E
лектронски факултет
Ниш
Образовни профил:
Електронске компоненте и микросистеми
Наставни предмет:
Нови материјали и технологије
Тема:
Течни кристали
Предметни професор:
Проф. Др. Војислав Митић
Предметни асистент:
Весна Пауновић
Студент:
Милица Ристић
14133
Ниш, децембар 2013.
4
2.
Течни кристали
2.1.
Историја настанка течних кристала
Иако је и пре 1888. године примећена појава да се стеарин топи у замагљену
течност на 52°C, мењајући се на 58°C у мутну и на 62,5°C у бистру течност (Хајнц,
W.Heintz 1850. год.), откриће течних кристала или мезофазе се обично приписује
аустријском ботаничару Фридриху Рајницеру радећи на Карловом универзитету у
Прагу.
Слика 1. Хемијска структура молекула холестерол бензоата
У својим експериментима, Рајницер је повећао температуру чврстог узорка и
посматрао промену кристала у магловиту течност. Како је повећао температуру даље,
материјал се поново променио у јасну, транспарентну течност. Због овог раног рада,
Реиницеру се често приписује откривање нове фазе материје - фазе течног кристала.
Он је открио да се холестерол бензоат не топи на исти начин као и друга
једињења, али има две тачке топљења . На 145.5 °С (293,9 °F) се топи у облачној
течности, а на 178,5 °С (353,3 °F) је поново топи и кишна течност постаје јасна.
Феномен је реверзибилан. Тражећи помоћ од физичара, 14. марта 1888., он је писао Ото
Леману, који је у то време био приватни доцент у Ахену. Размењивали су писма и
узораке. Леман је испитао средњемутно течност, и пријавили су да су видели
кристалите. Рајницеров бечки колега фон Зепаровиц такође указао да средња "течност"
је кристална. Размена писама са Леманом је завршена 24. априла, са много питања без
одговора. Рајницер је представио своје резултате, са кредитима до Лемана и фон
Зепаровиц, на састанку Бечког хемијског друштва 3. маја 1888. До тог времена,
Рајницер је открио и описао три важне карактеристике холестерола течних кристала
(име сковао Ото Леман 1904.): Постојање две тачке топљења, одраз кружно
поларизоване светлости и способност да ротирају поларизацоне правце светлости.
После његовог случајног открића, Рајницер не наставља даље истраживање
течних кристала. Истраживање је наставио Леман, који је схватио да је наишао нови
феномен и био у позицији да га истражи: У својим постдокторским студијама је стекао
искуство у кристалографији и микроскопом. Леман отпочело је систематску студију ,
прво холестерол бензоа, а затим сродних једињења која су изложена феномену дуплог
топљења. Он је био у стању да направи запажања у поларизованој светлости, и његов
микроскоп који је опремљен топлом фазом (држач узорка опремљен грејачем)
5
омогућава високу температуру запажања. Средње облачна фаза јасно је задобила
проток, али остале карактеристике, посебно потпис под микроскопом, уверили су
Леман да је у питању чврсто стање. До краја августа 1889. је објавио своје резултате
у Zeitschrift für Physikalische Chemie.
Леманов рад је настављен и значајно проширен од стране немачког хемичара
Данијела Ворландера, који је од почетка 20. Века до одласка у пензију 1935. Године
синтентизовао већину познатих течних кристала. Међутим, течни кристали нису били
популарни међу научницима тога времена и сав материјал и истраживања су остала као
чиста научна радозналост наредних 80 година.
После Другог светског рата рад на синтези течних кристала је поново у
лабораторијама универзитета истраживања у Европи. Џорџ Вилијам Греј ,истакнути
истраживач области течних кристала, отпочео је потрагу ових материјала у Енглеској
крајем 1940. Његова група синтетише много нових материјала који изложене стању
течних кристала и развили боље разумевање о томе како да дизајнирате молекуле које
показују стање . Његова књига „Молекуларна структура и својства течних кристала“ је
постала водич на ту тему. Један од првих америчких хемичара који су студирали течне
кристале је Глен Х. Браун, са почетком 1953. на Универзитету у Синсинатију, а касније
на Кентовом државном универзитету. 1965. године он је организовао прву
међународну конференцију о течним кристалима, у Кенту, Охају , са око 100 присутних
светских научника течног кристала. Ова конференција је означило почетак светског
напора да се изврши истраживање у овој области, које је убрзо довело до развоја
практичних апликација за те јединствене материјале.
