Flydende krystal

Polarisering mikrograf af en flydende krystal: Schlieren tekstur af en nematisk flydende-krystallinsk fase, da den også anvendes i flydende krystal skærme

En flydende krystal er et stof, der er flydende på den ene side, men også har retningsafhængige (anisotrope) fysiske egenskaber som en krystal på den anden . Med sin kombination af fluiditet og anisotropi bruges flydende krystaller hovedsageligt i flydende krystaldisplays (og viser engelske flydende krystaldisplays, LCD ). De fleste flydende krystaller er optisk dobbeltbrydende . De viser derefter karakteristiske teksturer under det polariserende mikroskop . Flydende krystaller er klassificeret som " blødt stof ".

Ud over de flydende krystaller med lav molekylvægt, der har været kendt siden slutningen af ​​det 19. århundrede, blev flydende krystallinske polymerer og elastomerer opdaget i anden halvdel af det 20. århundrede .

Normalt betyder flydende krystal termotrope flydende krystaller . Når visse stoffer opvarmes under smeltning, forekommer disse som en mellemfase ( mesofase ) mellem det faste og den flydende fase . Med stigende temperatur kan et stof danne flere forskellige væskekrystallinske faser efter hinanden.

Der er også lyotropiske flydende krystaller . Disse dannes, når amfifile stoffer (såsom overfladeaktive stoffer ) opløses i et opløsningsmiddel (f.eks. Vand). Med en passende koncentration af amfifilen dannes submikroskopiske strukturer, såsom vesikler og miceller , som anbringer sig symmetrisk i opløsningsmidlet og dermed danner en anisotrop væske.

historie

Den første beskrivelse af en flydende krystal går tilbage til Friedrich Reinitzer . I 1888 beskrev han det farverige udseende, da cholesterylbenzoat , benzoesyreester af kolesterol, smeltede og størknede . Han bemærkede, at denne forbindelse allerede blev flydende ved 145,5 ° C, men polarisationsmikroskopisk dobbeltbrydning eller mælkeagtigt udseende vedvarede op til 179 ° C. En krystalklar, "normal" væske blev kun skabt ved temperaturer over 179 ° C. Otto Lehmann undersøgte derefter disse og andre stoffer og talte om "flydende krystaller" for første gang . I 1920'erne blev den første grundlæggende forskning om flydende krystaller udført af Georges Friedel og Daniel Vorländer . De flydende krystaller blev kun af teknisk interesse ved opdagelsen af ​​elektro-optisk omskiftelighed af George H. Heilmeier .

H. Kawamoto skrev en anmeldelseartikel om LCD -skærmers historie. Et kompendium med 46 klassiske artikler om fysik, kemi og anvendelsesteknologi for “Crystals that Flow” , der er kommenteret i en oversigt, kommer fra Sluckin et al. (se afsnit 6). I Karlsruhe Institute of Technology er der en permanent udstilling om historien om flydende krystaller "Fra kolesterol til fladskærme" foran Otto Lehmann -foredragssalen på Fysikinstituttet , og en omfattende liste over publikationer kan findes under "Historie" på webstedet for det tyske Liquid Crystal Society (weblinks om dette i afsnit 8).

Betingelser og klassificering

Væskekrystallinske faser, også kaldet mesofaser , danner sammen med de konformationsforstyrrede krystaller og plastkrystallerne deres egen aggregerede tilstand, som kaldes den mesomorfe tilstand . En forbindelse, der viser en flydende krystallinsk fase, kaldes mesogen . Hvis dette mesofasen er en nematisk fase (fra oldgræsk νῆμα nema ”tråd”), er forbindelsen kaldes nematogenic , hvis det er en smektisk fase , smectogenic .

Der kan skelnes mellem lyotrope , termotrope og barotropiske flydende krystaller. I tilfælde af termotrope eller barotropiske flydende krystaller kan dannelsen af ​​deres mesofaser som funktion af temperatur eller tryk i det rene stof observeres.

