Nestekiteitä

Nestekiteet (lyhennettynä LCD; l iquid  c rystals , LC) on faasitila , johon jotkin aineet siirtyvät tietyissä olosuhteissa (lämpötila, paine, pitoisuus liuoksessa). Nestekiteillä on samanaikaisesti sekä nesteiden (fluiditeetti) että kiteiden ( anisotropia ) ominaisuuksia. Rakenteen mukaan LC:t ovat viskooseja nesteitä, jotka koostuvat pitkänomaisista tai kiekon muotoisista molekyyleistä , jotka on järjestetty tietyllä tavalla koko tämän nesteen tilavuuteen. LC:iden tyypillisin ominaisuus on niiden kyky muuttaa molekyylien suuntausta sähkökenttien vaikutuksesta., mikä avaa laajat mahdollisuudet niiden soveltamiseen teollisuudessa. LC-tyypin mukaan ne jaetaan yleensä kahteen suureen ryhmään: nematiikka ja smektiikka . Nematiikka puolestaan ​​​​jaetaan oikeisiin nemaattisiin ja kolesterisiin nestekiteisiin .

Nestekiteiden löytämisen historia

Itävaltalainen kasvitieteilijä Friedrich Reinitzer löysi nestekiteet vuonna 1888 .[2] . Hän huomasi, että kolesteryylibentsoaatin ja kolesteryyliasetaatin kiteillä oli kaksi sulamispistettä ja vastaavasti kaksi erilaista nestetilaa - sameaa ja läpinäkyvää. Otto Lehmann loi nimen "nestekiteet"vuonna 1904 [3] . Tiedemiehet eivät kuitenkaan ole kiinnittäneet paljon huomiota näiden nesteiden epätavallisiin ominaisuuksiin.

Pitkään aikaan fyysikot ja kemistit eivät periaatteessa tunnistaneet nestekiteitä, koska niiden olemassaolo tuhosi teorian kolmesta aineen tilasta : kiinteästä , nestemäisestä ja kaasumaisesta . Tiedemiehet katsoivat nestekiteiden olevan joko kolloidisia liuoksia tai emulsioita .

Tieteellisen todisteen toimitti Karlsruhen yliopiston professori Otto Lehmann monien vuosien tutkimuksen jälkeen, mutta löytöä ei sovellettu hänen kirjoittamansa kirjan Liquid Crystals ilmestymisen jälkeen vuonna 1904 .

Neuvostoliiton tiedemies V. K. Frederiks antoi perustavanlaatuisen panoksen nestekiteiden fysiikkaan [4] .

Ensimmäinen nestekiteiden käyttö käytännössä tapahtui vuonna 1936, kun Marconi Wireless Telegraph -yhtiö patentoi sähköoptisen valoventtiilinsä [5] [6] .

Vuonna 1963 amerikkalainen J. Fergason ( eng.  James Fergason ) käytti nestekiteiden tärkeintä ominaisuutta - muuttaa väriä lämpötilan vaikutuksesta - havaitakseen epätasaisesti kuumentuneet pinta-alat, jotka eivät näkyneet paljaalla silmällä. Kun hänelle myönnettiin patentti keksinnölle ( US-patentti 3 114 836 ), kiinnostus nestekiteitä kohtaan kasvoi dramaattisesti.

Vuonna 1965 ensimmäinen kansainvälinen nestekiteille omistettu konferenssi kokoontui Yhdysvalloissa . Vuonna 1968 amerikkalaiset tutkijat loivat täysin uusia indikaattoreita tietojen näyttöjärjestelmille. Niiden toimintaperiaate perustuu siihen, että sähkökentässä kääntyvät nestekidemolekyylit heijastavat ja välittävät valoa eri tavoin. Näyttöön juotettuihin johtimiin kohdistetun jännitteen vaikutuksesta siihen ilmestyi kuva, joka koostui mikroskooppisista pisteistä. Ja kuitenkin, vasta vuoden 1973 jälkeen, kun George Grayn johtama englantilainen kemistiryhmä sai nestekiteitä suhteellisen halvoista ja saatavilla olevista raaka-aineista, nämä aineet levisivät laajasti erilaisissa laitteissa.

Nestekiteiden ryhmät

Yleisten ominaisuuksiensa mukaan LC:t voidaan jakaa kahteen suureen ryhmään:

1. Termotrooppiset LC:t muodostuivat kiinteän aineen kuumentamisen seurauksena ja ovat olemassa tietyllä lämpötila- ja painealueella.
2. Lyotrooppiset LC:t, jotka ovat kaksi tai useampia komponenttijärjestelmiä, jotka on muodostettu tietyn aineen sauvan muotoisista molekyyleistä ja vedestä (tai muista polaarisista liuottimista ).

