Для вивчення атомної структури речовини методом рентгеноструктурного аналізу отримують дифракційну картину рентгенівського випромінювання, розсіяного речовиною, що вивчається. Ця картина представляє собою дифузні кільця. Положення й інтенсивність кілець дозволяють визначити будову речовини, що розсіює рентгенівське випромінювання. Для виконання рентгенівських знімків рідкі кристали застосовують спеціальні термокамери.
Рисунок 2.2.1 – Температурна рентгенівська камера для дослідження рідких кристалів
Камера 1 має подвійний шар теплоізоляції: із текстоліту та азбесту. В кришку 2 камери вмонтовані два термометра: ртутний 7 та контрольний, на рисунку не показаний. Всередині камери в спеціальному невеликому сосуді 3 знаходиться зразок, який досліджують, на який падає пучок рентгенівського випромінювання через коліматор 6. Сосуд зі зразком зроблений з латуні та бакеліту. Разом із зразком він обертається на 30о відносно вертикальної плоскості. В нижній частині сосуду розташовано пристосування 4 для нагрівання зразку. Вся камера, що представляє свого роду термостат, нагрівається блоком 5. Точність нагрівання зразку складає 0,2оС. Фазові переходи зразку можна спостерігати в скляному віконці 8, через яке проходить також дифрагіруване на зразку рентгенівське випромінювання. Товщина зразку складає, як правило, 0,5мм. [2]
3. ВЛАСТИВОСТІ РІДКИХ КРИСТАЛІВ
Загальна для всіх типів рідких кристалів властивість – подвійне заломлення світла, характерне для більшості твердих кристалів, за допомогою якої можна ідентифікувати мезоморфний стан.
Другою властивістю, характерною для холестеричних рідких кристалів, є обертання плоскості поляризації. Якщо пропускати лінійно-поляризоване світло через шар холестеричної мезофази перпендикулярно молекулярним шарам, то напрямок колихань електричного вектора світової хвилі буде повернуто вліво або вправо. Плоскість колихань світла також повертається вліво або вправо. Кут оберту пропорційний товщині шару речовини. Кут обертання плоскості поляризації для цих речовин порядку кількох десятків градусів на 1мм шляху світлового сигналу, в той час як холестерині рідкі кристали, які мають сильну оптичну активність, обертають плоскість поляризації світла навіть до 18000о на 1мм шляху.
Освітленні пучком поляризованого білого світла, холестеричні рідкі кристали мають райдужне офарблення, яке залежить від природи речовини, температури та кута падіння світла. Досягнувши поверхні рідкого кристала, світ диспергує на дві складові з круговою поляризацією в напрямках, зворотних повороту електричних векторів. Одна з складових проникає в глибину кристала, в той час як інша відображається від його поверхні, що викликає появлення характерного офарблення рідкокристалічного зразка.
Наявність в рідких кристалах дальнього порядку в орієнтації молекул викликає анізотропію електричних і магнітних властивостей, притаманну твердим кристалам. Однак, у відмінності від твердих тіл, сили міжмолекулярної взаємодії тут значно слабкіші. Енергія деформації рідких кристалів мала, тому їх молекулярну структуру легко змінити під дією електричного та магнітного полів невеликої потужності. Для зміни структури достатні також незначні температурні колихання або механічний вплив на рідкі кристали. Структурним змінам рідких кристалів супроводжує зміна їх оптичних властивостей, так як вторинними ефектами зміни орієнтації молекул є зміни ступеня пропускання та відображення світла, кругового дихроїзму, оптичної активності та офарблення. Звідси випливає, що ці властивості легко управляються, особливо в випадку холестеричних рідких кристалів. Зміна офарблення холестеричних рідких кристалів проходить під дією мінімальних температурних колихань.
3.1 Термічні властивості
Рідкокристалічну фазу можна отримати двома шляхами: плавленням відповідної кристалічної речовини – тоді річ іде про термотропні рідкі кристали, або розчиненням речовини, здатної давати ліотропні рідкі кристали.
