Tečni kristali predstavljaju stanje agregacija

Sinonimi: tečni kristali, kristalne tečnosti, anizotropne tečnosti, para kristali, mezofaze ili mezomorfno stanje

Tečni kristali predstavljaju stanje agregacija molekula koji imaju molekulski red kao u kristalima ali se ponašaju i kao viskozne tečnosti.

Osobine tečnosti: površinski napon i viskoznost

Osobine čvrstog: optička anizotropija-dvojno prelamanjei interferencija polarizovane svetlostii interferencija polarizovane svetlosti

Širina temepratrskog intervala u kome se javlja:od 0,01 do 1000CJavljaju se pri temperaturana od –20 do 4000C

Istorija te čnih kristala

Prva opažanja

1850 W. Heintz je opazio da se stearin topi u zamagljenu tečnost na 52°C, menjaju ći se na 58°C u mutnu i na 62.5°C u bistru te čnost.

1877 Otto Lehmann je dao naziv ovom stanju i izumeo mikroskop sa postoljem koje se greje i njime je mikroskop sa postoljem koje se greje i njime je ispitivao fazne prelaze različitih supstancija pomoću polarizacionog mikroskopa sa postoljem koje se greje.

do 1888 Istraživači u različitim oblastima hemije, biologije, medicine i fizike opažali su da izvesni biološki materijali pokazuju mutno tečno stanje izmeñu kristalnog stanja i tečnog stanja. Jedinjenja sintetizovana od holesterola takoñe pokazuju plavu boju kada se hladi njihov izotropni rastop.

(1855-1922)

Tečne kristale ili mezofaze otkrio Rajnicer

Friedrich Reinitzer (1857-1927)

Thanks to Toby Donaldson

Holesterol benzoat

Kristal 145.5 °C PT 178.5°C TT

Thanks to Toby Donaldson

Nova faza materije

1888 Austrijski botaničar Friedrich Reinitzer, koji se interesovao za biološku funkciju holesterola kod biljaka, posmatrao je ponašanje pri topljenju organskih supstancija sličnih holesterolu (holesterol benzoat). Opazio je kao i W. Heintz 38 godina ranije sa stearinom da se suspatncija topi u oblačastu tečnost na 145.5°C a postaje bistra na 178.5°C. 145.5°C a postaje bistra na 178.5°C. Ponovio je i ranije opažanje da pri hlañenju bistre tečnosti se javlja naglo plava boja na prelaznoj temperaturi a da se pred kristalizaciju javlja plavoljubičasta boja. Diskutujući sa Lemanom i drugima došao je do zaključka da je identifikovana nova faza materije koja je nazvana tečnom kristalnom fazom.

Polarizacioni mikroskop

Thanks to Toby Donaldson

Izotropna tečnostHolesterični tečni kristalKristal

Rana otkrića1890 Prvi sinteti čki tečni krstal, p-azoksianizol, napravili su Gatterman i

Ritschke.

(1900) D. Vorlaender i saradnici su sintesisali mnoga termotropna smekti čka jedinjenja. Vorlaender je publikovao rad o detaljnim pravilima u vezi sa hemijskom strukturom ovih jedinjenja. Ta pravila su bazirana na osobinama više od 170 jedinjenja koje je on sintetizovao u svojoj

N

N OMeMeO

O

hemijskom strukturom ovih jedinjenja. Ta pravila su bazirana na osobinama više od 170 jedinjenja koje je on sintetizovao u svojoj laboratoriji. Prema ovim pravilima koja su kasnije dovela do statističko teorijskih opisa ponašanja ovih materijala, tečno kristalno stanje je formirano od molekula približno linearnog oblika . Vorlaender je takoñe zapamćen po detekciji polimorfizma kod te čnih kristala, jer je on sintetisao jedinjenje u tečno kristalnom stanju sa nematičnim i dva smektička oblika.

1922 George Freidel je izvršio klasifikaciju tečnih kristala baziranu na različitoj molekulskoj ureñenosti svake supstancije:

• nemati čni,

• smekti čni i

• holesteri čni .

Takoñe je objasnio orijentacioni efekat elektri čnog polja i prisustvo defekata u te čnim kristalima .

Carl Oseen i Zöcher su razvili matematičku osnovu za ispitivanje tečnih kristala i uveli Parametar ure ñenosti S za opisivanje srednje orijentacije tečnih kristala. Carl Oseen and F.C. Frank je razvio teoriju kontinuuma izvedenu iz rada Oseen-a o elastičnim osobinama tečnih kristala.