Aineen termodynaamiset faasit ovat vain termotrooppisia LC:itä, koska lyotrooppiset LC:t ovat dispergoituja systeemejä (amfifiilisten aineiden liuos vedessä).

Lyotrooppiset LCD-näytöt

FA:ita muodostavien sauvamaisten molekyylien toisessa päässä on polaarinen ryhmä, ja suurin osa sauvasta on joustavaa hydrofobista hiilivetyketjua. Tällaisia ​​aineita kutsutaan amfifiileiksi (amphi - kreikaksi tarkoittaa "kahdesta päästä", philos - "rakastava", "hyväntahtoinen"). Fosfolipidit ovat esimerkki amfifiileistä .

Amfifiiliset molekyylit ovat pääsääntöisesti huonosti veteen liukenevia, pyrkivät muodostamaan aggregaatteja siten, että niiden polaariset ryhmät faasirajalla suuntautuvat nestefaasiin. Matalissa lämpötiloissa nestemäisen amfifiilin sekoittaminen veteen johtaa järjestelmän erottumiseen kahteen faasiin. Saippuavesijärjestelmä voi toimia yhtenä monimutkaisen rakenteen omaavista amfifiilien muunnelmista. Siellä on alifaattinen anioni (missä ~ 12-20) ja positiivinen ioni jne. Polaarisella ryhmällä on taipumus olla läheisessä kosketuksessa vesimolekyyleihin, kun taas ei-polaarinen ryhmä (alifaattinen ketju) välttää kosketuksen veden kanssa. Tämä ilmiö on tyypillinen amfifiileille.

Monien lyotrooppisilla nestekiteillä toimivien sähköoptisten laitteiden ominaisuudet määräytyvät niiden sähkönjohtavuuden anisotropian perusteella , mikä puolestaan ​​liittyy elektronisen polarisoituvuuden anisotropiaan . Joidenkin aineiden osalta LC-ominaisuuksien anisotropian vuoksi sähkönjohtavuus muuttaa etumerkkiään. Esimerkiksi n-oktyylioksibentsoehappo läpäisee nollan lämpötilassa 146 °C, ja tämä liittyy mesofaasin rakenteellisiin ominaisuuksiin ja molekyylien polarisoituvuuteen.

Termotrooppiset LCD-näytöt

Nestekidefaaseja muodostavia molekyylejä kutsutaan mesogeeneiksi . LC:ssä on dipolimolekyylien tyypillinen suuntautuminen tiettyyn suuntaan, jonka määrää yksikkövektori - niin kutsuttu "ohjain".

Termotrooppiset LC:t on jaettu neljään suureen luokkaan (Kaavamaisesti näiden tyyppisten LC:iden järjestyksen luonne on esitetty kuvissa):

1. Nemaattiset nestekiteet . Näissä kiteissä molekyylien painopisteiden järjestelyssä ei ole pitkän kantaman järjestystä , niillä ei ole kerrosrakennetta, niiden molekyylit liukuvat jatkuvasti pitkien akseleidensa suunnassa pyörien niiden ympärillä, mutta samalla ajan kuluessa ne säilyttävät orientaatiojärjestyksen: pitkät akselit on suunnattu yhtä hallitsevaa suuntaa pitkin. Ne käyttäytyvät kuin tavalliset nesteet. Nemaattisia faaseja löytyy vain aineista, joiden molekyyleillä ei ole eroa oikean ja vasemman muodon välillä, niiden molekyylit ovat identtisiä niiden peilikuvan kanssa (akiraali). Nemaattisen faasin molekyylien orientaatio on pääsääntöisesti sama kuin korkeimman johtavuuden suunta. Esimerkki aineesta, joka muodostaa nemaattisen FA:n, on -(p-metoksibentsylideeni)-p-butyylianiliini.
2. Smektisilla nestekiteillä on kerrosrakenne, kerrokset voivat liikkua suhteessa toisiinsa. Smektisen kerroksen paksuus määräytyy molekyylien pituuden mukaan (pääasiassa parafiinin "hännän" pituus), mutta smektiikan viskositeetti on paljon korkeampi kuin nematiikan ja tiheys kerroksen pinnan normaalia pitkin. voi vaihdella suuresti. Tyypillinen on tereftaalibis (para-butyylianiliini).
3. Kolesteriset nestekiteet  - muodostuvat pääasiassa kolesterolin ja muiden steroidien yhdisteistä. Nämä ovat nemaattisia LC:itä, mutta niiden pitkiä akseleita kierretään suhteessa toisiinsa niin, että ne muodostavat spiraaleja, jotka ovat erittäin herkkiä lämpötilan muutoksille johtuen tämän rakenteen erittäin alhaisesta muodostumisenergiasta (noin 0,01 J/mol). Tyypillisenä kolesteriinina voidaan mainita amyylipara-(4-syaanibentsylideeniamino)sinnamaatti. Kolesteriinit ovat kirkkaanvärisiä, ja pieninkin lämpötilan muutos (jopa asteen tuhannesosaan) johtaa muutokseen heliksin korkeudessa ja vastaavasti LC:n värin muutokseen.
4. Pylväsmäiset nestekiteet - Mesogeenit on järjestetty pylväiksi, jotka muodostavat järjestettyjä rakenteita. Usein niitä kutsutaan "nestefilamenteiksi", joita pitkin molekyyleillä on translaatiovapausasteita. Tämän yhdisteluokan ennusti akateemikko L. D. Landau , ja Chandrasekhar löysi sen vasta vuonna 1977 .