Нагрівання речовини, що знаходиться при нормальних умовах в кристалічному стані, до мезоморфного приводять до ряду фазових переходів при температурах Т0, Т1, Т2, ..., Тпр, де Т0 – температура плавлення кристалів з утворенням мезоморфної фази, а Тпр – температура просвітління або зникнення рідкокристалічної фази та переходу її в ізотропну рідину. Температури Т1, Т2 ... – точки можливих полімезоморфних перетворень всередині рідкокристалічної фази.
Температури фазових переходів для однієї й той же речовини розрізняються в залежності від напрямку температурних змін, тобто для нагрівання та охолодження (рис. 3.1.2). В зв’язку з легкістю переохолодження мезоморфної фази особливо помітна різниця в температурі Т0 при нагріванні та охолодженні. Послідовність перетворень, яку перетерплює речовина при нагріванні та охолодженні, також не завжди співпадає. Фазові перетворення в речовинах, що утворюють мезоморфний стан тільки при охолодженні, називаються монотропними, в відмінності від енантіотропних перетворень, що спостерігаються як при нагріванні, так і при охолодженні речовини. Ряд поліморфних перетворень всередині мезофази може мати також монотропний характер.
Рисунок 3.1.2 – Схема розподілу температур фазових переходів при охолодженні та нагріванні зразка
Дуже часто на практиці необхідно розширити температурний діапазон мезофази або збільшити різницю Тпр – Т0 між температурою просвітління або плавлення рідкого кристала. З цією цілю різні рідкі кристали перемішують в таких пропорціях, щоб утворилась евтектична суміш. Температура плавлення Т0 такої суміші має різко виражений мінімум, який нижче температури плавлення кожного з компонентів. Величина температури просвітління буде проміжною між температурами просвітління кожного з компонентів суміші (рис. 3.1.3).
Рисунок 3.1.3 – Фазова діаграма для двох речовин, що дають подібні мезоморфні фази
Якщо суміш утворена речовинами, молекули яких мають однакову будову та якщо ці речовини утворюють ідеальні розчини, то склад евтектичної суміші можна дуже точно обчислити за допомогою рівняння Шредера-Ван Лаара. Для суміші, що складається з ι компонентів, температури плавлення яких Т01, ..., Т0ι, а температури просвітління відповідно Тпр1, ..., Тпрι, якщо зміни мольної ентальпії при плавленні цих речовин складають ΔН1, ΔН2, ..., ΔНι, то рівняння Шредера-Ван Лаара для цих компонентів будуть мати вид
lnxι = ΔH1/R(1/T0 – 1/T01),
lnxι = ΔHι/R(1/T0 – 1/T0ι) (3.1.1)
Тут Т0 – температура плавлення суміші; R – газова постійна; х1, …, хι – мольна доля окремих компонентів суміші.
Температури просвітління такої рідкокристалічної суміші Тпр можна обчислити з простої лінійної залежності
Тпр = ΣхιТпрι, (3.1.2)
де Тпр1 ...Тпрι – температури просвітління окремих компонентів суміші.
Рівняння Шредера-Ван Лаара не можна застосовувати в тому випадку, коли один з компонентів суміші має будову, що значно відрізняється від будови інших компонентів, або ж якщо він не утворює мезофазу. Але навіть якщо компоненти суміші схожі, температури Т0 та Тпр, що обчисленні теоретично, треба перевірити експериментально.
3.2 Електричні та магнітні властивості рідких кристалів
Явлення, що викликанні дією на рідкі кристали електричного поля, різноманітні й до сих пір немає однозначної їх орієнтації.
