Головна
Банківська справа  |  БЖД  |  Біографії  |  Біологія  |  Біохімія  |  Ботаніка та с/г  |  Будівництво  |  Військова кафедра  |  Географія  |  Геологія  |  Екологія  |  Економіка  |  Етика  |  Журналістика  |  Історія техніки  |  Історія  |  Комунікації  |  Кулінарія  |  Культурологія  |  Література  |  Маркетинг  |  Математика  |  Медицина  |  Менеджмент  |  Мистецтво  |  Моделювання  |  Музика  |  Наука і техніка  |  Педагогіка  |  Підприємництво  |  Політекономія  |  Промисловість  |  Психологія, педагогіка  |  Психологія  |  Радіоелектроніка  |  Реклама  |  Релігія  |  Різне  |  Сексологія  |  Соціологія  |  Спорт  |  Технологія  |  Транспорт  |  Фізика  |  Філософія  |  Фінанси  |  Фінансові науки  |  Хімія

Властивості рідких кристалів - Фізика

Пояснювальна записка

Елективний курс «Рідкі кристали та їх сьогодення» призначений для поглибленого вивчення властивостей і застосування ЖК, учнями 11 класу. Все частіше ми стали зустрічатися з терміном «рідкі кристали». Ми всі часто з ними спілкуємося, і вони грають важливу роль в нашому житті. Багато сучасні прилади та пристрої працюють на них. До них відносяться годинник, термометри дисплеї, монітори та інші пристрої. Що ж це за речовини з таким парадоксальним назвою «рідкі кристали» і чому до них проявляється настільки значний інтерес? У наш час наука стала продуктивною силою, і тому, як правило, підвищений науковий інтерес до того чи іншого явища чи об'єкту означає, що це явище або об'єкт становить інтерес для матеріального виробництва. В цьому відношенні не є винятком і рідкі кристали. Інтерес до них, перш за все, обумовлений можливостями їх ефективного застосування в ряді галузей виробничої діяльності. Впровадження «рідких кристалів» означає економічну ефективність, простоту і зручність.

Мета курсу:

- Формування інтересу і позитивної мотивації до продовження освіти і свідомого вибору професійної діяльності;

- Формувати позитивну мотивацію навчання на уроках фізики;

- Познайомити учнів з провідними розробками в області РК;

- Активізувати пізнавальну діяльність школярів;

Завдання:

1. Ознайомити учнів з основами теорії рідких кристалів;

2. підвищити інформаційну компетентність учнів;

3. Ознайомити з основами застосування рідких кристалів у практичній діяльності людини;

4. Активізувати пізнавальну діяльність школярів;

Програма розрахована на 12 годин, для фізико-математичного профілю. У зміст курсу входять теми:

I. Історія ЖК

Розповідь про історію відкриття цього дивного стану речовини. Про те як про нього забули практично на століття. А так же про тріумфальне повернення.

II. Рідкі кристали їх види і ефекти

Тут ми розповімо про види і деякі властивості ЖК. Переглянемо науково-популярний фільм «Рідкі кристали».

III. Фізичний принцип дії пристроїв на рідких кристалах.

У даному розділі будуть наведені приклади докладного фізичного принципу дії деяких приладів на ЖК.

IV. Рідкі кристали сьогодні і завтра.

Тут ми розглянемо декілька технічних ідей застосування рідких кристалів, які поки що не реалізовані, але можливо в найближчі кілька років послужать основою створення пристроїв, які стануть для нас такими ж звичними, якими зараз є транзисторні приймачі.

Даний курс найбільш ефективний і необхідний при освоєнні поглибленого вивчення фізики. У той же час структура курсу включає окремі теми, досліджуваної програми, наприклад «фізика твердого тіла» «властивості рідин».

Зміст курсу і його організаційно-методичне забезпечення вибудовується таким чином, щоб предмет навчальної діяльності стимулював розвиток ряду компетентностей і формування універсальних здібностей учнів. Очікуваний позитивний педагогічний ефект курсу пов'язаний з успішною самореалізацією школярів у навчальній діяльності і можливістю обґрунтованої професійної орієнтації.

Основні форми організації навчальних занять:

- Лекція вчителя;

- Самостійна робота над реферативной і теоретичною частиною;

- Консультація з учителем;

- Групова робота щодо вирішення проблеми;

- Захист роботи.

Додаткові форми навчання та навчання пов'язані з роботою над творчим проектом; самостійною роботою з джерелами в бібліотеці, інтернеті.

Форми контролю досягнень учнів.

Робота в рамках курсу оцінюється комплексно. По-перше, за формою і змістом поданих матеріалів, як в письмовому, так і вербальному варіанті. По-друге, більша частина навчальної діяльності відбувається за безпосередньої співучасті вчителі, і це дозволяє вести моніторинг особистісного зростання учня в ході занять. По-третє, групова робота дозволяє учням оцінити один одного при колективно-розподіленої діяльності.

Форми контролю повинні бути різноманітними, щоб можна було врахувати індивідуальні навчальні стилі учнів та їх здатності.

Навчально-тематичний план

Пропонується наступна послідовність викладу навчального матеріалу:

I. Про історія ЖК (2:00).

1. Історія розвитку уявлення про рідких кристалах

Дослідження австрійського вченого-ботаніка Рейнітцера.

Утворення специфічного агрегатного стану - рідкокристалічного (плавлення кристалів деяких речовин).

2. Про формах і видах РК / Структурні форми і формули

II. Рідкі кристали їх види та основні властивості (6:00).

1. нематической рідина

2. холестерические рідина

3.Смектіческая рідину. Перегляд фільму «» Рідкі кристали »

4. Роботи В.К. Фредерікса і В.Н. Цвєткова

5. Явища двулучепреломления - типово кристалічний ефект, який полягає в тому, що швидкість світла в кристалі залежить від орієнтації поляризації світла.

Оптична активність рідких кристалів та їх структурні властивості.

6. Групова робота «Ефективність технічних додатків рідких

кристалів »(по роботах І.Г. Чистякова, А.П. Капустіна, С.А.

Бразовокого, С.А. Пикина, Л.М. Блінова та інших дослідників).

III. Фізичний принцип дії пристроїв на РК (2 години).

1.Жідкокрісталліческіе телевізори.

У мікроелектроніці рідкі кристали привабливі тим, що споживають мінімальну енергію, рідко - кристалічні плівки займають мініатюрний об'єм.

2. Термографія.

Додатковий матеріал «Перстень настрою».

Секрет персня настрої пов'язаний дивовижними оптичними властивостями. Колір камінчика персня дотримувався за настроєм власника, пробігаючи всі кольори веселки від червоного до фіолетового, залежно від зміни температури шкіри людини

IV. Про перспективи застосуваннях рідких кристалів (3:00).

1. Просторово - часові модулятори світла.

Оптичний мікрофон.

Рідкі кристали, що зменшують тертя майже до нуля.

2. Обговорення та оцінювання проектів, виконаних учнями.

Зразкові теми:

- Як зробити стереотелевізора.

- Окуляри для космонавтів.

- Фотоапарат, що містить жидко - кристалічні пристрою.

3. Підсумкова конференція, обговорення основних питань курсу.