Dannelsen af ​​lyotrope mesofaser kræver tilstedeværelse af et opløsningsmiddel og er også afhængig af dets koncentration.

Amfitropiske flydende krystaller viser både lyotrope og termotrope mesofaser.

I tilfælde af termodynamisk stabile mesofaser taler man om enantiotrop , i tilfælde af metastabile mesofaser af monotrope mesofaser (som i tilfælde af krystallinske faser).

Arrangementet af de forskellige faser af en flydende krystal, der forekommer afhængigt af temperaturen, kaldes polymorfisme .

Forudsætningen for dannelsen af ​​en væskekrystallinsk fase er anisometrien af de strukturelle enheder, der danner den. Langt de fleste undersøgte flydende krystaller (herunder dem i flydende krystaldisplays ) har en stavformet (kalamitisk) molekylær form.

Men mange andre former er også mulige, f.eks. For eksempel: discoid (skiveformet), pyramidoid (skål eller kegleformet), sanidisk (bræddelignende), polycatenare (kalamitisk med flere fleksible kæder i den ene eller begge ender) eller buede (bananformede) molekyler.

Udover den lave molekylvægt er der også mesogener med høj molekylvægt, som også danner termotrope eller lyotropiske flydende krystaller. Sidstnævnte forekommer med "LC -hovedkædepolymerer" (LC for flydende krystaller), mens "LC -sidekædepolymerer" også danner termotrope flydende krystaller (se weblink til T. Labude i afsnit 8). - Meget organiserede molekylære samlinger fremstillet af biopolymerer såsom tobaksmosaikvirus kan også være (lyotrope) mesogene.

Termotrope flydende krystallinske faser

Der er forskellige termotrope væskekrystallinske faser, der adskiller sig markant fra hinanden med hensyn til deres mikroskopiske struktur og makroskopiske udseende. B.

• nematiske faser,
• smektiske faser,
• søjlefaser.

Nematiske faser

Nematisk fasestænger har en foretrukken orientering

Den nematiske fase af achirale mesogener er den enkleste type flydende krystallinsk fase. I den har molekylerne en orienteringsorden med hensyn til en såkaldt direktør , enhedsvektoren i retning. Den resulterende foretrukne orientering er normalt kun konstant for små volumener. De molekylære tyngdepunkter er statistisk fordelt på samme måde som væsker: Der er ingen position i rækkefølge . De fleste nematiske faser er uniaksiale; siden 2004 har termotrope tosidige nematiske faser også været kendt. Typiske teksturer i nematiske faser er tråd- eller streakstrukturer.

En ordreparameter S kan let beregnes for nematiske faser :

${\ displaystyle S = \ left \ langle {\ frac {3 \ cos ^ {2} \ theta -1} {2}} \ right \ rangle}$,

hvor vinklen θ beskriver orienteringen af ​​et udskilt molekyle til den foretrukne orientering; Vinkelbeslagene betyder et gennemsnit over alle molekylers orienteringsfordeling. Ordreparameteren kan have værdier mellem −0,5 og 1. S = 0 angiver mangel på foretrukken orientering (svarende til en isotrop fase), S = 1 betyder en fuldstændig parallel justering af alle molekyler (en ideel tilstand). S = -0,5 svarer til en orienteringsfordeling af molekylerne svarende til børstehårene i en flaskebørste. Imidlertid er negative ordreparametre endnu ikke fundet eksperimentelt. Ordreparameteren viser en stærk temperaturafhængighed. Når man nærmer sig clearingpunktet (temperatur ved overgangen fra en mesofase til den isotrope fase) nærmer det sig hurtigt nul. Molekylerne i en nematisk fase kan let omorienteres af et elektrisk felt. Dette bruges i LCD -skærme.