LCD-näytöillä on epätavallisia optisia ominaisuuksia. Nematiikka ja smektiikka ovat optisesti yksiakselisia kiteitä. Kolesteriinit heijastavat jaksollisen rakenteensa vuoksi voimakkaasti valoa spektrin näkyvällä alueella. Koska nestefaasi on ominaisuuksien kantaja nematiikan ja kolesteerisissa osissa, se muotoutuu helposti ulkoisten vaikutusten vaikutuksesta, ja koska kolesteerien heliksin nousu on erittäin herkkä lämpötilalle, siksi valon heijastus muuttuu jyrkästi lämpötilan mukaan, mikä johtaa aineen värin muutokseen. Näitä ilmiöitä käytetään laajalti erilaisissa sovelluksissa, kuten mikropiireissä olevien hot spottien löytämisessä, murtumien ja kasvainten paikallistamisessa ihmisissä, kuvantamisessa infrapunasäteillä jne.

Fenomenologisella tasolla nestekidemuodonmuutoksia kuvataan yleensä käyttämällä Frank- Oseenin vapaan energian tiheyttä .

Nestekiteiden sovellukset

Yksi nestekiteiden tärkeimmistä käyttötavoista on termografia . Valitsemalla nestekideaineen koostumuksen, luodaan indikaattoreita eri lämpötila-alueille ja eri malleille. Esimerkiksi nestekiteitä kalvon muodossa levitetään transistoreille , integroiduille piireille ja elektronisten piirien painetuille piirilevyille . Vialliset elementit - erittäin kuumat tai kylmät, toimimattomat - näkyvät välittömästi kirkkaina väripisteinä. Lääkärit ovat saaneet uusia mahdollisuuksia: potilaan iholla oleva nestekide-indikaattori diagnosoi nopeasti piilevän tulehduksen ja jopa kasvaimen .

Nestekiteiden avulla havaitaan haitallisten kemiallisten yhdisteiden höyryjä sekä ihmisten terveydelle vaarallista gamma- ja ultraviolettisäteilyä . Painemittarit ja ultraäänidetektorit on luotu nestekiteiden pohjalta .

Mutta lupaavin nestekideaineiden käyttöalue on tietotekniikka [7] : ensimmäisistä indikaattoreista, jotka ovat kaikille tuttuja elektronisista kelloista ja mikrolaskimista , väritelevisioihin , puhelimiin , tabletteihin , kannettaviin tietokoneisiin ja tietokonenäyttöihin , joissa on nestekidenäyttö . Tällaiset televisiot tarjoavat erittäin korkealaatuisen kuvan ja kuluttavat vähemmän energiaa verrattuna katodisädeputkilla varustettuihin televisioihin . Nestekidenäyttöissä käytetään Freedericksz - risteystä , joka löydettiin vuonna 1927.

M. G. Tomilin ehdotti nestekiteiden käyttöä kaksivaiheisissa valokuvaustekniikoissa kuvien tallentamiseen, ulkoisten vaikutusten rekisteröinti tapahtuu tässä tapauksessa mesofaasissa ja varastointi - kiinteäkiteisessä tilassa [8] .

Nestekiteitä käytetään "älykkään lasin" valmistukseen, joka voi muuttaa valonläpäisykerrointa [9] .

Tuotanto

Suurin nestekiteiden valmistaja on saksalainen Merck . Se tarjoaa yli puolet maailman LCD-näyttökomponenttien kysynnästä. Hän sai Tietonäyttöjen kehittäjien ja valmistajien liiton SID-2015 (Society for Information Displays) vuosipalkinnon kultamitalin nimikkeessä "Näyttöjen komponentit" innovatiivisen teknologian kehittämisestä nestekidenäyttöjen valmistukseen UB- FFS [10] .