Зміст досліджуваного курсу

Глава I. Про- історія ЖК

1.1 Історія розвитку уявлення про рідких кристалах

Cо часу проведення першого Міжнародній конференції з рідких кристалів (РК), яка відбулася в 1965 р в Кентском університеті (США), зв'язок цих систем з різними аспектами лазерної, дисплейної техніки, інформаційних оптичних технологій, термооптікі, медицини, ін. Стала предметом жвавої полеміки. Дійсно, ЖК, будучи унікальною мезоморфним фазою речовини, поєднують в собі властивості як твердих тіл (наявність далекого орієнтаційної порядку і прояв брегговскіх дифракції), так і рідин (прояв плинності, в'язкості).

З точки зору історії питання цікаво, що саме відкриття проміжного рідкокристалічного стану речовини приписується австрійському ботаніку Фрідріху Рейнитцер, який отримав ефір холестерину - холестерилбензоат і виявив, що у цього з'єднання є дві точки плавлення, при яких відбуваються фазові переходи різного характеру. При 145.5 ° С структура твердого холестерилбензоат руйнувалася, він перетворювався на каламутну рідину (тепер ми говоримо - рідкий кристал), яка при подальшому нагріванні до 178.5 ставала прозорою. Ці спостереження показали, що у холестерилбензоат є три різні фази: тверда, жидкокристаллическая і рідка. Рейнитцер описав свій експеримент в статті, опублікованій в одному їх хімічних журналів в 1888 р Звертає на себе увагу незвичайно делікатний склад листа, який Рейнитцер написав німецькому фізику Отто Леману: «Насмілюся просити Вас досліджувати більш ретельно фізичну изомерию двох доданих речовин. Вивчаючи ці речовини, вдається спостерігати такі чудові і прекрасні явища, що, я сподіваюся, вони виявляться надзвичайно цікавими і для Вас ... ». Незабаром Леман провів систематичне дослідження органічних сполук і знайшов, що вони за своїми властивостями схожі на холестерилбензоат. Кожне із з'єднань вело себе як рідина за своїми механічними властивостями і як кристалічна тверде тіло - за оптичними властивостями. Леман показав, що каламутна проміжна фаза - це кристалоподібні структура і запропонував для неї термін «рідкий кристал» - Flussige Kristalle.

Потім Фрідель вказав, що назва «рідкий кристал» вводить в оману, тому що відповідні речовини не є ні реальними кристалами, ні реальними рідинами. Він запропонував називати ці сполуки мезоморфним і розділив їх на три класи.

Сполуки, що мають властивості, схожі з милами він назвав смектичними (товщина шару в смектіческіх ЖК порядку довжини молекул і становить 20 A), далі йшли нематические структури, схожі зі смектік за своїми оптичними властивостями, а потім - холестерические системи (в холестерических ЖК молекули укладені в шари товщиною близько 2000A), оскільки до них відносилося велике число похідних холестерину. Зауважимо, що сам Фрідель не рахував холестерические ЖК окремим класом і розглядав їх як нематические ЖК. Так що ж презентує із себе рідкий кристал?

Рідкий кристал - стан речовини, проміжне між рідким і твердим станами. У рідині молекули можуть вільно обертатися і переміщатися в будь-яких напрямках. У кристалічному твердому тілі вони розташовані по вузлах правильної геометричної сітки, званої кристалічною решіткою, і можуть лише обертатися в своїх фіксованих позиціях. У рідкому кристалі є деяка ступінь геометричній упорядкованості в розташуванні молекул, але допускається і деяка свобода переміщення.

Малюнок I. Збільшене зображення рідкого кристала

Майже всі рідкі кристали, виявлені на сьогоднішній день, є органічні сполуки; приблизно 50% всіх відомих органічних сполук при нагріванні утворюють рідкі кристали. У літературі описані також рідкі кристали деяких гідроксидів (наприклад, Fe2O3 · xH2O).

Рідкі кристали, рідкокристалічний стан, мезоморфное стан - стан речовини, у якому воно володіє властивостями рідини (плинністю) і деякими властивостями твердих кристалів (анізотропією властивостей). ЖК утворюють речовини, молекули яких мають форму паличок або витягнутих пластинок. Розрізняють термотропниє і ліотропні ЖК. Перші - індивідуальні речовини, які існують в мезоморфному стані в певному температурному інтервалі, нижче якого речовина є твердим кристалом, вище - звичайною рідиною. Приклади:

параазоксианізол (в інтервалі температур 114-135 ° С), етиловий ефір азоксибензойної кислоти

(100-120 ° С), пропіловий ефір холестерину (102-116 ° С). Ліотропні РК - розчини деяких речовин в певних розчинниках. Приклади: водні - бензил-L-глутамат) gраствори мильні розчини синтетичних поліпептидів (полі-у ряді органічних розчинників (діоксан, дихлоретан). []

Зараз відомо вже близько сотні тисяч органічних речовин, які можуть перебувати в ЖК - стані, і число таких з'єднань безперервно зростає. Якщо перші десятиліття після відкриття рідких кристалів основними представниками цих сполук були тільки речовини, які з асиметричних молекул стержнеобразной форми, так звані каламітікі (від грец. "Каламіс" - очерет), то згодом було виявлено, що в ЖК - стан можуть переходити найрізноманітніші речовини, що мають молекули більш складної форми (диски, пластини та ін.). Молекули РК - з'єднань дуже часто називають мезогенних, а угруповання чи фрагменти молеку, що сприяють формуванню РК фази, - мезогенних групами. У таблиці 1 наведені приклади стержнеобразних мезогенних - каломітіков, а також хімічні формули дископодібних (діскотікі) і планкообразних мезогенних (санідікі) (від грец. "Санідіс" - планка).

Серед мезогенних груп найчастіше зустрічаються бензольні кільця, пов'язані безпосередньо один з одним за допомогою різних хімічних угруповань (-CH = CH-, -CH = N-, -NH-CO та ін.). Характерною особливістю всіх РК - сполук є асиметрична форма молекул, що забезпечує анізотропію поляризуемости і тенденцію до розташування молекул переважно паралельно один одному уздовж їх довгих (каламітікі і санідікі) і коротких (діскотікі) осей.

Типові приклади хімічних сполук, що утворюють РК - фазу.

Глава II. Рідкі кристали, їх види і ефекти

Рідкі кристали (РК) - особливе термодинамічний стан речовини, проміжне між кристалічним твердим тілом і аморфної рідиною і характеризується певним порядком в розташуванні молекул. У цьому стані має місце анізотропія механічних, електричних, магнітних і оптичних властивостей. Здатність цілого ансамблю РК-молекул переорієнтуватися в магнітному полі була вперше вивчена В. Фредеріксом і

В. І. Цвєтковим. Дія електричного поля при опроміненні ЖК когерентним випромінюванням досліджувався С. А. ПІКІН, Л. М. Блінова, А. С. Сонін і розглянуто в роботах .Классіфікація ЖК була запропонована О. Леманном, потім розширена М. Г. Фріделем.

За цією класифікацією виділяють три типи рідких кристалів - нематические, холестерические і смектичні. ЖК, що входять в кожну з груп, розрізняються фізичними, насамперед оптичними властивостями. Ця відмінність випливає з їхньої структури.