I princippet skelnes der mellem to forskellige typer nematiske faser: uniaksiale og tosidige nematiske faser. Udtrykket uniaxial betyder, at der kun er en optisk akse i materialet, langs hvilket polariseret lys kan trænge ind i prøven uden at ændre dets polarisationstilstand. Dette skyldes, at indikatrixen for sådanne faser repræsenterer et ellipsoid af revolution. Denne indikatrix angiver brydningsindeksets afhængighed af retningen. Tilsvarende er der to optiske akser i biaksiale nematiske faser, da indikatrixen ikke er et rotationselipsoid, men et generelt ellipsoid.

Kolesterisk fase

Den kolesteriske fase har en nematisk orden med en kontinuerligt roterende foretrukken orientering. Dette resulterer i en langdistanceformet spiralformet overbygning med en periodicitet på typisk få 100  nanometer .

Det resulterende kontinuerligt snoede optiske medium fungerer som en endimensionel fotonisk krystal med et fotonisk båndgab for cirkulært polariseret lys med samme håndethed som spiralordenen. Kolesteriske flydende krystalfilm viser derfor selektiv refleksion af cirkulært polariseret lys. I modsætning til refleksionen på metalliske eller konventionelle dielektriske spejle bevares håndteringen af ​​den cirkulære polarisering.

Smektiske faser

Smektisk fase

Der er flere smektiske faser. I den rækkefølge, de blev opdaget, blev de omtalt som smektiske A, smektiske B osv. (Forkortet som SmA, SmB, ...). Fra det store antal smektiske faser i tidligere år var der kun fem tilbage efter mere detaljerede undersøgelser (SmA, SmC, SmB, SmF og SmI). De andre (tidligere SmE, SmG, SmH, SmJ og SmK) viste sig at være bløde krystaller - "forstyrrede krystaller med udtalt deformerbarhed" - og betegnes nu som krystallinske faser. Den smektiske D-fase viste sig at være en tredimensionel mesofase med en kubisk overbygning . Sammen med de flydende krystaller tilhører de det bløde stof .

I smektiske faser er molekylerne arrangeret i lag på en sådan måde, at de danner en en- eller todimensionel periodisk struktur. De er opdelt i smektiske faser af uordnede lag (SmA og SmC) og hexatiske faser (SmB, SmF og SmI) i henhold til graden af ordredannelse i laget .

Mens i SmA -fasen molekylernes længdeakser i gennemsnit er vinkelret på laget, dvs. løber parallelt med det normale lag , er molekylernes centrale længdeakse i SmC -faserne tilbøjelig til det normale lag. I disse to mesofaser har molekylerne i laget ingen position i rækkefølge med lang rækkevidde -man kan tale om en todimensionel væske. Det klassiske polarisationsmikroskopiske udseende af SmA- og SmC -faser er en ventilator- eller polygontekstur. SmC -faser viser ofte også streak -teksturer. Hvis man ser på tynde, fritstående film, fremstår SmA-fasen sort, mens SmC-fasen viser stribestrukturer og defekter.

I modsætning hertil hexatic faser har en sekskantet positionel orden og en langtrækkende orden af enheden celle ( binding orienteringsmæssige rækkefølge ). I lighed med SmA -fasen består SmB -fasen af ​​molekyler vinkelret på laget, mens disse er skråtstillet i SmI- og SmF -faserne.

Kolonnefaser

Karakteristikken for søjlefaser er dannelsen af søjler af stablet skiveformet, kileformet, polykatenær eller lignende. Mesogener. Langsgående positionsbestilling kan forekomme langs søjlerne (f.eks. I den søjle-sekskantede-plastiske fase). Det parallelle arrangement af søjlerne skaber en todimensionel pakning vinkelret på søjlenes langsgående akser. I den søjle-sekskantede-plastiske fase af z. B. triphenylensystemer opstår en tredimensionel rækkefølge (molekylerne kan kun rotere frit på deres steder). Afhængig af emballagens art kan der skelnes mellem skrå , retvinklede eller sekskantede søjleformede mesofaser. Karakteristiske teksturer er mosaikstrukturer eller teksturer fra cirkulære domæner].