Електричні властивості рідких кристалів вивчаються найчастіше в тонких шарах, і, мабуть, експериментальні результати слід віднести до всієї системи, що складається з рідкокристалічного шару та електродів, які одночасно є й поверхнями, що несуть. Перш за все слід враховувати вплив цих поверхонь, що орієнтується, інжекцію електродами носіїв зарядів, а також адсорбцію іонів на електродах, що є причиною гістерезису для багатьох електричних явищ і утрудняє розподіл поля в зразку внаслідок утворення електричного подвійного шару.
Електричні явища в рідких кристалах мають найчастіше нелінійний характер, пов’язаний з термічною та електричною передісторією зразку.
Простішим типом прибору для електричних досліджень рідких кристалів є вічка типа «сендвіч». Дві плоскі скляні пластини (рис. 3.2.4) з нанесеним на них прозорим провідним шаром SnO2 або InO2 розділяються прокладками з слюди, тефлону або іншого діелектричного матеріалу. Зазор між пластинами вагається від 5 до 200мкм.
Рисунок 3.2.4 – Вічка типу «сендвіч». 1 – рідкий кристал, 2 – скляна пластина, 3 – провідний шар, 4 – прокладка, 5 – висновки
3.3 Оптичні та електрооптичні властивості рідких кристалів
Спонтанна орієнтація молекул в рідких кристалах наводить до того, що ці речовини проявляють оптичні двопроменезаломлювання, властиве деяким твердим кристалам. Світло, що проходить через однорідно-упорядковані шари рідких кристалів, розпадається на два проміння: незвичайний, напрямок поляризації якого співпадає з напрямком оптичної осі рідкого кристала, й, звичайний, з напрямком поляризації, перпендикулярним цій осі. Кристал вважається оптично позитивним, якщо ne-n0>0, й оптично негативним, якщо ne-n0<0; ne та n0 – коефіцієнти переломлення незвичайного й звичайного промінів.
Нематичні та смектичні рідкі кристали оптично позитивні й напрямок довгих осей молекул співпадає з напрямком оптичної осі. Холестерині рідкі кристали, в яких довгі осі молекул перпендикулярні осі холестеричної спіралі, яка, в свою чергу, паралельна оптичній осі зразка, - оптично негативні. Ця особливість часто служить критерієм відмінності холестеричних рідких кристалів від смектичних.
Знак двопроменезаломлювання та напрямок оптичної осі в рідкокристалічному зразку, як і в твердому кристалі, можна визначити при спостеріганні в мікроскопі в світлі, що сходиться.
Орієнтовані шари рідкокристалічних холестериків, нематиків і смектиків А оптично одноосні, тобто для рідких кристалів характерний тільки один напрямок, в якому світло проходить з однаковою швидкістю незалежно від стану поляризації. В смектиках С є два таких напрямки, вони двохосні. Двохосний стан можна отримати деформацією холестеричних і нематичних рідких кристалів.
Двопроменезаломлювання нематиків монотонно убуває з ростом температури й різко падає до нуля в точці фазового переходу в ізотропну рідину. Коефіцієнт заломлення для незвичайного проміння ne різко зменшується з ростом температури, а коефіцієнт заломлення звичайного проміння n0 повільно росте. Показано, що термічна залежність двопроменезаломлювання нема тиків визначається дисперсійними силами й силами відштовхування.
Надзвичайними оптичними властивостями володіють системи типу «закручений нематик». Таку систему можна отримати наступним чином: рідкий кристал поміщають між двома скляними пластинками, поверхні яких оброблені таким чином, щоб шар нематика орієнтувався пленарно, й пластини закручують відносно один одного на 90о. В результаті повороту пластин оптична ось нематика деформується (рис. 3.3.5). Шар закрученого нематика в паралельних поляроїдах дає темне поле зору, оскільки напрямок поляризації світла, що проходить через шар кристала, повертається на π/2. Більш ретельний експеримент Гука й Таррі показав, що світло, яке проходить через шар закрученого нематика, поляризований по еліпсу – поле зору затемнене не повністю.