Нематической рідину. (Фото приложение1)

Рідини сильно відрізняються від газів і твердих кристалів. Атоми або молекули, з яких складається рідина, не можуть розійтися на як завгодно велику відстань один від одного. Це означає, що в рідині дуже важливі сили притягання між атомами або молекулами. Те ж саме можна сказати і про твердому кристалі, але в кристалі ці сили настільки великі, що атоми змушені займати в ньому певні місця, утворюючи тривимірну кристалічну решітку. У такій решітці завжди є виділені напрямки, звані осями кристала. Уздовж цих напрямків атоми розташовуються в строго періодичному порядку. У звичайній рідини немає ніяких виділених напрямів, вона не має власної формою, тому що молекули рідини не настільки міцно пов'язані один з одним і можуть переміщатися в просторі - перескакувати з місця на місце.

Таким чином, в текучої рідини молекули тільки в середньому знаходяться на деякій характерному відстані один від одного. Відповідь на питання, як взаємодіють між собою молекули і чому одно середня відстань а між ними, дає квантова механіка. Виявляється, що на великих відстанях між молекулами їх взаємодія визначається силами тяжіння, а на дуже малих відстанях - силами відштовхування.

Отже, молекули не можуть зблизитися на як завгодно малу відстань через дуже великих сил відштовхування - в цьому випадку говорять, що молекули не можуть проникати один в одного.

На відстані а, приблизно дорівнює розміру молекул, сила, що взаємодіє між молекулами, стає рівною нулю.

Так влаштована звичайна рідина, що складається з відносно простих молекул або атомів. Однак нас чекає чудове відкриття, якщо молекули мають яскраво виражену анізотропну форму, тобто якщо у молекул можна чітко виділити які-небудь характерні осі.

Рис.1

Такі молекули схематично зображені на ріс1. У них атоми розташовуються не, як попало, а збудовані вздовж певної лінії (ріс1, а) або лежать у виділеній площині (ріс1, б).

Взаємодія молекул такої форми приводить до того, що в рідкому стані вони не тільки утримуються на деякій середній відстані один від одного, але можуть зберігати певний порядок у своєму відносному розташуванні - довгі осі молекул (рис2, а) або площини молекул (рис2, б) виявляються паралельними один одному.

Рис. 2

У такій незвичайній рідини з'являється особливий напрямок, як в твердому кристалі, вздовж якого орієнтуються виділені осі молекул. Ця схожість між кристалом і описаної дивовижною рідиною і провело до з'єднання двох понять в одне нове - «рідкий кристал». А рідкий стан (рис2) називають нематической рідким кристалом. Назва «нематічекій» утворено від грецького слова ?? - нитка. У рідких кристалах під мікроскопом видно тонкі рухливі нитки, які являють собою дефекти структури. В ідеальному рідкому кристалі таких ниток немає.

Розглянемо тепер сили, що діють в нематической рідини. Ці сили - електричного походження. Цікаво, що сила тяжіння виникає між двома атомами або молекулами, які самі по собі є електрично нейтральними. Подивимося, як це виходить.

Уявімо собі, що з якоїсь причини в атомі відбулося зміщення негативно заряджених електронної хмари щодо позитивно заряджених ядра. Такий атом можна розглядати як сукупність двох різнойменних точкових зарядів, однакових за абсолютною величиною, що знаходяться на деякій відстані один від одного (3, а). Подібну систему зарядів називають електричним диполем. В околиці атома-диполя виникає електричне поле. Напруженість цього поля швидко убуває при видаленні від атома, але поблизу атома поле досить велике. Якщо в околиці атома I потрапляє нейтральний атом II (3, б), то електричне поле атома I повинно змістити заряди електронів і ядра атома II (3.б). Таке відносне зміщення зарядів в атомі II повинно в свою чергу, створювати електричне поле, що підтримує розділення зарядів в атомі I. З малюнка 3 б бачимо, що разноименно заряджені частинки атомів повинні притягувати один одного. При зближенні атомів між ними починають діяти сили відштовхування. На відстані, приблизно рівному розміру атомів, сили взаємодії між атомами дорівнюють нулю. Точно таке ж міркування ми можемо провести і щодо двох молекул, що складаються з декількох десятків атомів. Нейтральні молекули повинні притягувати один одного за рахунок утворення електричних диполів-атомів.

Рис 3

Дійсно, молекули повинні притягуватися. Але як? Ясно, що з описаних вище причин більша частина атомів молекули прагне опинитися поблизу атомів іншої молекули, так як тільки в цьому випадку сили взаємодії між молекулами звертаються в нуль. Але така ситуація можлива тільки тоді, коли довгі осі молекул паралельні один одному. Таким чином, виникає певний порядок в орієнтації молекул і з'являється виділений напрям. Цей напрямок можна характеризувати одиничним вектором (ріс1,2).

Зрозуміло, таке паралельне розташування виділених осей молекул можливо тільки при достатньо низькій температурі, коли теплові поштовхи не настільки сильні, щоб зруйнувати орієнтаційний порядок в системі молекул. При підвищенні температури обов'язково настає момент, коли хаотичний тепловий рух молекул стає переважаючим і нематический порядок руйнується.

Таким чином, система таких особливих молекул може мати два стани: звичайне (изотропное) рідке - при високих температурах і анізотропне рідке - при низьких температурах. Підкреслимо, що нематический рідкий кристал може бути дійсно рідким, як вода, тобто центри мас молекул не утворює в даному випадку якусь правильну решітку, як у кристалі, а розташовуються хаотично в просторі і можуть в ньому вільно переміщатися. У той же час орієнтація молекул в цій рідині підпорядковується строгому порядку. Цікаво, що нематической рідина, утворена молекулами витягнутої форми відома вже багато десятків років, в той час як нематической рідину з дископодібних молекул відкрита тільки в 1979-1980 роки. [9]

Холестеричних рідина.

Структура холестерической рідини багато в чому схожа з нематической, але має одну істотну відмінність. Можна сказати, що холестерика володіє нематической станом пошарово, тобто складається з стопки нематических шарів (Ріс4, а). але осі цих паралельних один одному шарів розгорнуті на деякий кут, причому для двох сусідніх шарів цей кут складає малу величину ? = 0,5 °. Відстань між сусідніми шарами приблизно дорівнює поперечного розміру молекули а. якщо рухатися вздовж осі Z, перпендикулярної площині шарів, то через число шарів N = ? / а орієнтація молекул стане такою ж, як і в самому першому шарі. Відстань h = а * 2? / а, через яке повторюється орієнтація молекул в просторі, являє собою подвоєний період своєрідної решітки (Ріс4, б). Величину h прийнято називати кроком спіралі, яку утворюють в просторі кінці молекул, що лежать в послідовних шарах.

Описана періодична решітка - її називають холестерической спіраллю - дивовижна тим, що чітка періодичність в ній стосується тільки орієнтації молекул. У той же час в кожному нематической шарі молекули можуть вільно переміщатися, мінятися місцями; словом, холестеричних рідина вільно тече вздовж таких площин, але спіраль при цьому майже не порушується.

Рис. 4

Молекули можуть переміщатися і з шару в шар, повертаючись при цьому на кут ?, але це дається їм не так легко. Все це і визначає особливі властивості холестерической рідини, схожі за властивостями твердого кристала. Особливості структури холестерической рідини найбільш сильно проявляються при зміні температури речовини, і при різних зовнішніх впливах. Холестеричних спіраль володіє яскравими оптичними властивостями, чутлива до найменших пошкоджень такою своєрідною решітки. Все це викликало величезний інтерес до вивчення і застосування холестеричних рідких кристалів. Чим викликана така структура холестерика?

