kryształ ciekły

kryształ ciekły, ciecz anizotropowa, faza mezomorficzna,

stan skupienia pośredni między cieczą zwykłą (izotropową) a zwykłym kryształem;

ciekłe kryształy odznaczają się dwoma podstawowymi cechami: konsystencją zbliżoną do rzadkiej oliwy, z możliwością osiągania lepkości wosku, oraz dalekozasięgowym (obejmującym duże w porównaniu z rozmiarami cząsteczek obszary) uporządkowaniem orientacyjnym cząsteczek, przy całkowitym lub częściowym braku ich uporządkowania translacyjnego, charakterystycznego dla kryształu. Uporządkowanie orientacyjne oznacza, że przynajmniej niektóre z głównych osi sąsiadujących ze sobą cząsteczek ustawiają się równolegle; ilościową miarą stopnia uporządkowania jest tzw. parametr uporządkowania, którego wartości są zawarte w przedziale od zera (brak uporządkowania) do 1 (idealne uporządkowanie osi cząsteczek). Rozróżnia się ok. 100 struktur ciekłokrystalicznych i ich modyfikacji, różniących się między sobą sposobem, w jaki jest realizowane uporządkowanie orientacyjne. Fazę ciekłokrystaliczną mogą tworzyć związki organiczne lub metaloorganiczne, których cząsteczki zawierają zwykle 1 lub kilka pierścieni benzenowych, są stosunkowo sztywne i silnie anizometryczne (mają jedną z osi o wiele dłuższą lub o wiele krótszą od pozostałych i kształt przypominający pręt, płytkę lub dysk) oraz odznaczają się dużymi momentami dipolowymi i obecnością grup atomów łatwo ulegających polaryzacji. Występowanie substancji w postaci ciekłego kryształu zależy od siły oddziaływań między ich cząsteczkami i od wpływu tych oddziaływań na orientację cząsteczek. Związki chemiczne lub ich mieszaniny, które w odpowiednich warunkach (przy określonej temperaturze i ciśnieniu lub w obecności pewnych rozpuszczalników) mogą ulegać przemianie w stan ciekłokrystaliczny, są nazywane substancjami mezogennymi (mezomorficznymi) lub mezogenami; dotychczas znaleziono ok. 100 tysięcy mezogenów.

Podział ciekłych kryształów.

Podstawą podziału ciekłych kryształów są 3 główne kryteria: proces termodynamiczny prowadzący do powstania ciekłego kryształu, kształt cząsteczek lub kształt złożonych jednostek strukturalnych oraz podstawowy typ struktury (ułożenie długich osi cząsteczek w skali mikroskopowej). Według pierwszego kryterium dzieli się ciekłe kryształy na termotropowe, powstające po stopieniu zwykłego kryształu lub po odpowiednim ochłodzeniu cieczy izotropowej, oraz liotropowe, powstające w wyniku rozpuszczenia substancji amfifilowej (mającej właściwości zarówno hydrofilowe jak i hydrofobowe) w odpowiednim rozpuszczalniku — silnie polarnym lub zdecydowanie niepolarnym, przy zachowaniu właściwego stężenia substancji i odpowiedniej temperatury.

Ze względu na kształt cząsteczek ciekłe kryształy dzieli się na: kalamityczne — tworzą je cząsteczki albo makrocząsteczki w postaci pręta lub płytki; dyskotykowe — cząsteczki w postaci płaskiego dysku, mające swobodę poślizgu w swoich płaszczyznach z zachowaniem kierunku krótkich osi, kolumnowe — cząsteczki o kształcie dysku, które ułożone jedna na drugiej uformowały sztywną kolumnę; polimerowe, w których prętopodobne lub dyskotykowe grupy mezogenne są połączone z giętkimi łańcuchami polimerowymi tak, że grupa mezogenna albo stanowi część łańcucha, albo jest dołączona jako grupa boczna łańcucha, albo też oba rodzaje połączeń są realizowane w sposób mieszany.

