Seminarska naloga:

Tekoči kristali

Mentor: prof.dr. Marko ZgonikŠtudent: Boris Fonda

Potek predavanja:● Zgodovina

● Kaj so tekoči kristali ?

● Vrste tekočih kristalov

– nematični

– smektični

● Dvojni lom

– Splošno o dvojnem lomu

– Opazovanje dvojnega loma v TK

– Prehod svetlobe skozi prekrižana polarizatorja in TK

● Freederickzov prehod in elektro optični pojavi

● Uporaba TK:

– Enostavni prikazovalniki

– Veliki tekočekristalni zasloni

– Vijačni TK kot temperaturni senzor

● Zaključek in viri

Zgodovina:

● 1853 odkritje dvolomnosti tekoče snovi

● 1888 F. Reinitzer odkrije snov z dvema tališčema

● 1889 Otto Lehnmann prvič uporabi izraz tekoči kristal

● 1890 sintetiziran prvi umetni TK

● 1907 D. Vorlander odkrije strukturo molekul TK

● 1922 G. Friedel prvi opiše nematične, smektične in holestrične TK

● 1968 G. Heilmeier & L. Zanoni naredita prvi TK prikazovalnik

● 1977 odkritje diskotičnih TK

● 1991 Pierre Gilles de Gennes prejme nobelovo nargado za raziskave na področju TK

● 1999 znanih 70000 snovi s tekoče kristalno fazo

● 2007 Množična uporaba (telefoni, prenosni računanalniki, mp3 predvajalniki...) tekočih kristalov pri končnem uporabniku (osebe, katerih drobovje napravice ne zanima prav dosti)

Kaj so tekoči kristali ?

● TK je snov v posebnem stanju v katerem ima delno lastnosti kristala (optične lastnosti) in delno lasnosti kapljevine (fizična lastnost)

● Podolgovata oblika molekul, vpliva na nastanek tekočekristalne faze

● Orientacijsko urejene molekule

● Pozicijsko vsaj delno neurejene molekule

● Srednji del molekule je bolj tog, na straneh pa najdemo gibljivi alkilni verigi

● So snovi z več kot enim faznim prehodom (organska spojina 5CB dva fazna prehoda oz. dve tališči)

● TK omogoča prehod svetlobi skozi prekrižana polarizatorja

● Če polarizatorja vrtimo se spreminja barva prepuščene svetlobe

● Molekula 5CB:

– dolžina 1,8 nm

– Premer 0,5 nm

● Spojina 5CB je pri nizki temperaturi kristal

● Anizotropnost (v različnih smereh različne lastnosti)

● Urejenost:

– pozicijska: razpored težišč molekul

– orientacijska: molekule med seboj vzporedne

● Smer urejenosti: je smer v katero so poravnane vzdolžne osi molekul

● Staljen 5CB ni običajna kapljevina, temveč je tekoči kristal

● Tekočekristalna faza: ohrani se orientacijska urejenost, pozicijska pa delno ali v celoti izgine

● Izotropna kapljevina nima niti orientacijske niti pozicijske urejenosti

Vrste tekočih kristalov:

● Nematični TK:

– Najpogostejši, največkrat v uporabi (5CB)

– Orientacisjo urejeni

– Zaradi pozicijske neurejenosti so motni

● Smektični TK:

– od nematičnih se razlikujejo po tem, da imajo vsaj v eni smeri pozicijsko urejenost

– 12 različnih faz

– viskozni

Smektična A faza

Smektična C faza

Urejenost

Diskotični TK

Bananasti TK

Nematični TK Smektični TK

Dvojni lom

● Splošno:

– Predmet vidimo dvojno, če ga opazujemo skozi ploščico klacita

– Žarek se razcepi na redni žarek in izredni žarek

– Redni žarek se ravna po lomnem zakonu, izrednega pa je težje napovedati

– Optična dvolomnost je posledica anizotropne zgradbe kristalov, kar pomeni da so sile, ki vežejo elektrone v the snoveh v različnih smereh različne.