Пояснення полягає в особливості будови молекул, з яких складаються ці речовини. Молекули холестерика - майже такі ж, як в нематической рідини, але мають на своєму кінці невеликий відросток (рис5, а). Цей відросток утворюється зазвичай одним або декількома атомами, які виступають з основної площині, що містить переважна більшість атомів молекули. Симетрія молекули порушується через відростка і нагадує симетрію руки, яка буває тільки правою і тільки лівою.

Як позначається така форма молекул на орієнтаційному порядку рідини? Подібні молекули можна розташувати паралельно один одному в певній площині, наприклад в площині, в которойлежат самі молекули. Саме ці площини і утворюють окремі шари холестерика (рис5, б). А як можуть бути «прибудовані» один до одного ці шари? Очевидно, що молекули шару 2 можуть бути паралельні молекулам шару 1, якщо шари розташовані один від одного на відстані, приблизно рівному висоті відростків. У цьому випадку відростки не заважають молекулам залишатися паралельними.

Рис. 5

Якщо відстань між шарами менше висоти відростків, то вектори n1 і n2 не можуть бути строго паралельні - заважають відростки. Тому між векторами n1 і n2 є малий кут ?.

Таким чином, ми приходимо до висновку, що несиметричні молекули повинні утворювати стопку нематических шарів, причому від шару до шару молекули повинні повертатися на певний кут ?. Залежно від того, як вигнуті відростки окремих молекул, холестерические спіралі можуть бути або правими, або лівими. [8]

Рідкокристалічні розчини.

Рідкокристалічний стан можна отримати і при розчиненні підходящих речовин в розчиннику, наприклад у воді, який сам по собі не утворює рідкий кристал. При цьому виходить самі різні рідкі кристали. Якщо молекули розчиняється речовини мають форму стрижня - виходить нематической рідина; якщо у стержнеобразних молекул є відростки - холестеричних рідина. Можна отримати і більш складні стану.

У таких рідких кристалах важливу роль відіграють не тільки сили тяжіння між молекулами, але і сили відштовхування молекул на близьких відстанях. Роль сил відштовхування можна наочно уявити собі таким чином. У великому обсязі при високій температурі молекули, наприклад стержнеобразние, не підкоряються ніякому ориентационному порядку, тобто повертаються в просторі як завгодно. Але щоб при всіляких поворотах молекули не заважали один одному, треба кожній молекулі відвести в рідині певний обсяг. Цей обсяг являє собою кубик з розміром ребра, приблизно рівним довжині молекули l; в межах такого кубика з об'ємом l3молекула дійсно може бути орієнтована як завгодно.

Помістимо тепер теж число молекул при тій же температурі в менший обсяг, тобто підвищимо щільність системи. В результаті на кожну молекулу стане припадати обсяг, менший, ніж l3. Як розміщуватимуться молекули в цьому випадку? Природно, вони зможуть розміститися в меншому обсязі, якщо не будуть повертатися як завгодно, зачіпаючи один одного, а займуть більш-менш паралельні положення. Якщо розмір поперечного перерізу молекул а помітно менше l і на кожну молекулу доводиться обсяг ~ а2l, то всі молекули мають бути орієнтовані однаково, так як тільки в цьому випадку вони не зачіпають один одного. Але це може лише статися у разі дуже високої щільності. При середній щільності, коли на кожну молекулу доводиться обсяг, менший, ніж l3, але більший ніж а2l, орієнтаційний порядок буде неповним, але помітним. І пов'язаний цей порядок з тим, що молекули не можуть через сильний відштовхування проникати один в одного.

Щільність стержнеобразних молекул можна змінювати без помітної зміни загального об'єму рідини, коли такі молекули розчиняються в якому-небудь звичайному розчиннику, наприклад у воді. Підвищуючи вміст води у відповідному розчині, ми отримуємо звичайну неорієнтовану рідину. При дуже малому ж змісті розчинника утворюється нематической або холестеричних рідина, залежно від деталей структури молекул. Розчини полімерних молекул є якраз нематічеськимі рідкими кристалами.

Роботу клітин живого організму багато в чому визначають рідкі кристали-розчини, які утворюються із спеціальних молекул. Ці молекули влаштовані більш складно. Їх взаємодія один з одним і з молекулами розчинника характеризуються силами відштовхування і силами електростатичного притягання. Вона складається з невеликої головки (ріс6, а), що представляє собою електричний диполь, і довгого незаряжённого хвоста.

Рис.6

Нагадаємо, що молекули води - теж електричні диполі. Протилежно заряджені кінці диполів притягуються один до одного, і тому молекулярні головки притягують воду. У теж час хвости молекул хімічно влаштовані так, що вони відштовхують воду, як молекули жирів або воску. [4]

Смектична рідину.

Будова особливих молекул, описаних вище, пояснює велику різноманітність структури рідких кристалів-розчинів. Наприклад, при певній концентрації таких молекул у воді можуть виходити рідкі кристали, в яких молекули не тільки однаково орієнтується, але і утворюють жорстку кристалічну решітку. Тільки ця решітка лише частково схожа на звичайну решітку твердого тіла, періодичну в трьох взаємно перпендикулярних напрямках. Таких напрямів в особливих рідких кристалах може бути тільки два або навіть одне.

На малюнку 6, б зображена стопка шарів, що утворюються при не дуже малій концентрації молекул у воді. Хвости молекул як би «ховаються» від води за оболонками з дипольних головок. Вода є прошарком між подвійними шарами молекул. Стопка таких шарів утворює кристалічну решітку, періодичну тільки в одному напрямку - уздовж осі Z. У цьому напрямку жорсткість решітки майже така ж, як в твердому тілі, в той час як в поперечних напрямках шари можуть вільно ковзати, тобто вздовж шарів система поводиться як рідина. Така структура на кшталт милу, тому такі рідкі кристали називаються смектичними. Вони схожі на холестерика своєї слоистостью, але періоди решіток в цих двох випадках різні. У холестериках період становить кілька тисяч ангстрем, а в смектік - кілька десятків ангстрем (що відповідає довжині молекули).

При певній концентрації розчину виникає кристалічна решітка, періодична в двох напрямках. При цьому дипольні молекули збираються в рідкі стовпчики або «нитки», які і утворюють таку решітку, схожу на стопку олівців (ріс7, а). Подібні частково тверді кристали існують не тільки в розчинах. Ними можуть бути і окремі речовини, що змінюють свій стан при зміні температури. При цьому зазвичай з пониженням температури стану змінюються в такій послідовності: звичайна рідина - нематической рідина або холестерика - смектік - твердий кристал. Довгий час не знаходили рідкокристалічних речовин з гратами, періодичними в двох напрямках, але нещодавно були виявлені і вони.

На рис 7, б така решітка, утворена рідкими стовпчиками дископодібних молекул. Цікаво, що в останньому випадку існує і орієнтаційний порядок: площині дисків в стовпчику паралельні один одному, хоча центри дисків розташовуються хаотично уздовж осі рідкого стовпчика.

Рис. 7

Ефект Фредерікса.

