1326593935789

Фізика рідких кристалів («Академія»)

48,00 грн.

Гриценко М. І.

Тип видання — навчальний посібник
Рік видання — 2012
Обсяг — 272 стор.
Формат — 135×206 мм (84х108/32)
Оправа — 7 (тверда, ламінована)

Категорії: ,
Поділитися:   

Анотація

Ще донедавна рідкокристалічні дисплеї ноутбуків і персональних комп’ютерів, мобільних телефонів і плоских телевізорів, фото- і кінокамер викликали подив. Нині використання в техніці, медицині та побуті виробів на основі рідких кристалів стало нормою життя. Фізику рідких кристалів, відкритих наприкінці ХІХ ст., ґрунтовно досліджено лише в останні десятиліття. За цей час накопичено значний теоретичний і практичний матеріал. У пропонованому навчальному посібнику подано сучасні уявлення про молекулярну і надмолекулярну структури рідких кристалів та їх фізичні властивості; розглянуто фізичні ефекти, проаналізовані на основі феноменологічної теорії; описано фізичні механізми, на яких ґрунтується застосування рідких кристалів.
Навчальний посібник розраховано на студентів вищих навчальних закладів. Корисний буде вчителям фізики середніх навчальних закладів, усім, хто цікавиться досягненнями науки і техніки.

Зміст

1. Загальні відомості про рідкі кристали

1.1. Фізика рідких кристалів як наука
1.2. Молекулярні кристали
1.3. Міжмолекулярна взаємодія
1.4. Рідкокристалічний стан речовини
1.5. Становлення і розвиток фізики рідких кристалів
1.6. Молекулярна структура рідких кристалів
1.7. Ступінь упорядкованості нематиків
1.8. Текстури нематиків
1.9. Орієнтування рідких кристалів
1.10. Енергія зчеплення нематиків із твердою поверхнею

2. Фізичні властивості рідких кристалів

2.1. Пружні властивості нематичних рідких кристалів
2.2. В’язкість рідких кристалів
2.3. Поверхневий натяг
2.4. Теплові властивості рідких кристалів
2.5. Діелектричні властивості
2.6. Електропровідність рідких кристалів
2.7. Магнітні властивості
2.8. Оптичні властивості нематиків

3. Орієнтаційні електрооптичні ефекти в нематиках

3.1. Електрооптичні ефекти в рідких кристалах
3.2. Переходи Фредерікса в електричному полі
3.3. Подвійне променезаломлення, яке управляється електричним полем
3.4. Твіст-ефект
3.5. Ефект «гість — господар»
3.6. Флексоелектричний ефект
3.7. Застосування електрооптичних ефектів
Пристрої на основі рідких кристалів
Цифровий індикатор електронного годинника
Рідкокристалічний матричний дисплей
Неруйнівний контроль виробів мікроелектроніки

4. Електрогідродинамічні ефекти в нематиках

4.1. Аномальне орієнтування нематиків в електричному полі
4.2. Домени Капустіна — Вільямса
4.3. Механізм Карра — Хельфріха
4.4. Ефект динамічного розсіювання світла

5. Холестеричні рідкі кристали

5.1. Спіральна закрученість холестеричних рідких кристалів
5.2. Крок холестеричної спіралі
Текстури холестериків
Визначення кроку холестеричної спіралі
Температурна залежність кроку
5.3. Оптичні властивості холестериків
Спіральність і унікальні оптичні ефекти в холестериках
Селективне відбивання світла
Поширення світла в холестериках
5.4. Електрооптика холестериків
Основні види електрооптичних ефектів у холестериках
Текстурні переходи
Розкручування холестеричної спіралі
Електрогідродинамічні нестійкості в холестериках
5.5. Блакитна фаза
5.6. Практичне застосування холестеричних рідких кристалів
Рідкокристалічна термографія
Кольорова термографія у медичній діагностиці
Застосування холестериків у техніці

6. Смектичні рідкі кристали

6.1. Загальна характеристика смектичних рідких кристалів
6.2. Класифікація смектичних мезофаз
6.3. Властивості смектиків
6.4. Смектичні сегнетоелектрики

