co.|lang=en|website=https://www.epo.org/index.html|publisher=European patent office|date=1934-01-13|accessdate=2019-05-12}}</ref>.

В [[1963]] г. американец [[Фергасон, Джеймс|Дж. Фергасон]] ({{lang-en|[[:en:James Fergason|James Fergason]]}}) использовал важнейшее свойство жидких кристаллов — изменять цвет под воздействием температуры — для обнаружения невидимых простым глазом неоднородно нагретых участков поверхности. После того, как ему выдали [[патент]] на изобретение ({{US patent|3114836}}), интерес к жидким кристаллам резко возрос.

В [[1965]] г. в [[США]] собралась Первая международная конференция, посвящённая жидким кристаллам. В 1968 г. американские учёные создали принципиально новые [[индикаторы]] для систем отображения информации. Принцип их действия основан на том, что молекулы жидких кристаллов, поворачиваясь в электрическом поле, по-разному отражают и пропускают свет. Под воздействием [[Электрическое напряжение|напряжения]], которое подавали на [[проводники]], впаянные в [[жидкокристаллический экран|экран]], на нём возникало изображение, состоящее из микроскопических точек. И всё же только после [[1973]] г., когда группа английских химиков под руководством [[Грей, Джордж Уильям|Джорджа Грея]] получила жидкие кристаллы из относительно дешёвого и доступного сырья, эти вещества получили широкое распространение в разнообразных устройствах.

== Группы жидких кристаллов ==
По своим общим свойствам ЖК можно разделить на две большие группы:

# Термотропные ЖК, образующиеся в результате нагревания твёрдого вещества и существующие в определённом интервале температур и давлений.
# Лиотропные ЖК, которые представляют собой двух- или более компонентные системы, образующиеся из стержневидных молекул данного вещества и воды (или других полярных [[Растворитель|растворителей]]).
[[Термодинамическая фаза|Термодинамическими фазами]] вещества являются только термотропные ЖК, так как лиотропные ЖК [[Дисперсная система|дисперсные системы]] (раствор амфифильных веществ в воде).

=== Лиотропные ЖК ===
Стержневидные молекулы, из которых состоят ЖК, имеют на одном конце полярную группу, а большая часть стержня представляет собой гибкую гидрофобную углеводородную цепь. Такие вещества называются [[Амфифильность|амфифилами]] (амфи — по-гречески означает «с двух концов», филос — «любящий», «благорасположенный»). Примером амфифилов могут служить [[фосфолипиды]].

Амфифильные молекулы, как правило, плохо растворяются в воде, склонны образовывать агрегаты таким образом, что их полярные группы на границе раздела фаз направлены к жидкой фазе. При низких температурах смешивание жидкого амфифила с водой приводит к расслоению системы на две фазы. Одним из вариантов амфифилов со сложной структурой может служить система мыло-вода. Здесь имеется алифатический анион <chem>CH3-(CH2)_{n-2}-CO2{}^-</chem> (где <math>n</math> ~ 12-20) и положительный ион <chem>Na+, K+, NH4+ </chem> и др. Полярная группа <chem>CO2-</chem> стремится к тесному контакту с молекулами воды, тогда как неполярная группа (алифатическая цепь) избегает контакта с водой. Это явление типично для амфифилов.

Характеристики многих электрооптических устройств, работающих на лиотропных жидких кристаллах, определяются анизотропией их [[Электропроводность|электропроводности]], которая, в свою очередь, связана с анизотропией [[Электронная поляризуемость|электронной поляризуемости]]. Для некоторых веществ вследствие анизотропии свойств ЖК удельная электропроводность изменяет свой знак. Например, для н-октилоксибензойной кислоты она проходит через ноль при температуре 146 °C, и связывают это со структурными особенностями [[Мезофаза|мезофазы]] и с поляризуемостью молекул.

=== Термотропные ЖК ===
[[Файл:LiquidCrystal-MesogenOrder-Nematic.jpg|thumb|157x157px|Схематическое изображение нематического жидкого кристалла.]]Молекулы, которые образуют фазы жидких кристаллов, называют [[Мезоген|мезогенами]]. В ЖК есть характерная ориентация дипольных молекул в определённом направлении, которое определяется единичным вектором — так называемым «директором».