Найбільше враження справляють оптичні властивості рідких кристалів, які зробили ці об'єкти настільки популярними. У рідких кристалах напрямок оптичних осей можна змінювати за допомогою самих різних впливів, у тому числі електричними або магнітними полями. Ефект зміни напрямку орієнтації молекул в нематической рідини під дією поля спостерігався ще в передвоєнні роки відомим радянським ученим В.Фредеріксом і носить тепер його ім'я. Користуючись популярними зараз електронними годинниками та калькуляторами на рідких кристалах, ви спостерігаєте це явище - ефект Фредерікса.

Перш ніж описати ефект Фредерікса, необхідно нагадаємо, що таке поляризоване світло. У промені поляризованого світла вектор напруженості електричного поля Е коливається вздовж єдиного спрямування. Звичайний природне світло не має такої певної поляризації, так як він складається з усіляких хвиль, кожна з яких має довільний напрямок коливань вектора Е, а всі разом вони складають неполяризоване світловий пучок. Особливі кристали - поляризатори - перетворять неполяризоване світло в лінійно поляризоване, оскільки вони можуть пропускати крізь себе тільки хвилі, в яких вектор Е орієнтований зовсім виразно по відношенню до оптичної осі поляризатора. Наприклад, кристал турмаліну пропускає крізь себе лише світло, поляризований вздовж оптичної осі цього кристала, в той час як хвилі з перпендикулярної поляризацією їм сильно поглинаються.

Якщо на шляху світлового пучка розташувати два поляризатора, осі яких паралельні, то світло пройде крізь оптичну систему, показану на ріс8, а, а якщо осі поляризаторів схрещені, то світло крізь цю систему пройти не зможе (ріс8, б).

Рис.8

Помістимо тепер між двома схрещеними поляризаторами два скла, а між ними - нематической рідину, попередньо злегка пополіровав скла вздовж певного напрямку. Така полірування стекол потрібна для того, щоб зорієнтувати в заданому напрямку оптичну вісь рідкого кристала (n). Наприклад, при паралельній поліровці стекол молекули, які прилипли до стекол паралельно мікробороздам на скляній поверхні, задають завдяки описаним міжмолекулярної взаємодії таку ж орієнтацію вектора n і в глибині шару нематической рідини (ріс9, а). Якщо неполіровані стекла попередньо обробити спеціальними хімічними речовинами, то можна домогтися орієнтації осі n перпендикулярно скляної поверхні (ріс9, б).

Нарешті, якщо поліровані стекла розгорнути перпендикулярно один одному, то можна отримати закручену по товщині шару орієнтацію вектора n (ріс9, в).

Як же проходить поляризоване світло крізь орієнтований шар нематической рідини і крізь зображені оптичні системи взагалі? Якщо поляризація світла паралельна осі n, то світло проходить крізь рідкий кристал, не змінюючи своєї поляризації (9, а). Те ж відбувається і в разі, якщо поляризація світла перпендикулярна оптичній осі (ріс9, б). У разі закрученої орієнтації n поляризація світла також повертається слідом за віссю n (ріс9.в).

Що ж відбувається в шарі рідкого кристала при проходженні через нього світла? У рідкому кристалі, поле проходить світлової хвилі призводить до поділу зарядів в молекулах і виникнення дипольних коливань.

Припустимо, що в молекулі кристала електрони легко зміщуються вздовж довгої осі молекули, тобто вздовж напрямку n. Тоді у випадку, зображеному на малюнку 9 а, по товщині шару поширюються падаюча хвиля і вторинні хвилі, причому вектори Е в хвилях збігаються за напрямком. У випадку, зображеному на малюнку 9 б диполі не утворюються і вторинні хвилі не випромінюються; значить, падаюча хвиля проходить, чи не ослабляючись. Нарешті, у разі 9 в поляризація світла змінює свій напрямок відповідно до поворотом оптичної осі n по товщині шару. Поворот вектора Е в такт з віссю n забезпечує випромінювання вторинних хвиль, не послабляти на будь-якій глибині шару. (Це інтерференційне явище можливо тоді, коли на шляху світлового променя знаходяться численні диполі - джерела вторинних хвиль, тобто коли товщина шару набагато більше довжини хвилі світла).

Так світло проходить крізь шар нематической рідини і доходить до другого поляризатора. І тут виникає вже знайома нам ситуація. У випадках а і б (ріс9) світло крізь оптичну систему пройти не може, а у випадку в (ріс9) він проходить безперешкодно. А тепер уявімо собі проміжний випадок, коли осі n на стінках схрещені між собою, але в товщі шару, завдяки якомусь впливу, вони повернулись майже перпендикулярно склу. У цій ситуації світло практично не проходить крізь другий поляризатор. Залишився ще один крок до масового застосування подібної системи. Треба навчиться керувати оптичною віссю нематической рідини так, щоб у відсутності впливу ця вісь орієнтувалася, як на малюнку 9 в, а при включенні впливу вона нахилялася на помітний кут, як на малюнках 9, б і р Після виключення впливу, молекули займають свої колишні позиції, внаслідок умов на скляних поверхнях і взаємодій між собою.

Виявилося, що саме в нематичних рідких кристалі це дуже просто зробити за допомогою електричного поля, уклавши шар між полірованими стеклами, на які нанесені прозорі електроди.

Рис.9

Підключивши до цих електродів слабеньку батарейку і замкнувши ланцюг, ми зробимо нашу оптичну систему світлонепроникною, а розімкнувши ланцюг - прозорою, що і здійснив вперше Фредерікс.

Чому електричне поле повертає молекули так, як нам потрібно, і наскільки сильним воно при цьому повинно бути? Відповідь на першу частину питання легко дати за допомогою малюнка 10. Нехай молекула, у якої диполь легко утворюється вздовж довгої осі, знаходиться в електричному полі і між векторами Е і n є деякий кут. Тоді в утворився диполі на заряди + Q і -Q діють сили F + = + QE і F- = -QE; таким чином, виникає пара сил, що створює крутний момент.

Цей момент сил і повертає молекулу так, щоб вона своєю довгою віссю орієнтувалася уздовж вектора Е.

Рис.10

Тут важливо зауважити, що насправді необхідно повернути одночасно дуже велике число таких молекул, але при цьому немає необхідності повертати кожну молекулу окремо. Оскільки молекули, які взаємодіють між собою, орієнтовані однаково, то досить штовхнути одну, щоб інші дружно повернулися слідом за першою. Тому для здійснення описаного ефекту необхідне деяке кінцеве значення різниці потенціалів на електродах - порогове напругу. Це порогове значення визначається з умови рівності моментів двох сил: сили, що діють з боку електричного поля, і повертає сили взаємодії між молекулами, яка прагне орієнтувати молекули так, як зорієнтовані молекули, які прилипли до скла. Виявляється, що незалежно від товщини шару, порогове напруга може становити частки вольта, причому товщина шарів становить соту частку міліметра. Це у багато разів менше, ніж потрібно для отримання таких же оптичних ефектів в твердих кристалах, що й зумовило величезний практичний інтерес до рідких кристалів при створенні циферблатів всіляких типів.

III Фізичний принцип дії пристроїв на ЖК

Рідкокристалічні телевізори.

Розглянемо приклад досягнення наукових досліджень у процесі створення рідкокристалічних екранів, відображення інформації, зокрема рідкокристалічних екранів телевізорів.

Рідкокристалічний дисплей (LCD - Liquid Crystal Display).