1922-39

Zatišje

1939-45 II svetski rat

1949 Onsager je prikazao svoj rad o faznom prelazu izmeñu izotropnog i nematičnog stanja (Onsager-Teorija ).

1945-48 Potopuno zatišje u oblasti ispitivanja tečnih kristala. Mislilo se da je sve poznato o njima i nije se očekivalo nikakvo novo otkriće i još gore nisu uvršćeni u udžbenike i literaturu.

Ponovno oživljavanje

1950-te Rad Brown-a u SAD, Chistiakoff-a u SSSR-u kao i Gray-a iFrank-a u Engleskoj doveli su do oživljavanja interesa za tečne kristale. Frank i kasnije Leslie i Ericksen razvili su teoriju kontinuuma za stati čke i dinami čke sisteme .

1958 Alfred Saupe, koji je kasnije radio na Kent univerzitetu, razvio je u dvom diplomskom radu zajedno sa svojim mentoromWilhelm Maier-om molekularnu teoriju tečnih kristala ne uključujući permanantne dipole kao u Max Born‘-kristala ne uključujući permanantne dipole kao u Max Born‘-ovoj teoriji. Ovaj rad je doveo do Maier-Saupe Teorije , druge dobro poznate teorije tečnih kristala.

1960s Prvo jedinjenje koje je pokazivalo nemati čnu fazu na sobnoj temperaturi je bilo čuveno MBBA.

1968 Demonstriran je prvi displej na bazi tenog kristala- liquid crystal display (LCD) .

Nuka o tečnim kristalima postaje egzaktna nauka

De Gennes je proširio Landauovu teoriju faznih prelaza kod tečnih kristala. Dobio je Nobelovu nagradu 1991 za doprinos razumevanju tečnih kristala i polimera (soft matter physics-fizika mekih materijala). physics-fizika mekih materijala). Landau - de Gennes-ova teorija , koja daje fenomenološki opis molekularnog reda kod različitih tečno kristalnih faza, prelaza izmeñu njih, elastične i hidrodinamičke osobine, dokazane su kao krajnje uspešne.

Tečni kristali�Temperatura na kojoj se supstancija topi u mutnu viskoznu tečnost se zove prelaznom temperaturom i na nju pritisak utiče zavisno od specifičnih zapremina jedne i druge faze (slično polimorfnim faznim transformacijama). �Temperatura pri kojoj mutna tečnost prelazi u pravu, �Temperatura pri kojoj mutna tečnost prelazi u pravu, bistru tečnost (koja je izotropna) je tačka topljenja. Postoje supstancije koje imaju više prelaznih tački. •Postoje supstancije koje imaju više prelaznih tački:

Čvrst Smektični B Smektični C Smektični A

Nematični Izotropno

• Asimetričan i izdužen oblik molekula

Koji tipovi molekula pokazuju stanje tečnih kristala?

NC OCnH2n+1

Kalamitični tečni kristal

ORRO

ROOR

OR

OR

Diskotični tečni kristal

izgrañujući elementi

štapićasti-kalimatici

u obliku diska-diskotici

Primeri diskotičnih tečnih kristala

R

R

RR

R

RO

O

R

R

R

R

RR

COOH17 C8O

CO

O

OC

8 H17

CO

O

OC 8

H 17

H

H 3

COOR = C7H15 COOR = C7H15

21

O O

C12 H

25

C 12H 25

C 12H 25

C12 H

25

H3 C

OO

OO

CH 3

OOCH3

OO

CH

3H 3C

OO

H3COO

N

N

N

NH

HN

N

N

N

R

R

R

R

RR

RRR R R

RR

R

R =C8 H19COOCH2OC12H25R =

13

4 5

6 7

1 hexa-n-alkanoates of benzene; 2 hexa-substituted anthraquinones; 3 tri-substituted benzenes; 4 bipyrene derivates; 5 scyllo-inosithe hexa-acetate; 6 octa-substituted phthalocyanine derivates; 7 hexa-substituted tribenzocyclononene.

Tečni kristali

N NNC O(CH2)6OCO

N CH

O(CH2)11O N N OMe

Nove fazne strukture

SmA faza

CH CHOlefin

C CAcetilen

CH3

CO

OHC

O

OH....

....Kiseli dimer

Uobičajene cenetralne grupe u molekulima

Preko ovih grupa se ostvaruju bočne veze izmeñu molekula

CH NAzometin

(Šifove baze)

CH N

ONitro grupe

O C

OEster

N N

OAzoksi

N N

Azo

CH3

△5-Steroid

Uobičajene krajnje grupe u molekulu

CH3 (CH2)

RO

O

CN

NO2

R2N

ALKiL- mogu biti granate

ALKILOKSI; takoñeETRI

CIJANO

NITRO

AMINO

CRO

O

CR

O

O

F, Cl, Br, I

R2N

ALKILKARBOKSI

ALKILKARBONATi

HALOGENi

AMINO

R može bitiH

Ove grupe osciluju i dovode dotopljenja supstancije

Tečni kristali

OSOBINE TEČNIH KRISTALA

TEČNI KRISTALI-MEZOFAZEčvrsto tečno

kristali izotropno

Termotropni

MezofazeSa porastom temperature može se videti kako nered taste.