Термотропные ЖК подразделяются на четыре больших класса (Схематично характер упорядоченности ЖК названных типов представлен на рисунках):
# [[Нематические жидкие кристаллы]]. В этих кристаллах отсутствует [[дальний порядок]] в расположении центров тяжести молекул, у них нет слоистой структуры, их молекулы скользят непрерывно в направлении своих длинных осей, вращаясь вокруг них, но при этом сохраняют ориентационный порядок: длинные оси направлены вдоль одного преимущественного направления. Они ведут себя подобно обычным жидкостям. Нематические фазы встречаются только в таких веществах, у молекул которых нет различия между правой и левой формами, их молекулы тождественны своему зеркальному изображению (ахиральны). Ориентация молекул нематической фазы, как правило, совпадает с направлением наибольшей проводимости. Примером вещества, образующего нематический ЖК, может служить <chem>N</chem>-(пара-метоксибензилиден)-пара-бутиланилин. [[Файл:LiquidCrystal-MesogenOrder-SmecticPhases.jpg|227x227px|thumb|right|Схематическое изображение жидкого кристалла в смектической фазе]]
# [[Смектические жидкие кристаллы]] имеют слоистую структуру, слои могут перемещаться относительно друг друга. Толщина смектического слоя определяется длиной молекул (преимущественно, длиной парафинового «хвоста»), однако вязкость смектиков значительно выше, чем у нематиков, и плотность по [[Нормаль|нормали]] к поверхности слоя может сильно меняться. Типичным является терефтал-бис (пара-бутиланилин).
# [[Холестерические жидкие кристаллы]] — образуются, в основном, соединениями холестерина и других стероидов. Это нематические ЖК, но их длинные оси повёрнуты друг относительно друга так, что они образуют спирали, очень чувствительные к изменению температуры вследствие чрезвычайно малой энергии образования этой структуры (порядка 0,01 Дж/моль). В качестве типичного холестерика можно назвать амил-пара-(4-цианобензилиденамино)-циннамат. Холестерики ярко окрашены, и малейшее изменение температуры (до тысячных долей градуса) приводит к изменению шага спирали и, соответственно, к изменению окраски ЖК.
#[[Колончатая фаза|Колончатые жидкие кристаллы]] — Мезогены упорядочны в колонны, которые образуют упорядочные структуры. Часто их называют «жидкими нитями», вдоль которых молекулы обладают трансляционными степенями свободы. Этот класс соединений был предсказан академиком [[Ландау, Лев Давидович|Л. Д. Ландау]], а открыт лишь в 1977 [[Сивармакришна Чандрасекар|Чандрасекаром]]. 
[[Файл:LiquidCrystal-MesogenOrder-Cholesteric-colored.jpg|мини|193x193пкс|Схематическое изображение холестерического жидкого кристалла.]]
У ЖК необычные оптические свойства. Нематики и смектики — оптически одноосные кристаллы. Холестерики, вследствие периодического строения, сильно отражают свет в видимой области спектра. Поскольку в нематиках и холестериках носителями свойств является жидкая фаза, то она легко деформируется под влиянием внешнего воздействия, а так как шаг спирали в холестериках очень чувствителен к температуре, то, следовательно, и отражение света резко меняется с температурой, приводя к изменению цвета вещества. Эти явления широко используются в различных приложениях, например, для нахождения горячих точек в микроцепях, локализации переломов и опухолей у человека, визуализации изображения в инфракрасных лучах и др.

На феноменологическом уровне [[деформация|деформации]] жидкого кристалла, как правило, описываются при помощи плотности [[Свободная энергия Франка — Озеена|свободной энергии Франка — Озеена]].