Принцип роботи рідкокристалічного дисплея полягає в наступному - світло від лампи підсвічування проходить через перший поляризатор і скляну пластину, поляризуємо у вертикальній площині. Шар рідких кристалів розташований між двома прозорими пластинами, на них нанесені прозорі електроди, що підводять електрику до кожної клітинки матриці. Пластини оброблені так, що рідкі кристали орієнтуються між ними певним чином. При проходженні через світлофільтр промінь забарвлюється в один з трьох кольорів (червоний, зелений, синій). Після світлофільтру розміщується другий поляризатор, розгорнутий на 90oотносітельно першого. Якщо на клітинкуне подати напругу, то світло при проходженні крізь шар рідких кристалів не міняє площини поляризації і не може пройти крізь другий поляризатор. Цей осередок виглядатиме чорної на екрані. Якщо ж, подати напругу, то рідкі кристали повернуться і змінять площину поляризації променя, який у свою чергу безперешкодно пройде крізь другий поляризатор. Для підвищення швидкодії застосовується технологія тонкоплівкових транзисторів (Thin Film Transistor), суть цієї технології в тому, що для управління кожною клітинкою застосовується окремий тонкоплівковий транзистор, а не горизонтальний і вертикальний електрод.

Відомо, що масове створення великих плоских екранів на рідких кристалах стикається з труднощами не принципові, а чисто технологічного характеру. Хоча принципово можливість створення таких екранів продемонстрована, проте воно зв'язно зі складністю їх виробництва при сучасній технології їх вартість виявляється дуже високою. Тому виникла ідея створення проекційних пристроїв на рідких кристалах, в яких зображення, отримане на рідкокристалічному екрані малого розміру могло б бути спроектовано в збільшеному вигляді на звичайний екран, подібно до того, як це відбувається в кінотеатрі з кадрами кіноплівки. Виявилося, що такі пристрої можуть бути реалізовані на рідких кристалах, якщо використовувати сендвічевим структури, в які поряд із шаром рідкого кристала входить шар фотонапівпровідника. Причому запис зображення в рідкому кристалі, здійснювана за допомогою фотонапівпровідника, проводиться променем світла. Тепер же познайомимося з фізичними явищами, покладеними в основу його роботи.

Принцип запису зображення дуже простий. У відсутність підсвічування фотонапівпровідника його провідність дуже мала, тому практично вся різниця потенціалів, подана на електроди оптичної комірки, в яку ще додатково введений шар фотонапівпровідника, падає на цьому шарі фотонапівпровідника. При цьому стан рідкокристалічного шару відповідає відсутності напружений; .я на ньому. При підсвічуванні фотонапівпровідника його провідність різко зростає, так як світло створює в ньому додаткові носії струму (вільні електрони і дірки). У результаті відбувається перерозподіл електричних напруг в осередку - тепер практично всі напруга падає на рідкокристалічному шарі, і стан шару, зокрема, його оптичні характеристики змінюються відповідно величині поданого напруги. Таким чином змінюються оптичні характеристики рідкокристалічного шару в результаті дії світла. Ясно, що при цьому в принципі може бути використаний будь електрооптичний ефект з описаних вище. Практично, звичайно, вибір електрооптичного ефекту в такому сендвічевим пристрої, званому електрооптичним транспарантом, визначається поряд з необхідними оптичними характеристиками і чисто технологічними причинами.

Важливо, що в описуваному транспаранті зміна оптичних характеристик рідкокристалічного шару відбувається локально - у точці засвічення фотонапівпровідника. Тому такі транспаранти володіють дуже високою роздільною здатністю. Так, обсяг інформації, що міститься на телевізійному екрані, може бути записаний на транспаранті розмірами менше 1Х1 см2.

Описаний спосіб запису зображення, крім усього іншого, володіє великими достоїнствами, так як він робить непотрібною складну систему комутації, т. Е. Систему підведення електричних сигналів, яка застосовується в матричних екранах на рідких кристалах. [2], [5].

Термографія.

Одне з важливих напрямів використання рідких кристалів - термографія. Підбираючи склад рідкокристалічного речовини, створюють індикатори для різних діапазонів температури і для різних конструкцій. Наприклад, рідкі кристали у вигляді плівки наносять на транзистори, інтегральні схеми і друковані плати електронних схем. Несправні елементи - сильно нагріті або холодні, непрацюючі - відразу помітні по яскравим колірним плямам. Нові можливості отримали лікарі: рідкокристалічний індикатор на шкірі хворого швидко діагностує приховане запалення і навіть пухлина.

IV Про майбутні застосуваннях рідких кристалів

Інтенсивне вивчення РК почалося в середині 70-х рр. минулого століття, в даний час ці системи продовжують детально ісследаваться в силу своїх унікальних фотопружних, електрооптичних і нелінійних оптичних властивостей. Розглядаються способи їх синтезу і тестування, методи введення в різні фоточутливі полімерні і наноструктуровані середовища. Вивчаються рідкокристалічні нематические, холестерические і смектичні структури, а також системи, що володіють сегнетоелектричними властивостями.

Важливою домінантою у вивченні фазового стану ЖК, структурування мезофази є проведення їх сенсибілізації при використанні нанооб'єктів. В якості останніх використовуються фулерени, нанотрубки, нановолокна, наночастинки, J-агрегати, ін. Досліджуються структурні, хімічні, спектральні, фотопроводніковие, електричні, нелінійно-оптичні властивості рідких кристалів і нанокомпозитів на їх основі; вивчаються механізми взаємодії теплового випромінювання, магнітного й електричного полів, а також лазерного випромінювання широкого спектрального та енергетичного діапазонів з даними системами. Визначаються перспективи використання рідкокристалічних середовищ як підсилювачі яскравості зображення, перебудовуються фільтрів, дисплейних елементів нового покоління, швидкодіючих перемикачів, оптично керованих і акустичних модуляторів світла, термодатчиков в різних галузях науки, техніки, біології та медицини. Кожна з областей по-своєму цікава і пізнавальна і вимагає певних зусиль для свого планомірного розвитку.

Просторово-часової модулятор світла

Керовані оптичні транспаранти можуть бути використані не тільки як елементи проекційного пристрою, але і виконувати значне число функцій, пов'язаних з перетворенням, зберіганням та обробкою оптичних сигналів. У зв'язку з тенденціями розвитку методів передачі та обробки інформації з використанням оптичних каналів зв'язку, що дозволяють збільшити швидкодію пристроїв і обсяг переданої інформації, керовані оптичні транспаранти на рідких кристалах становлять значний інтерес і з цієї точки зору. У цьому випадку їх ще прийнято називати просторово-часовими модуляторами світла (ПВМС), або світловими клапанами. Перспективи і масштаби застосування ПВМС в пристроях обробки оптичної інформації визначаються тим, наскільки сьогоднішні характеристики оптичних транспарантів можуть бути поліпшені в бік досягнення максимальної чутливості до керуючого випромінювання, підвищення швидкодії та просторового дозволу світлових сигналів, а також діапазону довжин хвиль випромінювання, в якому надійно працюють ці пристрою. Як вже зазначалося, одна з основних проблем - це проблема швидкодії рідкокристалічних елементів, проте вже досягнуті характеристики модуляторів світла дозволяють абсолютно точно стверджувати, що вони займуть значне місце в системах обробки оптичної інформації. Нижче розповідається про низку можливих застосувань модуляторів світла.