Материјал течних кристала постао је тема истраживања у развоју електронских
дисплеја равних панела се 1962. на RСА лабораторијама. Када је физички хемичар
Ричард Вилијамс применио електрично поље на танком слоју на нематик течног
кристала на 125 °С, он посматра формирање редовног образца који је назвао домен
(сада познат као Вилијамсов домен). То је довело свог колегу Џорџа Х. Хеилмеиер да
обављају истраживања течног кристала на бази екрана равног панела да замени вакуум
катодне цеви које се користе у телевизорима. Нажалост para-Azoxyanisole који су
Вилијамс и Хеилмеиер користили испољавао је нематичку фазу течних кристала само
изнад 116 °С, што је непрактично је користити у комерцијални приказ производа.
Материјал који може да се ради на собној температури је јасно потребан.
Године 1966., Џоел Е. Голдмахер и Џосеф А. Кастелано , истраживачки
хемичари у Хејлмејер групи на RCА, открили су да би смешу направљену искључиво
од нематских једињења која се разликују само у броју угљеникових атома у
терминалним бочним ланцима који могу принети нематикову течних кристала на
собној температури. Тројна смеша Шифових базних једињења резултирала је материјал
који је имао нематиков опсег 22-105 °С. Рад на собној температури омогућио је први
практичан уређај да приказ буде постигнут. Тим је затим наставио да припрема бројне
смеше нематских једињења многи од којих су имали знатно ниже тачке топљења. Ова
техника мешања нематик једињења да добију широк опсег радне температуре на крају
је постао индустријски стандард и користи се до данашњег дана за прилагођење
материјала да би задовољили специфичне апликације.
7
2.3.
Фазе течног кристала
Различите фазе течних кристала (мезофазе) могу се окарактерисати по начину
уређења фаза. Могу се разликовати по положајном уређењу (молекули су распоређени
у било којој врсти уређене решетке) и по оријентационом уређењу (молекули су
углавном усмерени у једном смеру); редослед уређења молекула може бити кратког
домета (молекули су близу једни другима) или дугог домета (молекули су удаљени и до
неких макроскопских димензија). Већина термотропских течних кристала имају
изотропне фазе на високим температурама због тога што ће их загрејавање евентуално
довести у конвенционалну течну фазу коју карактерише случајно и изотропно уређење
и стање попут протока течности. Под другим условима (нижа температура) течни
кристал може да има једну или више фаза са значајном анизотропном структуром и
кратког је домета како би кристали имали способност протока.
Уређење фаза течних кристала је обимно на молекуларном нивоу. Ово уређење
се протеже на целом домену који може бити реда величине микрометара, али обично се
не проширава до макроскопских величина као што је случај са супстанцама чврстог
кристалног стања. Међутим, неке технике, као што су употреба граница или
промењено електрично поље, могу да се користе за подстицање уређења једног домена
у макроскопском узорку течног кристала. Уређењем течног кристала може да се
промени само једна димензија али је материјал остао неуређен у осталим правцима.
2.3.1.
Термотропски течни кристал
Термотропске фазе су оне које се јављају у одређеном температурном опсегу.
Ако је пораст температуре превисок, термална кретање ће уништити деликатни
кооперативни редослед фаза течних кристала, гурајући материјал у конвенционалној
изотропној течној фази. На сувише ниској температури, већина материјала течних
кристала ће формирати конвенционални кристал. Многи термотропски течни кристали
показују различите фазе са променом температуре. На пример, посебан тип молекула
течног кристала (мезоген) може показивати различите смектичке и нематичке (и
коначно изотропеј) фазе као што је повишена температура. Пример једињења приказује
термотропско понашање течног кристала је para-Azoxyanisole.
Материјали течних кристала обично имају
неколико заједничких карактеристика. Међу њима су
молекуларна структура попут штапа, крутости од
дуге осе, и јаке диполи и/или лако поларизабилни
супституенти. Разликовање карактеристика течног
кристалног стања је тенденција молекула (мезоген)
да се истакну дуж заједничке осе, названо директор.
Ово је у супротности са молекулима у течној фази,
који немају суштински ред. У чврстом стању,
молекули су високо уређени и имају малу слободу
транслације.
Карактеристика
оријентационог
поредтка стања течног кристала је између
