Seminarska naloga: - Raziskave

Seminarska naloga:
Tekoči kristali
Mentor: prof.dr. Marko Zgonik
Študent: 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
Bananasti TK
Diskotični 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 polju
Vpliv električnega polja
Molekula TK je v močnem
električnem 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

svetla pika
Koliko se kristal zvije je
odvisno od dovedene napetosti
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