Насамперед відзначимо високу чутливість модуляторів світла до керуючого світловому потоку, яка характеризується інтенсивністю світлового потоку. Спектральний діапазон роботи модуляторів, виконаних на різних напівпровідникових матеріалах, перекриває довжини хвиль від ультрафіолетового до ближнього інфрачервоного випромінювання. Дуже важливо, що у зв'язку із застосуванням в модуляторах фотонапівпровідники вдається поліпшити тимчасові характеристики пристроїв у порівнянні з швидкодією власне рідких кристалів. Зрозуміло, зміна оптичних характеристик рідкого кристала в точці реєстрації сигналу відбувається з запізненням, т. Е. Більш повільно, відповідно до часу зміни оптичних характеристик рідкого кристала при накладенні на нього (або знятті) електричного поля.

Які ж, крім уже обговорювалися функцій, можуть виконувати модулятори світла? При відповідному підборі режиму роботи модулятора вони можуть виділяти контур проектованого на нього зображення. Якщо контур переміщається, то можна візуалізувати його рух. При цьому істотно, що довжина хвилі записуючого зображення випромінювання і зчитувального випромінювання можуть відрізнятися. Тому модулятори світла дозволяють, наприклад, візуалізувати інфрачервоне випромінювання, або за допомогою видимого світла модулювати пучки інфрачервоного випромінювання, або створювати зображення в інфрачервоному діапазоні довжин хвиль.

В іншому режимі роботи модулятори світла можуть виділяти області, піддані нестаціонарному освітленню. У цьому режимі роботи з всього зображення виділяються, наприклад, тільки переміщаються по зображенню світлові точки, або мерехтливі його ділянки. Модулятори світла можуть використовуватися як підсилювачі яскравості світла. У зв'язку ж з їх високою просторовою роздільною здатністю їх використання виявляється еквівалентним підсилювача з дуже великим числом каналів. Перераховані функціональні можливості оптичних модуляторів дають підставу використовувати їх 6 численних задач обробки оптичної інформації, таких як розпізнавання образів, придушення перешкод, спектральний і кореляційний аналіз, интерферометрия, в тому числі запис голограм в реальному масштабі часу, і т. Д. Наскільки широко перераховані можливості рідкокристалічних оптичних модуляторів реалізуються в надійні технічні пристрої, покаже найближче будущее.Оптіческій мікрофон

Тільки що було розказано про управління світловими потоками за допомогою світла. Проте в системах оптичної обробки інформації та зв'язку виникає необхідність перетворювати не тільки світлові сигнали в світлові, а й інші найрізноманітніші впливу у світлові сигнали. Такими впливами можуть бути тиск, звук, температура, деформація і т. Д. І ось для перетворення цих впливів в оптичний сигнал рідкокристалічні пристрої виявляються знову-таки дуже зручними та перспективними елементами оптичних систем.

Звичайно, існує маса методів перетворювати перелічені впливу в оптичні сигнали, проте переважна більшість цих методів пов'язані спочатку з перетворенням впливу в електричний сигнал, за допомогою якого потім можна управляти світловим потоком. Таким чином, методи ці двуступенчатой і, отже, не такі вже прості і економічні у реалізації. Перевага застосування в цих цілях рідких кристалів полягає в тому, що з їх допомогою найрізноманітніші впливу можна безпосередньо переводити в оптичний сигнал, що усуває проміжна ланка в ланцюзі вплив світловий сигнал, а значить, вносить принципове спрощення в управління світловим потоком. Інше достоїнство РК-елементів у тому, що вони легко сумісні з вузлами волоконно-оптичних пристроїв.

Щоб проілюструвати можливості з допомогою ЖК управляти світловими сигналами, розповімо про принцип роботи «оптичного мікрофона» на ЖК - пристрої, запропонованого для безпосереднього перекладу акустичного сигналу в оптичний.

Принципова схема пристрою оптичного мікрофона дуже проста. Його активний елемент є орієнтований шар нематика. Звукові коливання створюють періодичні у часі деформації шару, що викликають також переорієнтації молекул і модуляцію поляризації (інтенсивності) проходить поляризованого світлового потоку.

Дослідження характеристик оптичного мікрофона на ЖК, виконані в акустичному інституті АН СРСР, показали, що за своїми параметрами він не поступається існуючим зразкам і може бути використаний в оптичних лініях зв'язку, дозволяючи здійснювати безпосереднє перетворення звукових сигналів в оптичні. Виявилося також, що майже у всьому температурному інтервалі існування нематической фази його акусто - оптичні характеристики практично не змінюються.

Перш ніж перейти до іншого прикладу можливого застосування РК в оптичних лініях зв'язку, нагадаємо, що оптичне волокно являє собою оптичний хвилевід. Світло з цього хвилеводу не виходить назовні з тієї причини, що зовні на волокно нанесено покриття, діелектрична проникність якого більше, ніж у внутрішній частині волокна, в результаті чого відбувається повне внутрішнє відбиття світла на межі внутрішньої частини і зовнішнього покриття. Хвилепровідий режим поширення світла у волокні може бути також досягнутий не тільки за рахунок різкої діелектричної кордону, а й при плавній зміні показника заломлення (діелектричної проникності) від середини до поверхні хвилеводу.

За аналогією з оптичними волокнами в тонкому шарі рідкого кристала також може бути реалізований хвилепровідий режим поширення світла вздовж шару, якщо забезпечити відповідну зміну діелектричної проникності в межах товщини шару. А як ми знаємо, зміни діелектричних характеристик в ЖК можна домогтися зміною орієнтації директора (довгих осей молекул). Виявляється, в шарі нематика або холестерину можна, наприклад, шляхом додатка електричного поля забезпечити такий характер зміни орієнтації директора по товщині, що для певної поляризації світла такий шар виявляється оптичним хвилеводом.

Кожен побачить тут очевидну аналогію між оптичним волокном-волноводом і рідкокристалічним волноводом. Але є тут і дуже суттєва різниця. Ця різниця полягає в тому, що якщо діелектричні характеристики оптичного волокна, а отже, і його хвилеводні властивості, незмінні і формуються при його виготовленні, то діелектричні, а отже, і хвилеводні властивості РК-хвилеводу легко змінювати шляхом зовнішніх впливів.

Це означає, наприклад, що якщо рідкокристалічний волновод включений в канал волоконного зв'язку, то світловий потік, що йде по цьому каналу, можна модулювати, міняючи характеристики ЖК-елемента. У найпростішому випадку це може бути просто переривання світлового потоку, яке може відбуватися в РК-елементі при такому перемиканні електричного сигналу на ньому, яке призводить до зникнення його хвилеводних властивостей. До речі сказати, цей же РК-елемент може виконувати і функції оптичного мікрофона, якщо він влаштований так, що акустичний сигнал викликає в ньому обурення орієнтації директора.

Зменшення тертя за допомогою РК.

Новий тип мастила, запропонований вченими з Фраунгоферовського інституту механіки матеріалів (Фрайбург, Німеччина), дозволяє зменшити тертя в підшипниках і передавальних механізмах практично до нуля. Андреас Кайлер (Andreas Kailer) пояснює, як вдалося домогтися таких результатів: «Мастило виготовлена на основі рідких кристалів (РК) зразок тих, що використовуються при виробництві сучасних моніторів з пласкими екранами. На відміну від звичайних рідин, всі молекули РК мають однакову орієнтацію в просторі. Відкрийте нову коробку сірників: головки будуть дивитися в одному напрямку ».

