Холестерические жидкие кристаллы.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»
им. В. И. Ульянова (Ленина)» (СПбГЭТУ)

Кафедра КЭОП

«Холестерические жидкие кристаллы. Свойства, области применения, включая медицинский аспект»

Выполнил студент группы 8293

Воробьёв Леонид

2012

Содержание

Холестерические жидкие кристаллы и их свойства….……………..………...3

Применение холестерических жидких кристаллов.………………………...…..5

О бедующих применениях кристаллов…………….…………………………..7

Список литературы………………………………………………………………9

Холестерические жидкие кристаллы и их свойства.

К ним относятся, главным образом, производные холестерина. Сам холестерин не дает мезофазы. В холестерических жидких кристаллах молекулы расположены в слоях, как и в смектиках, однако длинные оси молекул параллельны плоскости слоев, а их расположение в пределах слоя напоминает скорее нематик. Слои в холестерических кристаллах тонкие, мономолекулярные. Каждая молекула имеет плоскую конфигурацию и боковую метильную СНз-группу, расположенную над или под плоскостью. При такой конфигурации атомов в молекулах следует, что направление ориентации длинных осей молекул в каждом последующем слое отклонено на 15 угловых минут по сравнению с предыдущим слоем. Эти отклонения суммируются по всей толщине вещества, что приводит к образованию спиральной молекулярной структуры холестерического жидкого кристалла.

Холестерические жидкие кристаллы похожи по структуре на нематики, но имеют принципиальное отличие. Оно состоит в том, что в холестерике, свободном от внешних воздействий, однородная ориентация оптической оси является энергетически невыгодной. Молекулы холестерина можно расположить параллельно друг другу (как в нематике) в тонком монослое, но в соседнем слое хиральные молекулы должны быть повернуты на некоторый малый угол: энергия этого состояния оказывается меньшей, чем при однородной ориентации оси. В стопке таких нематических монослоев ось поворачивается постепенно от слоя к слою, образуя в пространстве правый или левый винт, называемый также твист-ориентацией оптической оси.

Угол  между векторами соседних монослоев и шаг винта к в холестерике можно грубо оценить, исходя из простых предположений. Очевидно, чем меньше угол (где  угол между векторами соседних монослоев) тем меньше энергия взаимодействия спирального участка молекулы с соседней молекулой и тем больше взаимодействие основных плоских участков молекул. Поскольку, грубо говоря, спиральный участок содержит один атом, а плоский - 100, то отношение этих энергий взаимодействия составляет около 0,01. Поэтому угол  составляет сотые доли полного оборота.

Холестерики ярко окрашены и малейшее изменение температуры (до тысячных долей градуса) приводит к изменению шага спирали и, соответственно, изменению окраски жидкого кристалла.

Голубые фазы.

Голубые фазы. Такое название благодаря своей окраске получили состояния вещества, содержащего хиральные молекулы, которые существуют в узкой температурной области порядка 10 между изотропножидкой и холестерической фазами. Они долгое время интриговали исследователей, поскольку никак не удавалось расшифровать их структуру. Голубые фазы оптически изотропны, имеют кубическую пространственную структуру, обладают оптической активностью. Размер элементарной ячейки обычно больше шага холестерического винта.

В настоящее время поняты причины этих особенностей голубых фаз. В сущности, такие состояния хирального вещества демонстрируют возможность образования трёхмерных структур, когда на холестерическуго ориентационную спираль накладываются дополнительные модуляции в трех измерениях с периодом, не равным шагу исходного винта. Эти новые кубические сверхструктуры, как и одномерную холестерическую, можно было бы назвать несоразмерными, т. е. обладающими пространственными периодами, не кратными размерам молекул l. Информацию о кубическом строении голубых фаз дают экспериментальные данные по брэгговскому рассеянию в видимом диапазоне спектра. При объяснении необычных свойств голубых фаз решающее значение имели соображения Бразовского и Дмитриева о том, что в таких системах большую роль играет так называемый ближний порядок молекул, т. е. организация молекулярных групп на сравнительно малом расстоянии I, называемом корреляционным радиусом.

Применение холестерических жидких кристаллов.

Одно из важных направлений использования жидких кристаллов - термография. Подбирая состав жидкокристаллического вещества, создают индикаторы для разных диапазонов температуры и для различных конструкций. Например, жидкие кристаллы в виде плёнки наносят на транзисторы, интегральные схемы и 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.

Термография, основанная на холестерических жидких кристаллах, нашла применение в медицине. Температурные исследования поверхности кожи дают информацию о состоянии кровообращения, сигнализируют о болезненных нарушениях и делают возможным их обнаружение. Таким образом, можно обнаружить злокачественную опухоль кожи и подкожной ткани. Исследование обычно состоит в покрытии поверхности кожи черным красителем, затем слоем жидкого кристалла и последующим охлаждением исследуемого участка кожи. При самопроизвольном нагревании окраска здоровой и поражённой кожи различна.

Измерение распределения температур в электрических цепях даёт возможность обнаружить и локализовать короткое замыкание или отсутствие контактов. Такие исследования можно провести, не прибегая к демонтажу оборудования. Этот метод применяется для обнаружения проводящих дорожек в аморфных полупроводниках.