Udtrykket diskotisk for søjle er forældet eller bør kun bruges til mesofaser af skiveformede flydende krystaller.

Lyotropiske flydende krystallinske faser

Der er forskellige lyotropiske væskekrystallinske faser, som adskiller sig markant fra hinanden med hensyn til deres mikroskopiske struktur og makroskopiske udseende, f.eks. B.

• diskontinuerlig kubisk fase (micellar),
• nematiske faser,
• sekskantede faser,
• bikontinuerlige kubiske faser,
• lamellære faser,
• omvendt kubisk fase.

Nematisk lyotrop mesofase

Nematiske lyotrope mesofaser har kun været kendt siden 1967. De forekommer kun i få lyotropiske systemer. I de fleste tilfælde er det nødvendigt at indføre den nematiske fase ved tilsætning af overfladeaktive stoffer eller elektrolytter. Et par undtagelser kendes, hvor binære overfladeaktive / vandblandinger har en nematisk fase:

• Hexadecyltrimethylammoniumbromid / vand
• Cæsium perfluoroctanoat / vand

Strukturelt ligner den lyotropiske nematiske fase den termotrope nematiske fase: Der er en enkelt foretrukken retning for aggregaternes særlige akse. Aggregaterne er skive- eller stavmiceller.

Sekskantet lyotrop fase

I systemer til overfladeaktivt stof / vand med medium blandingsforhold (ca. 50 vægtprocent overfladeaktivt stof) observeres ofte faser med en usædvanlig høj viskositet, hvilket normalt indikerer en sekskantet fase. I mange tilfælde strækker eksistensområdet sig over brede temperatur- og koncentrationsområder. De sekskantede aggregater med fjern position er cirkulære eller ovale cylindriske stænger. Den lange rækkefølge positionsbestilling består af et arrangement af aggregaterne i et sekskantet gitter, dvs. H. hvert aggregat er omgivet af seks mere i en sekskantet tæt pakning.

brug

Kombination af numerisk display og urskive på et ikke-selvlysende flydende krystaldisplay

Flydende krystaller, især i den termotrope nematiske fase, bruges på LCD -skærme .

Opførslen af ​​flydende krystaller (nematisk mesofase) i et elektrisk felt bruges til automatisk at dæmpe indvendige spejle i køretøjer. Styrken af ​​det elektriske felt kontrolleres afhængigt af det indfaldende lys. Molekylerne i de flydende krystaller justerer sig mere eller mindre afhængigt af feltstyrken og påvirker dermed spejlets reflektivitet.

Derudover er der en række anvendelser på andre områder, der drager fordel af ændringer i de forskellige egenskaber af de flydende krystaller med fysiske parametre (temperatur, tryk osv.). F.eks. Kan farveændringer i kolesteriske faser afhængigt af temperaturen bruges til medicinske eller tekniske formål (klæbende temperatursensorer viser reversible eller irreversible farveændringer ved definerede temperaturer). B. gøres synlig ved integrerede kredsløb gennem polarisering af flydende krystaller. Komponenter og kølelegemer i lukkede enheder kan kontrolleres med hensyn til deres maksimale temperatur. Overfladetemperaturen kan spores gennem påsatte sensorfolier uden at skulle komme i kontakt med et termometer. Sådanne sensorfolier er ofte udstyret med flere overflader, der er adskilt fra hinanden, for. B. reagerer 5 Kelvin i form af en skala med en farveændring. Der var endda stuetermometre med en indbygget sensorfilm i form af en skala med et område på 25 ° C. På grund af ændringen i farve blev disse ofte spøgeligt kaldt "humørtermometre".