Termotropni tečni kristali su indukovani temperaturom.

Liotropni tečni kristali nastaju rastvaranjem u odgovarajućim rastvaračima, najčešće polarnim

Osobine tečnih kristala

• Glavna osobina tečnih kristala je da su krajnje osetljivi na spoljašnje poremećaje kao što su električno polje, magnetno polje i svetlost. Ova njihova osobina se koristi u ureñajima sa tečnim kristalima.

• LC orijentisani paralelno površini a električno polje primenjeno normalnona ćeliju Električnona ćeliju Električno

polje

• Optičke osobine

Dvojno prelamanje ����

Neke oblasti su svetle neke tamne

�ne-niformnodvojno prelamanje

Smektična faza

(a) smektična faza – od grčke reči sapun, σµεγµασµεγµασµεγµασµεγµα

A C

Slojevi su sačuvani ali red izmeñu slojeva je izgubljen

Najsličniji čvrstom stanju i imaju najveću viskoznost

Smektični tečni kristali

Pored orijentacione ure ñenosti

postoji i izvesno pozicioni red

Polimeri

ProteiniDNA

itd…

Nematična faza

(b) nematična faza – od grčke reči za nit, νεµοσνεµοσνεµοσνεµοσ

Slojevi ne postoje ali je zadržana paralelna orijentacija izmeñu molekula. Ako ih posmatramo u tom pravcu izgledaju kao tečnost.

Električno i magnetno polje utiče na nematike

Nematična faza, N

haotičnorasporeñeniali orijentisani

indeks prelamanjavarira zavisno odorijentacije

Thanks to Toby Donaldson

ali orijentisani

Primena nematičnih tečnih kristala

• Električno polje utiče na nematične tečne kristale koji postaju zamagljeni, poluprovidni ili menjaju boju. Pri tome s obzirom da oni reflektuju upadnu svetlost, a ne stvaraju je, troše malo energije zbog čega je njihovo korišćenje veoma ekonomično.

• Primena malih napona (3−5 V) dovodi do promene• Primena malih napona (3−5 V) dovodi do promenepravca duže ose čime se menja indeks prelamanja odnosno boja. Primena većih napona (5−20 V) dovodi do razaranja ureñene strukture tečnog kristala dovodeći do stvaranja mikroskopskih vrtloga koji intenzivno rasejavaju upadnu svetlost usled čega nematik gubi transparentnost i postaje mlečno beo.

• indikatori brojeva i slova • optičke reze i modulatori

Tečno kristalni Displeji

• Niz tankih segmenata poznatih kao PIXEL-iOsnovna strukturna jedinica se sastoji od dve staklene pločice sa tečnim kristalom izmeñu njih

Osnovna jedinica

Prednosti• Troše manje snage od katodnih cevi• Mogu koristiti svetlost sredine(sem kod kompjuterskih monitora)

Nedostaci• Ugao posmatranja• Kontrast • Vreme odgovora

• Tečni kristali su izmeñu dve staklene pločice.– Kristalni sloj je debljine

nekoliko mikrona.

Sloj tečnog kristala• Providan električni provodnikse nanosi na unutrašnju

•Pravac polarizacije

Ravni Panel Displeji-monitori-koriste nematične tečne kristale

Polarizator

Sloj tečnog kristala

Stakleni sloj

Provodnik (Sn ili In2O)

se nanosi na unutrašnju

stranu stakla.• Ukršteno orijentisani

polarizatori su postavljeni preko spoljne strane svake staklene pločice

• Kako rade?– Kada je napon isključen:

• Tečni kristal je u relaksiranom stanju i molekuli su usmereni (tj. orijentisani paralelno jedni drugima).

• Polarizovana svetlost koja prolazi kroz prvi polarizator je nepromenjena usmerenim kristalima i blokirana je drugim

Ravni Panel Displeji-monitori

nepromenjena usmerenim kristalima i blokirana je drugim(ukrštenim) polarizatorom.

Nema propuštene

svetlosti

• Kako rade?– Kada je napon uklju čen:

• provodnici prenose električno polje koje izaziva uvijanje kristala

• kada su kristali prisiljeni da se uvijaju isto je i sa pravcem polarizovane svetlosti

Ravni Panel Displeji-monitori

• nešto ili sva polarizovana svetlost prolazi kroz drugi polarizator.