7. Ліотропні рідкі кристали

7.1. Основні фізичні властивості ліотропних рідких кристалів
7.2. Структура двокомпонентних ліотропних рідких кристалів
7.3. Рідкі кристали як елементи живої матерії
7.4. Рідкі кристали і патологія живого організму
7.5. Ліотропні рідкі кристали як електрооптичні матеріали

8. Полімерні рідкі кристали

8.1. Сутність і властивості полімерних рідких кристалів
8.2. Структура полімерів
8.3. Принципи організації рідкокристалічного мезоморфізму у полімерах
8.4. Надмолекулярна впорядкованість полімерних рідких кристалів
8.5. Фізичні властивості полімерних рідких кристалів та їх застосування

Термінологічний словник
Література

Уривок із навчального посібника («Фізика рідких кристалів» Гриценко М. І.) надано виключно для ознайомлення.
Копіювання будь-якої частини без погодження з видавництвами заборонено.

1. Загальні відомості про рідкі кристали

1.1. Фізика рідких кристалів як наука

Деякі органічні речовини в певному температурному інтервалі можуть перебувати в термодинамічно стабільному фазовому стані, відокремленому від твердого і рідкого станів фазовими переходами першого роду. Ці речовини називають рідкими кристалами, а проміжний, п’ятий, фазовий стан речовини — рідкокристалічним. Рідкі кристали текучі, як звичайні рідини, але зберігають анізотропію фізичних властивостей, як тверді кристали. Завдяки поєднанню властивостей твердих кристалів і рідин їм притаманна висока чутливість до зовнішніх впливів. Наприклад, електричне поле, діючи на рідкий кристал, змінює його оптичні властивості (електрооптичний ефект), що відкрило можливості для широкого застосування цього ефекту в засобах відображення інформації. Вивченням рідких кристалів займається один із наймолодших розділів сучасної фізики — фізика рідких кристалів.

Фізика рідких кристалів — наука, яка вивчає молекулярну і надмолекулярну структуру рідких кристалів, їх фізичні властивості та ефекти, які у них відбуваються.