Спільно з колегами з Фраунгоферовського інституту прикладних досліджень полімерів і інженерами компанії Nematel вчені провели практичні випробування з метою з'ясувати, які кристали і в яких умовах найкраще використовувати для створення мастила. Схема експерименту проста: до металевого циліндру, який пересувається по контактної поверхні, прикладається певне зусилля. Дослідники заміряють енергію, яку необхідно затратити для переміщення цього циліндра.

Як виявилося, через деякий час після нанесення на дотичні поверхні РК тертя падає майже до нуля. Тривалість перехідного процесу визначається в основному силою, яка прикладена до циліндра. «Досліди показують, що застосовувати змащення на основі рідких кристалів в підшипниках кочення недоцільно, оскільки контактний тиск занадто велике, і сила тертя знижується не так істотно, - ділиться результатами дослідження доктор Кайлер. - З іншого боку, така мастило ідеально підходить для підшипників ковзання ». Оскільки виробництво РК до теперішнього моменту було орієнтоване на їх використання в різних дисплеях (а значить, потрібно було забезпечити виняткову чистоту продукції), ціни на них залишаються дуже високими. Тому в найближчих планах вчених коштує розробка спрощеного процесу синтезування. Всього ж, за їхніми оцінками, до виходу на ринок нового типу мастильних матеріалів залишилося від трьох до п'яти років.

Методичні рекомендації

У своїй книзі "Фізика рідких кристалів" французький фізик теоретик П. де Жен красномовно написав: "Рідкі кристали прекрасні і загадкові, і тому я їх люблю. Я сподіваюся, що деякі з читачів ... випробують до них той же потяг, допоможуть розгадати загадки і поставлять нові питання ". Чудові слова!

В даний час, на жаль, в курсі фізики загальноосвітніх шкіл не розглядається тема дивного стану речовини - рідкий кристал. Цікавляться школярі так само не можуть знайти корисною і зрозумілої інформації з даної теми ні в сучасних книгах, ні в мережі інтернет. По цьому, нами був розроблений даний елективний курс. При проведенні даного курсу слід звернути особливу увагу на те, що в ньому немає лабораторних практикумів. Це пояснюється тим, що саме отримання ЖК досить трудомісткий процес, а так само вимагає фінансових витрат. Слід зробити ухил на створення групових проектів за властивостями і ефектам рідких кристалів. Цим можна активізувати пізнавальну діяльність учнів, а так само виховувати почуття колективізму. Так ж, не мало, важливим є перегляд фільму та його обговорення. Необхідно вказати на особливість і унікальність цих речовин і можливості подальшого вивчення цієї теми в їх студентського життя.

В даному курсі всі поставлені цілі досягнуті.

Список літератури

1. Адамчик А., Стругальскій З. Рідкі кристали. М .: Сов. радіо, 1979. 160

2.. Блінов Л. М. Електро- і магнітооптика рідких кристалів. М .: Наука, 1978. 384 с

3. де Жен П. Фізика рідких кристалів, Пер. з англ. М .: Світ, 1977. 400 с.

4. Жаркова Г. М., Сонін О. С. Рідкокристалічні композити. Новосибірськ: ВО "Наука", 1994. 214 с.

5. Каманіна Н.В. Рідкі кристали - перспективні матеріали оптоелектроніки. Властивості та області застосування: Учеб. посібник. СПб .: Изд-во СПбГЕТУ "ЛЕТІ", 2004. 84 с.

6. Каманіна Н. В. Електрооптичні системи на основі рідких кристалів і фулеренів - перспективні матеріали наноелектроніки. Властивості та області застосування. Навчальний посібник. - СПб: СПбГУІТМО, 2008 - 137с.

7. Сонін О. С. Введення у фізику рідких кристалів. М .: Наука, 1983. 320 с.

8. Пикин С.А., Блінов Л.М. Рідкі кристали. - М .: Наука, 1982. - 280 с.

9. Пикин С. А. Стаціонарне протягом нематической рідини в зовнішньому електричному полі // ЖЕТФ. 1971. Т. 60, № 3. С. 1185 - 1190.

10. Просторові модулятори світла / А. А. Васильєв, Д. Касасент, І. Н. Компанець, А. В. Парфьонов. М .: Радио и связь, 1987. 320 с.

11. Чандрасекар С. Рідкі кристали. Пров. з англ. М .: Світ, 1980. 344

12. Чистяков І.Г. Рідкі кристали. - М .: Наука, 1966. - 272 с.
Синтез античної та християнської традиції у творчості Данте Аліг'єрі
Введення «Це було найкраще з усіх часів, це було найгірше з усіх часів, це був вік мудрості, це було століття дурниці; це були роки Світу, це були роки Мороку; у нас було все попереду; у нас не було нічого попереду; це була епоха віри, це була епоха безвір'я; це була весна надії, це була зима

Римське суспільство і культура I-II в. н.э.
Зміст 1. Римське суспільство і культура I в. н. е. 2. «Новий» стиль. Сенека 3. Тацит Занепад 1. Римське суспільство і культура I в. н.э. Період від смерті Серпня (14 р.) до кінця правління Траяна (117 р.) прийнято називати «срібним віком римської літератури». Осереддям її залишається місто

Образ няні в ліриці Ходасевича і Пушкина
Міністерство освіти і науки Російської Федерації ТОМСКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ (ТГУ) Філологічний факультет Кафедра історії російської літератури XX віку ДОПОВІДЬ ОБРАЗ НЯНІ В ЛІРИЦІ ПУШКИНА І ХОДАСЕВИЧА Керівник канд. фил. наук, доцент А.С. Сваровська Автор роботи А.В. Петрова Томськ 2010

Экзистенционализм про значення і безглуздя життя
ВГОУ ВПО Уральський державний технічний університет імені першого президента РФ Б.Н. Ельцина- УПИ Кафедра Філософії Реферат Екзістенционалізм про значення і безглуздя життя Викладач: Петько А.А. Студент: Тарабрин В.А. Група: ЭАФУ-1 м. Озерск 2009 Введення Екзистенціалізм - напрям філософії,

Філософські переконання Жана-Поля Сартра
Міністерство освіти Російської Федерації Ніжегородський Державний Лінгвістичний Університет ім. Добролюбова Кафедра філософії і соціальної комунікації Реферат по темі «Філософські переконання Жана-Поля Сартра» Виконала студентка групи 212 а Бистрова Светлана Перевірено Нижній Новгород 2009

Щастя: поняття та форма існування
Придністровський державний університет ім. Т.Г. Шевченко. Реферат на тему Щастя Тирасполь 2010 «Бог зліпив людину з глини, і залишився у нього невикористаний шматок. «Що ще зліпити тобі?» - Запитав Бог. Людина відповів: «Зліпи мені щастя», - попросив чоловік. Нічого не відповів Бог,

Простір - Час
1. Понятійні початки геометрії нелінійного Простору - Часу. Розвиток еволюціонуючої Матерії будь-якої системи і в тому числі системи Біосфера починається з нульового відліку. Нуль сам по собі несе значення початкових умов локалізації адрогинных початків, тобто початків не пов'язаних з полярністю,

© 2014-2022  8ref.com - українські реферати