Rozróżnia się 2 podstawowe typy struktury ciekłych kryształów: nematyki, wykazujące tylko trójwymiarowe uporządkowanie orientacyjne osi cząsteczek, oraz smektyki, w których równolegle uporządkowane cząsteczki są ponadto zgrupowane w warstwach. Nematyki i smektyki mają swoje odpowiedniki chiralne (chiralność): nematyki chiralne, pierwotnie zwane ciekłymi kryształami cholesterolowymi, oraz smektyki chiralne; w nematykach chiralnych równoległe uporządkowanie długich osi występuje tylko między bocznymi sąsiadami cząsteczek leżących w tej samej pseudowarstwie, a kierunki osi cząsteczek leżących w warstwie wyższej i niższej są skręcone o pewien niewielki kąt, co powoduje powstanie konfiguracji śrubowej całej struktury; do smektyków chiralnych należą ciekłe kryształy tworzące albo konfigurację śrubową kierunków osi cząsteczek w warstwach, albo układ śrubowo skręconych względem siebie ziaren, z których każde składa się z wielu warstw cząsteczek, a także ciekłe kryształy, w których chiralność wynika tylko z aktywności optycznej cząsteczek.

Przestrzenny makroskopowy sposób ułożenia długich osi cząsteczek w cienkiej warstwie ciekłego kryształu jest zwany teksturą molekularną ciekłego kryształu. Rodzaj tekstury, chociaż nie wpływa na strukturę ciekłego kryształu, w zasadniczy sposób określa właściwości optyczne warstwy.

Znaczenie ciekłych kryształów w przyrodzie.

Znaczenie ciekłych kryształów w przyrodzie wynika z połączenia takich ich cech, jak: płynność, występowanie orientacyjnego uporządkowania dalekiego zasięgu, zdolność do samoorganizacji cząsteczek; samoorganizacja prowadzi do spontanicznego powstania w ciekłym krysztale struktur nadmolekularnych; takie struktury występują w organizmach żywych (np. podwójna helisa kwasów nukleinowych, struktury błon komórkowych i błon plazmatycznych, cytoszkielet). Ciekłe kryształy są zawarte we wszystkich komórkach i tkankach biologicznych, zwłaszcza w układach wysoko zorganizowanych, jak tkanki nerwowe i mózg.

Właściwości ciekłych kryształów i ich zastosowanie.

W odróżnieniu od cieczy izotropowych, ciekłe kryształy wykazują sprężystość postaci; sprawia ona, że ciekły kryształ, który zmienił strukturę pod wpływem zaburzeń mechanicznych lub pól elektrycznych czy magnetycznych, wraca do swej pierwotnej postaci po ustaniu działania tych czynników. Cechą charakterystyczną ciekłych kryształów jest anizotropia właściwości fizycznych (m.in. sprężystych, lepkości, przenikalności magnetycznej i elektrycznej, przewodnictwa elektrycznego). Ciekłe kryształy wykazują dwójłomność, a odmiany chiralne ciekłych kryształów odznaczają się aktywnością optyczną — zwykłą, odpowiadającą pojedynczym cząsteczkom, i anomalnie dużą, pochodzącą od całej struktury (znikającą po przemianie ciekłego kryształu w fazę izotropową).

Zastosowania ciekłych kryształów są związane z silnym wpływem zewnętrznych pól magnetycznych i elektrycznych oraz temperatury na strukturę i właściwości ciekłych kryształów, głównie na ich właściwości optyczne (przy znikomym zużyciu energii z zewnętrznych źródeł zasilania). Ciekłe kryształy są bezkonkurencyjnym materiałem do budowy wyświetlaczy (LCD) w urządzeniach zasilanych ze źródeł o małej mocy, np. w zegarkach, kalkulatorach, telefonach komórkowych, oraz do wytwarzania przestrzennych modulatorów światła, ekranów w monitorach komputerów przenośnych i stacjonarnych, ekranów telewizorów. Wpływ temperatury na właściwości optyczne ciekłych kryształów, głównie na zmianę barwy światła odbitego od warstwy nematyka chiralnego, wykorzystuje się we wskaźnikach temperatury w medycynie i przemyśle.