Svetlost propuštena

• Kako rade?– Veličina napona kontroliše orijentaciju kristala tj.

koliko će se oni uvijati:• Maksimalna količina svetlosti je propuštena kada su prvi i

poslednji tečni kristal normalni jedan na drugi.

Ravni Panel Displeji-monitori

• Minimalna količina svetlsoti je propuštena kada su prvi i poslednji kristal paralelni jedan sa drugim.

• Srednja količina svetlosti je propuštena kada su prvi i poslednji kristal orijentisani pod nekim drugim uglom.

Holesterični tečni kristali

.

xqn

xqn

n

z

y

x

0

0

sin

cos

0

=

==

z 0

Grade ih derivati holesterola. Slojevita struktura, aliparalelno orijentisani molekuli u sledećem sloju zarotirani za mali ugao. Spiralna struktura sakorakom spirale koji odgovara talasnoj dužinividljive svetlosti. Korak spirale a time i elektronska strultura i boja se menjaju sa:• temperaturom, • hemisjkim dejstvom • mehaničkim dejstvom.

• Promena boje prouzrokovana temperaturskim efektima koristi se za registrovanje prostorne temperaturske raspodele ne samo u direktnom kontaktu već i na daljinu(lasersko IC zračenje i temp. profili delova tela ili organa).

• Promena boje može biti izazvana i hemijskim efektima raznih toksičnih gasova i para, bilo njihovim reverzibilnim

Holesterični tečni kristali

• Promena boje može biti izazvana i hemijskim efektima raznih toksičnih gasova i para, bilo njihovim reverzibilnim apsorbovanjem bilo ireverzibilnom reakcijom sa tečnim kristalom. Promena boje je brza i javlja se pri vrlo niskim koncentracijala (ppm) toksičnog agensa.

• Mehanička dejstva (smicanja, pritiska ili savijanja) mogu takoñe da dovedu do promene u strukturi, a time i boji tečnog kristala. Tečni holesterični kristali se stoga koriste za ispitivanje mehaničke otpornosti različitih konstrukcija i otkrivanje nepouzdanih delova ili mesta u njima.

OSOBINE STAKLAStaklasto stanje kao prelazno, karakteriše se osobinama i tečnog i čvrstog stanja. Osobine čvrstog: čvrstoća, krutost, otpornost na sile smicanja kao kristaliOsobine tečnog: optička propustljivost, izotropnostOsobine stakla: pri zagrevanju nemaju oštru tačku topljenja Osobine stakla: pri zagrevanju nemaju oštru tačku topljenja već omekšavaju, imaju mali termički koeficijent širenja, veliku viskoznost i pri stajanju iskristavljuju (vitrifikacija).

Sinonim: amorfna čvrsta stanja i prehlañene tečnosti

Stakla imaju zajedničke osobine sa čvrstim i tečnim stanjem.

Čvrsto staklo te čno

Ureñenost dugog dometaUreñenost kratkog

dometaUreñenost

kratkog dometa

Lome se po ravnoj površiniLome se po krivoj

površiniNe trpe sile

smicanja

Veoma mala pokretljivost Veoma mala pokretljivost

Ograničena Veoma mala pokretljivost

česticapokretljivost čestica

Ograničena pokretljivost čestica

Zadržavaju oblik i vraćaju se u originalni oblik posle

prestanka dejstva poremećaja

Zadržavaju oblik i vraćaju se u

originalni oblik posle prestanka dejstva

poremećaja

Zauzimaju oblik suda u kome se

nalaze zavisno od svoje zapremine

Stakla

• Stakla: prehlañene tečnosti…• Nema stvarnog saznanja koje su vrste

interakcija koje omogućavaju grañenje staklastakla

• Očigledno je da brzo hlañenje može da dovede do stvaranja stakla

Amorfno čvrsto

Mnoga čvrsta stanja nemaju kristalnu strukturu tj. nemaju ureñenost dugog dometa.Takva stanja su amorfna čvrsta stanja. Stakla se mogu smatrati takvim stanjem.

Kristalni SiO2 Amorfni SiO2-staklo

Molekulska ureñenostu kristalu

Molekulska ureñenost u staklu

• Osnovna jedinica:

Si04 tetrahedron4-

Si4+

O2-

• Staklo je amorfno

• Amorfna strukturase javlja pri dodavanju nečistoća

(Na+,Mg2+,Ca2+, Al3+)

• Nečistoće:interferuju formirajući više ili

manje kristalnu strukturu.