Desuden anvendes mesofasisk tjære som udgangsmateriale til produktion af kulfiber (såkaldte pitchfibre, tjærefibre eller pitchfibre).

litteratur

• Pierre-Gilles de Gennes , J. Prost: Fysiske væskekrystaller . 2. udgave. Clarendon Press, Oxford 1993 ISBN 0-19-852024-7
• Leopold Mathelitsch, Robert Repnik, Zlatko Bradac, Mojca Vilfan, Samo Kralj: Uundværlig i natur, teknologi og forskning: en oversigt over flydende krystaller . I: Fysik i vor tid . tape 34 , nej. 3 , 2003, s. 134-139 , doi : 10.1002 / piuz.200390057 . 
• Horst Stegemeyer (red.): Lyotropiske flydende krystaller: Fundamentals, Development, Application. Steinkopff, Darmstadt 1999. ISBN 3-7985-1180-2
• Fritz Vollrath, David P. Knight: Flydende krystallinsk spinding af edderkoppesilke . I: Naturen . tape 410 , nr. 6828 , 29. marts 2001, s. 541-548 , doi : 10.1038 / 35069000 . 
• Krystaller der flyder. Klassiske papirer fra historien om flydende krystaller . Udarbejdet med oversættelse og kommentar af Timothy J. Sluckin, David A. Dunmur og Horst Stegemeyer. ISBN 0-415-25789-1 . I: The Liquid Crystal Book Series , redigeret af GW Gray, JW Goodby & A. Fukuda. Taylor & Francis, London og New York fra 2002.
• David Dunmur & Tim Sluckin: Sæbe, videnskab og fladskærms-tv: En historie om flydende krystaller . Oxford University Press, 2010. ISBN 0-19-954940-0 .
• Sivaramakrishna Chandrasekhar Liquid Crystals , Cambridge University Press 1977, 1993
• G. Gray: Molekylær struktur og egenskaberne ved flydende krystaller. Akademic Press Inc. New York 1962
• W. Kast: Resumé af krystallinske-væskefaser. Angewandte Chemie 67.592 1955

Weblinks

• Heinrich Arnold og Horst Sackmann , DVD: Transformationsprocesser i flydende krystaller (nemat. Og smC)
• Erklæring (engelsk)
• Tysk Liquid Crystal Society
• International Liquid Crystal Society (engelsk)
• Flydende krystaller og flydende krystaldisplays i skoletimerne
• Emneserier i Open Access Beilstein Journal of Organic Chemistry: Fremskridt inden for flydende krystalkemi
• Thomas Klabunde, kort kemiside : flydende krystaller (herunder flydende krystalpolymerer)
• Udstilling om historien om flydende krystalforskning: "Fra gulerod til fladskærm" (PDF; 317 kB)

Individuelle beviser

1. ^ F. Reinitzer: Bidrag til viden om kolesterol. I: månedligt Chem. 9, s. 421-441, 1888.
2. ^ O. Lehmann: Om flydende krystaller. I: Z. Phys. Chem. 4, s. 462-472, 1889.
3. ^ G. Friedel: Les états mésomorphes de la matière. I: Ann. Fysik 18, s. 273-474, 1922.
4. ↑ D. Vorländer: Udforskningen af ​​den molekylære form ved hjælp af de krystallinske væsker. I: Z. Phys. Chem. 105, s. 211-254, 1923.
5. ↑ GH Heilmeier, LA Zanoni: gæst-vært interaktioner i nematiske flydende krystaller. En ny elektro-optisk effekt. I: Appl. Fys. Lett. 13, s. 91-92, 1968.
6. ↑ H. Kawamoto: History of Liquid-Crystal Displays Arkiveret fra originalen den 9. februar 2012. (pdf; 924 kB) I: Proceedings of the IEEE . 90, nr. 4, 7. august 2002, s. 460-500. doi : 10.1109 / JPROC.2002.1002521 . Hentet 13. juli 2016.
7. ↑ H. Sackmann: smectitisk flydende krystaller. En historisk gennemgang. I: Flydende krystaller. Til International Journal. 5, 1989, s. 43-55.
8. ↑ H. Arnold: 50 års regel om blandbarhed for flydende krystaller. 2013. ( gengivet i det digitale bibliotek Thüringen )