Термооптические свойства холестерических жидких кристаллов применяются в дефектоскопии для обнаружения неоднородностей и повреждения материалов. Вудманзи разработал переносное приспособление для обнаружения трещин плоских поверхностей. Исследуемый образец покрывается слоем жидкого кристалла и нагревается: имеющиеся трещины и неоднородности материала вызывают неравномерное распределение температуры на его поверхности. Подобной методикой проводятся исследования усталости металлов: пластическая текучесть, как и расходящиеся микротрещины, изменяют теплопроводность, что легко обнаруживается с помощью жидких кристаллов. В такой ранней стадии усталостные дефекты любым другим методом не могут быть обнаружены. Метод неравномерного нагревания поверхности, покрытой слоем жидкого кристалла, был применён для аналогового моделирования дифференциальных уравнений со сложными граничными условиями.

При использовании жидких кристаллов в качестве детекторов изменения теплопроводности можно обнаружить дефекты адгезии в слоистых материалах и композициях, применяемых в авиации и космонавтике. Этим методом определяется уровень коррозии внутренней аппаратуры без её демонтажа. Покрытая поверхность летательных моделей слоем жидкого кристалла, можно исследовать обтекаемость этих моделей в аэродинамических тоннелях. Разница в скорости обтекания и степени прилегания воздушных слоёв вызывает разницу в распределении температуры, что можно наблюдать непосредственно, не используя при этом ни дорогостоящую аппаратуру, работающую в ИК диапазоне, ни многочисленные термоэлектрические приспособления.

Холиестерические жидкие кристаллы применяются для визуализации инфракрасного излучения в таких устройствах, как, например, приборы ночного видения. Специальная оптическая система фокусирует изображение предмета в инфракрасном свете на жидкокристаллическую плёнку, образуя тепловую картину, которая проявляется при освещении плёнки видимым светом. Этот метод применяется для получения голограмм в Ик диапазоне, а также для визуализации микроволнового поля в волноводах и микроволн, находящихся в воздухе.

Используя жидкокристаллические детекторы, можно исследовать однородность диэлектрических материалов с помощью микроволновой голографии. Пластинка диэлектрика, помещённая в микроволновом пучке параллельно плоскому жидкокристаллическому детектору, приводит к изменению фазы волн, падающих на детектор. Голограмма образуется проекцией двух волн на жидкокристаллический плёнке: одной, идущей непосредственно от источника, и другой, проходящий через слой диэлектрика. Неоднородности диэлектрического слоя дают голографическую картину, которая записывается в виде цветового образа на детекторе. Этот образ можно фотографировать в белом либо монохроматическом свете для получения голограмм с помощью лазера. Такая техника применяется для получения голограмм с помощью радаров. Эти голограммы, воспроизведенные с помощью лазера, дают возможность получить трехмерное изображение больших предметов.

Одним из важнейших применений жидких кристаллов следует упомянуть визуализацию ультразвуковых и акустических полей с их помощью. Оптический эффект в данном случае вызывается либо поглощением энергии и изменением температуры, либо механической деформацией, оказывающей сильное влияние на оптические свойства холестерических жидких кристаллов. Техника ультразвуковой голографии является ценным орудием для подводных исследований и в дефектоскопии.

Преимущества применения холестерических жидких кристаллов для термографического исследования следующие: а) непрерывность измерения температуры; б) возможность измерения температуры на всей исследуемой поверхности; в) большая разрешающая способность при измерении градиентов температур; г) малая теплоёмкость тонкого жидкокристаллического слоя, которой в большинстве случаев можно пренебречь (удельная теплоёмкость большинства эфиров холестерина, составляет 1.5-2 Дж/см³ К), д) малая теплопроводность холестерических жидких кристаллов, что не приводит к разбросу температур; низкая стоимость.

О будущих применениях жидких кристаллов

Интенсивное изучение ЖК началось в середине 70-х гг. прошлого столетия, в настоящее время эти системы продолжают детально исследаваться в силу своих уникальных фотоупругих, электрооптических и нелинейных оптических свойств. Рассматриваются способы их синтеза и тестирования, методы введения в различные фоточувствительные полимерные и наноструктурированные среды. Изучаются жидкокристаллические нематические, холестерические и смектические структуры, а также системы, обладающие сегнетоэлектрическими свойствами.

Важной доминантой в изучении фазового состояния ЖК, структурирования мезофазы является проведение их сенсибилизации при использовании нанообъектов. В качестве последних используются фуллерены, нанотрубки, нановолокна, наночастицы, J–агрегаты, др. Исследуются структурные, химические, спектральные, фотопроводниковые, электрические, нелинейно-оптические свойства жидких кристаллов и нанокомпозитов на их основе; изучаются механизмы взаимодействия теплового излучения, магнитного и электрического полей, а также лазерного излучения широкого спектрального и энергетического диапазонов с данными системами. Определяются перспективы использования жидкокристаллических сред в качестве усилителей яркости изображения, перестраиваемых фильтров, дисплейных элементов нового поколения, быстродействующих переключателей, оптически управляемых и акустических модуляторов света, термодатчиков в различных областях науки, техники, биологии и медицины. Каждая из областей по-своему интересна и познавательна и требует определенных усилий для своего планомерного развития.

Список литературы.

1)    http://thesaurus.rusnano.com/wiki/article819

2)    Жидкие кристаллы А. Адамчик 1979-600 стр.