● Opazovanje dvojnega loma v TK

– Žarka potujeta z različnima hitrostma

– Posledica zgornje trditve je fazna razlika (jakost električnega polja v rednem žarku niha z določenim zamikom glede na izredeni žarek )

– Skupna jakost električnega polja je vektorska vsota jakosti v rednem in izrednem žarku

– Skupna jakost zaradi fazne razlike nima stalne smeri

– Na vhodu linearno polarizirana svetloba postane na izhodu eliptično polarizirana svetloba

– Zaradi dvolomnosti je polje med prekrižanima polarizatorjema svetlo, če je vmes TK

● Prehod svetlobe skozi prekrižana polarizatorja in TK

Freederickszov prehod in elektrooptični pojavi:

● Električno polje, (tako, ki jakost večjo od mejne vrednosti za Freederickszov prehod) spremeni orientacijo tekočega kristala v celici, tako da smer urejenosti sovpada s smerjo lektričnega polja.

● Sprememba orientacije pod vplivom električnega polja vpliva na svetlobno prepustnost celice med prekrižanima polarizatorjema. Temu rečemo elektrooptični pojav.

Prvotna orientacija

V električnem poljuVpliv električnega polja

Molekula TK je v močnemelektričnem polju

Uporaba TK:

● Enostavni prikazovalniki

– Tanka plast TK zaprta med dve stekleni plošči

– Čistega TK ponavadi ne uporabimo, temveč dodamo mešanico dveh ali več kemijsko sorodnih spojin. Mešanice imajo širše tekočekristalno temperaturno območje kot posamezne sestavine.

Elektrooptični pojav in Freederickszov prehod v prikazovalniku

Svetloba sledi orientaciji TK

Kdaj polarizator prepusti svetlobo ?

Dovedemo napetost

Koliko se kristal zvije jeodvisno od dovedene napetosti

svetla pika

temna pika

Veliki tekočekristalni zasloni

● Delujejo na podlagi nematične celice v kateri je TK zasukan 90° ali 270°

● Svetlobno prepustnost velikega števila segmentov, ki sestavljajo sliko, uravnavamo bodisi z multipleksnim krmiljenjem ali z aktivno matriko

● Pri aktivni matriki ima vsak segment naparjen svoj tankoslojni tranzistor TFT (uporabo aktivne matrike zasledimo pri prenosnih računalnikih)

● Uporaba feroelektričnih tekočih kristalov (sprememba orientacije molekul v feroelektrični celici je 1000x hitrejša kot v nematični celici). Vijačna smektična faza C* je feroelektrična, kar pomeni, da ima vsaka plast molekul različen skupni dipolni moment oz. Polarizacijo. Z električnim poljem lahko polarizacijo obrnemo, pri čemer molekule v plasti obnejo svojo orientacijo in s tem spremenijo svetlobno prepustnost celice

Vijačni TK oz. holestrični TK kot temperaturni senzor

● Vijačna struktura se pojavi pri TK, ki jih sestavljajo kiralne molekule. (kiralne molekule nimajo zrcalne simetrije in so zato podobne levi in desni roki, s tem mislim na to, da zrcalna slika desne roke ni enaka desni roki, je pa enaka levi roki)

● Vijačna struktura: posledica take strukture sta velika optična ativnost in selektivna odbojnost teh snovi.

● Sprememba temperature povzroči spremembo barve plasti TK

● Uporabno za opazovanje temperature na večji površini in za izdelavo preprostih termometrov

Zaključek in viri

● Folija iz polimera, v katerem so razpršene mikrometrske kapljice TK, je prozorna pod vplivom električnega polja, sicer pa motna. Uporabljamo jo za prekrivanje oken, ki jih lastnik po želji lahko zastre s pritiskom na stikalo.

● Uporaba TK za izdelavo modela biološke membrane

● Viri:

– Spletna enciklopedija Wikipedia (iskani niz=liquid crystal)

– M. Vilfan, I. Muševič: Tekoči kristali (FMF knjižnica)

– P.G. de Gennes: The Physics of Liquid Crystals (aMule)

– image.google.com