== Применение жидких кристаллов ==
[[Файл:LCD Segments-Pixels.png|right|thumb|Сегментный и точечный ЖК-дисплей.]]
Одно из важных направлений использования жидких кристаллов — [[термография]]. Подбирая состав жидкокристаллического вещества, создают [[Электронный индикатор|индикаторы]] для разных диапазонов температуры и для различных конструкций. Например, жидкие кристаллы в виде плёнки наносят на [[транзистор]]ы, [[интегральная схема|интегральные схемы]] и [[печатная плата|печатные платы]] электронных схем. Неисправные элементы — сильно нагретые или холодные, неработающие — сразу заметны по ярким цветовым пятнам. Новые возможности получили врачи: жидкокристаллический индикатор на коже больного быстро диагностирует скрытое [[воспаление]] и даже [[опухоль]].<ref name="Prie">''В.А. Беляков'' Профессии жидких кристаллов // ''Зарембо Л.К., Болотовский Б.М., Стаханов И.П'' Школьникам о современной физике. Акустика. Теория относительности. Биофизика. — М., Просвещение, 1990. — c. 70-104</ref>

С помощью жидких кристаллов обнаруживают пары́ вредных [[Химическое соединение|химических соединений]] и опасные для здоровья человека [[гамма-излучение|гамма]]- и [[ультрафиолетовое излучение|ультрафиолетовое]] излучения. На основе жидких кристаллов созданы измерители [[давление|давления]], детекторы [[ультразвук]]а.

Но самая многообещающая область применения жидкокристаллических веществ — информационная техника<ref>''Цветков В. А., Гребенкин М. Ф.'' Жидкие кристаллы в оптоэлектронике // Жидкие кристаллы / под ред. С. И. Жданова. — М.: Химия, 1979. — С. 160—215</ref><ref name="Prie"></ref>: от первых индикаторов, знакомых всем по [[Электронные часы|электронным часам]] и [[Микрокалькулятор|микрокалькуляторам]], до цветных [[телевизор]]ов, [[Сотовый телефон|телефонов]], [[Планшетный компьютер|планшетов]], [[Ноутбук|ноутбуков]] и [[Монитор (устройство)|компьютерных мониторов]] с [[жидкокристаллический экран|жидкокристаллическим экраном]]. Такие телевизоры дают изображение весьма высокого качества, потребляя меньшее количество энергии по сравнению с телевизорами на [[Электронно-лучевые приборы|электронно-лучевых трубках]]. В [[ЖК-дисплей|жидкокристаллических дисплеях]] используется [[переход Фредерикса]], открытый ещё в 1927 году.

М. Г. Томилин предложил использовать жидкие кристаллы в двухступенчатых фотографических технологиях, для сохранения изображений, регистрация внешних воздействий при этом происходит в мезофазе, а хранение — в твердокристаллическом состоянии<ref>Томилин М. Г.// [http://ntv.ifmo.ru/ru/article/4133/fotograficheskie_tehnologii_na_osnove_zhidkih_kristallov.htm Фотографические технологии на основе жидких кристаллов.] {{Wayback|url=http://ntv.ifmo.ru/ru/article/4133/fotograficheskie_tehnologii_na_osnove_zhidkih_kristallov.htm |date=20141224121914 }} — Статья. — Научно-технический вестник НИУ ИТМО. — УДК 535:771.36.</ref>.

Жидкие кристаллы применяются в производстве «умного стекла», способного изменять коэффициент светопропускания<ref>{{cite news
|url=https://www.oknamedia.ru/novosti/za-umnym-steklom-buduschee-45073
|title=За умным стеклом — будущее
|publisher=ОКНАМЕДИА
|date=2015-09-01
|accessdate=2019-04-06
|archivedate=2019-04-06
|archiveurl=https://web.archive.org/web/20190406082054/https://www.oknamedia.ru/novosti/za-umnym-steklom-buduschee-45073
}}</ref>.