STRUKTURA STAKLA

• Kvarc je kristalni

SiO2:

Si4+

Na+

O2-

manje kristalnu strukturu.

(Na staklo) Otvorena prostorna struktura nastaje kada su koordinacioni poliedri (koji se ponavljaju nepravilno u prostoru gradeći nekristalnu prostornu rešetku) mali, ali je naelektrisanje katjona u poliedru veliko, tako da katjonsko odbijanje dovodi do grañenja otvorene strukture.

Stakla• Termin koji se obično koristi za keramike• Grade ih neorganska jedinjenja kao što su SiO2, B2O3,

GeO2, As2O3, As2O5, P2O5, BeF2, GeS2, As2S3 , ali i organske supstancije kao što su glukoza i glicerin.

• Da bi supstancija mogla da se javi u staklastom stanju potrebno je da može da gradi prostornu nekristalnu potrebno je da može da gradi prostornu nekristalnu strukturu koja se odlikuje znatnom rastresitošću, odnosno otvorenošću. Uslov za to su mali koordinacioni poliedri sa velikim nealektrisanjem katjona u njima

• Svaki materijal koji očvršćava i postaje krut bez formiranja pravilne kristalne strukture

• Nema ureñenosti dugog dometa, mada su silikatni tetraedri i dalje meñusobno povezani

Stvaraoci stakla

• Oksidi Si, B, P, Ge, As i Be koji pomažu u stvaranju trodimenzione rešetke i time lako prelaze u staklasto stanje su stvaraoci stakla

•Oksidi Na, K, Ca, Ba sa koordinacionim brojem •Oksidi Na, K, Ca, Ba sa koordinacionim brojem većim ili jednakim 6 su modifikatori stakla

•Intermedijeri su oksidi Al, Mg, Zn, Pb, Ber, Nb, Ta sa koordinacionim brojevima izmeñu 4 i 6 mogu biti i stvaraoci stakla ali i modifikatori

Modifikatori

• Silikatno staklo – čist SiO2

– Topi se na vrlo visokoj temperaturi– Vrlo lomljivo– Visoka viskoznost– Visoka viskoznost

• Teško za proizvodnju• Modifikatori se dodaju staklu da se mreža

otvori i poboljšaju osobine

Modifikatori• Struktura SiO2 stakla može narušiti dodavanjem alkalnih

oksida kao što su Na2O ili K2O. Kiseonični atomi ovih oksida prekidaju mrežu ugrañujući se na mestima gde su dva tetraedra spojena, razdvajajući ih. Svaki tetraedar ima po jedan rogalj slobodan, a alkalni metal se ugrañuje

• intersticijalno u strukturu, dovodeći do gušćeg pakovanja. Ova se mogućnost koristi u tehničke svrhe pakovanja. Ova se mogućnost koristi u tehničke svrhe da bi se Si-O struktura delimično narušila tako da se snizi viskozitet kao i tačka topljenja, kako bi se staklo moglo proizvoditi na nižoj temperaturi.

• Ali, ako se doda suviše alkalnog oksida, tako da se odnos O : Si dovede do 2,5 ili 3,0, staklasta struktura može biti toliko narušena da doñe do rastakljivanja.

Si4+

Na+

O2

• Specifična zapremina (1/ρ) vs Temperatura (T):

staklo(amorno čvrsto)

Specific volume

Tečnost(neureñenost)Prehlañena

tečnost

• Stakla:

• Kristalni materijali: --kristališu na tački mržnjenja, Tm--imaju naglu promenu specifične

zapremine na Tm

OSOBINE STAKLA

Specifična zapremina

(amorno čvrsto)

T

kristal(tj. ureñeno) čvrsto

TmTg

• Stakla: --ne kristališu

--specifična zapremina postepeno

varira sa T

--Temperatura prelaza u staklasto

stanje, TgTemperatura prelaza stakla je temperatura na kojoj se

menja nagib zavisnosti specifične zapremine od temperature.Temperatura topljenja za kristale je temperatura na kojoj se

javlja naglo, diskontinualno smanjenje specifične zapremine u funkciji temperature.

η, KC,KB

ηKBmax

KC-broj kristalizacionihcentaraKB-brzina kristalizacije

Temperatura

KCmax

Presek kompjuterske simulacijestrukture 15K2O·75SiO2(K15) 15K2O·75SiO2(K15) stakloK je ljubi čast, kiseonik crven, SiO 4

4-

tetraedar je siv

Sastav komercijalnog stakla

Obrada stakla presovanjem

Smekšanamasa

Modelovanje izduvavanjemSmekšano staklo

Proces izvlačenja stakla