Linkit

• https://www.xumuk.ru/encyklopedia/1540.html Nestekiteet kemiallisessa tietosanakirjassa "XuMuK"
• Keskustelu nestekiteistä kemian tohtori Aleksei Jurjevitš Bobrovskin kanssa Science 2.0 -ohjelmassa

Muistiinpanot

1. ↑ Shibaev. Epätavallisia kiteitä tai salaperäisiä nesteitä  (uuspr.)  // Soros Educational Journal. - 1996. - Nro 11 . - S. 41 .
2. ↑ Reinitzer, Friedrich. Beiträge zur Kenntniss des Cholesterins  (neopr.)  // Monatshefte für Chemie (Wien). - 1888. - T. 9 , nro 1 . - S. 421-441 . - doi : 10.1007/BF01516710 .
3. ↑ Otto Lehmann. Flussige Krystalle (nestekiteet) // Zeitschrift für Physikalische Chemie. - Leipzig, 1904.
4. ↑ Repjova A., Frederiks V. Anisotrooppisten nesteiden teoriasta ja joitain uusia havaintoja niistä // V kongressi rus. fyysikot, Moskova, 15.-20.12. 1926 - M: GIZ, 1926. - S. 16-17.
5. ↑ Nestekidenäyttö (LCD  ) . tietokoneen historiaa. Haettu 25. maaliskuuta 2019. Arkistoitu alkuperäisestä 3. huhtikuuta 2019.
6. ↑ Barnett Levin; Nyman Levin. Patentti nro GB441274 (A) Hakija Marconi langaton lennätin co.  (englanniksi) . https://www.epo.org/index.html . Euroopan patenttivirasto (13. tammikuuta 1934). Käyttöönottopäivä: 12.5.2019.
7. ↑ Tsvetkov V. A., Grebenkin M. F. Nestekiteet optoelektroniikassa // Nestekiteet / toim. S. I. Zhdanova. - M.: Chemistry, 1979. - S. 160-215
8. ↑ Tomilin M. G.// Nestekideihin perustuvat valokuvaustekniikat. Arkistoitu 24. joulukuuta 2014 Wayback Machinessa  - Artikkeli. — NRU ITMO:n tieteellinen ja tekninen tiedote. — UDC 535:771.36.
9. ↑ Älylasin takana on tulevaisuus , OKNAMEDIA (1.9.2015). Arkistoitu alkuperäisestä 6. huhtikuuta 2019. Haettu 6. huhtikuuta 2019.
10. ↑ Merckin innovatiivinen nestekidetekniikka voitti Modern Electronics -palkinnon (30. heinäkuuta 2015). Arkistoitu alkuperäisestä 6. huhtikuuta 2019. Haettu 6. huhtikuuta 2019.

Kirjallisuus

venäjäksi

• Zhdanov S. I. Nestekiteet. — M.: Kemia , 1979. — 328 s.
• Chandrasekhar S. Nestekiteet. - M.: Mir, 1980. - 344 s.
• Pikin SA Rakenteelliset muutokset nestekiteissä. - M.: Nauka, 1981. - 336 s.
• Pikin S. A., Blinov L. M. Nestekiteet / Toim. L. G. Aslamazova. — M .: Nauka , 1982. — 208 s. - ( Kirjasto "Quantum" . Numero 20). - 150 000 kappaletta.
• Sonin AS Johdatus nestekiteiden fysiikkaan. - M.: Nauka, 1983. - 320 s.
• Sonin A. S. Vuosisadan mittainen tie: Nestekiteiden löytämisen ja tutkimuksen historiasta. - M.: Nauka, 1988. - 224 s. - ISBN 5-02-000084-1 .
• Anisimov MA Kriittiset ilmiöt nesteissä ja nestekiteissä. - M.: Nauka, 1987. - 272 s.
• Landau L. D., Lifshits E. M. Nestekiteiden mekaniikka // Elastisuusteoria. - M . : Nauka, 2003. - S. 264.
• Kleman M., Lavrentovich OD Osittain järjestetyn median fysiikan perusteet. — M.: FIZMATLIT, 2007. — 680 s.
• Voronov V.K., Podoplelov A.V. Fysiikka vuosituhannen vaihteessa: tiivistetty tila . - M. : LKI, 2012. - S.  336 . - ISBN 978-5-382-01365-7 .
• Blinov L. M. Nestekiteet: rakenne ja ominaisuudet. - M .: Kirjatalo "LIBROKOM", 2013. - 480 s.

Englanniksi

• de Gennes PG, Prost J. The Physics of Liquid Crystals. 2. painos - Clarendon Press, Oxford, 1993
• Blinov LM, Chigrinov VG Sähkösotilaalliset vaikutukset nestekidemateriaaleissa. - Springer, 1994
• Kats EI, Lebedev VV Fluktuaatiovaikutukset nestekiteiden dynamiikassa. - Springer, 1994

Sanakirjat ja tietosanakirjat	Suuri tanskalainen Suuri katalaani Iso venäläinen Brockhaus ja Efron maailman ympäri Britannica (verkossa) Universalis
Bibliografisissa luetteloissa	BNF : 11981189m J9U : 987007531570605171 LCCN : sh85077357 NDL : 00561894 NKC : ph126495