== Производство ==
Основным производителем жидких кристаллов является немецкая компания [[Merck KGaA|Mеrck]]. Она обеспечивает больше половины мирового спроса на составляющие ЖК-экранов. Она получила золотую медаль ежегодной премии Ассоциации разработчиков и производителей информационных дисплеев SID-2015 (Society for Information Displays) в номинации «Комплектующие для дисплеев» за разработку инновационной технологии производства жидких кристаллов UB-FFS<ref>{{cite news
|url=https://www.soel.ru/novosti/2015/innovatsionnaya-tekhnologiya-proizvodstva-zhidkikh-kristallov-kompanii-merk-udostoena-nagrady/
|title=Инновационная технология производства жидких кристаллов компании «Мерк» удостоена награды
|publisher=Современная электроника
|date=2015-07-30
|accessdate=2019-04-06
|archivedate=2019-04-06
|archiveurl=https://web.archive.org/web/20190406075800/https://www.soel.ru/novosti/2015/innovatsionnaya-tekhnologiya-proizvodstva-zhidkikh-kristallov-kompanii-merk-udostoena-nagrady/
}}</ref>.

== Ссылки ==
{{навигация}}
* https:// www.xumuk.ru/encyklopedia/1540.html Жидкие кристаллы в химической энциклопедии «XuMuK»
* [http://www.radiovesti.ru/articles/2010-07-04/science/3084 Беседа о жидких кристаллах с доктором химических наук Алексеем Юрьевичем Бобровским в программе Наука 2.0]

== Примечания ==
{{Примечания}}

== Литература ==

=== На русском ===
* ''Жданов С. И.'' Жидкие кристаллы. — М.: [[Химия]], 1979. — 328 с.
* ''Чандрасекар С. '' Жидкие кристаллы. — М.: Мир, 1980. — 344 с.
* ''Пикин С. А. '' Структурные превращения в жидких кристаллах. — М.: Наука, 1981. — 336 с.
* {{книга|ответственный=Под ред. Л. Г. Асламазова|автор=Пикин С. А., Блинов Л. М.|заглавие = Жидкие кристаллы|место = М.|издательство = [[Наука(издательство)|Наука]]|серия=[[Библиотечка «Квант»]]. Вып. 20|год = 1982|страниц = 208|тираж = 150000 |ссылка=https://math.ru/lib/book/djvu/bib-kvant-15/Kv20-82_Jzidkie_Kristalli_S.A.Pikin.djvu}}
* ''Сонин А. С.'' Введение в физику жидких кристаллов. — М.: Наука, 1983. — 320 с.
* ''Сонин А. С.'' Дорога длиною в век: Из истории открытия и исследования жидких кристаллов. — М.: Наука, 1988. — 224 с. — ISBN 5-02-000084-1.
* ''Анисимов М. А.'' Критические явления в жидкостях и жидких кристаллах. — М.: Наука, 1987. — 272 с.
* {{книга|автор =Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М.|часть =Механика жидких кристаллов|заглавие =Теория упругости|место = М.|издательство = Наука|год = 2003|страницы =264}}
* ''Клеман М., Лаврентович О. Д.'' Основы физики частично упорядоченных сред. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. — 680 с.
* {{книга|автор =Воронов В. К., Подоплелов А. В.|заглавие =Физика на переломе тысячелетий: конденсированное состояние|ссылка =https://archive.org/details/isbn_9785382013657|
место= М.|издательство =ЛКИ|год =2012|страницы =[https://archive.org/details/isbn_9785382013657/page/n336 336]|isbn =978-5-382-01365-7}}
* ''Блинов Л. М.'' Жидкие кристаллы: Структура и свойства. — М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2013. — 480 с.

=== На английском ===
* ''de Gennes P. G., Prost J.'' The Physics of Liquid Crystals. 2nd Edition — Clarendon Press, Oxford, 1993
* ''Blinov L. M., Chigrinov V. G.'' Electrooptic Effects in Liquid Crystal Materials. — Springer, 1994
* ''Kats E. I., Lebedev V. V.'' Fluctuational Effects in the Dynamics of Liquid Crystals. — Springer, 1994

{{Состояния материи}}
[[Категория:Жидкие кристаллы|*]]
[[Категория:Жидкость]]

{{спам-ссылки|1=
* www.xumuk.ru
|2=1}}
{{C2}}