Вона ґрунтується на континуальній та молекулярно-статистичній теоріях і послуговується поняттями і теоретичними підходами молекулярної фізики, фізики твердого тіла, кристалографії, оптики та інших розділів фізики.
Фізика рідких кристалів перебуває у тісному зв’язку із суміжними галузями знань, зокрема з біологією. Чимало біологічних структур є ліотропними рідкими кристалами — упорядкованими розчинами біологічних молекул у воді. Рідкокристалічні підходи у вивченні біологічних структур дають змогу пояснити механізми обміну речовин біологічними мембранами живих клітин, механізми скорочення мускулів і поширення сигналів нервовими волокнами, а також зрозуміти механізми патологічних змін у живих організмах та процеси старіння клітин і організмів загалом.
Завдяки досягненням хімії у галузі синтезу розроблено способи цілеспрямованого управління фізико-хімічними властивостями рідких кристалів, що практично розв’язало проблему створення нових рідкокристалічних матеріалів із необхідними технологічними параметрами для різних практичних застосувань.
Нині синтезовано тисячі нових рідкокристалічних сполук і створено сучасну технологічну базу для промислового виготовлення рідкокристалічних виробів. Промисловість випускає на основі рідких кристалів дисплеї персональних комп’ютерів і ноутбуків, компактних мобільних телефонів і фото- та кінокамер, екрани плоских телевізорів, інформаційні табло в авто- і авіапромисловості, циферблати наручних годинників та інші засоби відображення інформації. За своїми експлуатаційними характеристиками рідкокристалічні дисплеї не лише створюють конкуренцію електронно-променевим трубкам та напівпровідниковим світлодіодам, а й у багатьох аспектах є незамінними. Рідкі кристали знайшли застосування і в методах неруйнівного контролю якості виробів мікроелектроніки, діелектричних плівок та оптичних поверхонь. Деякі типи рідких кристалів, що мають унікальні оптичні властивості, використовують для вимірювання температури, реєстрації інфрачервоних та надвисокочастотних випромінювань. Їх застосовують для дефектоскопії технічних виробів та в медичній діагностиці.
Рідкі кристали належать до частково упорядкованихсистем, які називають м’якою матерією. До м’якої матерії зараховують також деякі складні розчини, біологічні структури, полімери, гелі, колоїди, надміцні волокна та інші конденсовані системи, які мають часткову далеку трансляційну чи орієнтаційну упорядкованість. Тобто м’яка матерія поширена в природі і належить до окремого конденсованого термодинамічного стану речовини. Представники м’якої матерії — переважно органічні матеріали, утворені складними органічними (у т. ч. біологічними) молекулами або їх конгломератами, між якими діють слабкі міжмолекулярні сили Ван-дер-Ваальса. Усі частково впорядковані системи мають своєрідний тип упорядкованості структури (одновимірної, двовимірної чи тривимірної) і подібний механізм самоорганізації. Область існування упорядкованих фаз у них близька до кімнатних температур, а фазові переходи характеризуються низькими прихованими теплотами переходів. Частково впорядковані системи є термодинамічно стабільними самоупорядкованими системами, структуру яких можна легко змінити чи навіть зруйнувати незначними зовнішніми діями.
Фізика м’якої матерії розвивалася паралельно з фізикою твердого тіла та інших конденсованих систем. Чимало фізичних понять і явищ є подібними або навіть спільними в усіх розділах фізики конденсованого стану. Тому ці розділи у процесі розвитку взаємно доповнювалися і збагачувалися. Деякі концепції фізики твердого тіла були успішно перенесені у фізику м’яких середовищ і навпаки. Наприклад, теоретичні підходи, вироблені при дослідженні твердих анізотропних феромагнетиків (самоузгоджене поле Вейса), було запозичено фізикою рідких кристалів для пояснення спонтанної орієнтації молекул у проміжних фазах. Концепція дефектів виникла у фізиці рідких кристалів і лише згодом була перенесена у фізику твердого тіла. Найбільш дослідженими представниками м’якої матерії є рідкі кристали. Вони виявилися ідеальними об’єктами для створення нових органічних функціональних матеріалів із різноманітними властивостями для застосування в сучасних технологіях.
Рідкі кристали нині інтенсивно досліджують у багатьох наукових закладах як унікальні функціональні матеріали для сучасних електрооптичних перетворювачів і носії специфічних фізичних властивостей проміжної фази між рідиною і твердим кристалом. Поєднуючи в собі властивості твердого кристала (анізотропію) і рідини (текучість), рідкі кристали мають деякі специфічні властивості, відсутні і в рідин, і у твердих кристалів. Тому в рідких кристалах як у проміжній фазі приховані ключі для глибшого розуміння твердого й рідкого фазового станів і фазових переходів між ними.
Багато властивостей рідких кристалів аналогічні властивостям звичайних рідин, але рідкі кристали є анізотропними. Поєднання анізотропії з текучістю призводить до появи в рідких кристалів додаткових властивостей порівняно з твердими тілами і рідинами. Наприклад, передавання рідким кристалом статичного моменту кручення, який звичайні рідини передати не можуть, наявність у них специфічних пружних деформацій, не пов’язаних із розтягуванням чи стискуванням рідкокристалічних шарів, а також специфічної в’язкості, що можлива за відсутності поступальних переміщень молекул. Унікальними є також оптичні властивості деяких типів рідких кристалів, які легко змінюються під дією зовнішніх чинників. Вивчення цих та інших властивостей рідких кристалів у курсі загальної фізики значно розширює зміст багатьох понять, які традиційно вивчаються при системному викладанні, і допомагає розкрити фізичні механізми, на яких ґрунтується робота рідкокристалічних пристроїв.
Незважаючи на те що рідкі кристали було відкрито понад 120 років тому, фізика рідких кристалів почала активно розвиватися в другій половині ХХ ст. Натепер завершено створення основ фізики рідких кристалів і досягнуто високих результатів у цій галузі. Французький фізик-теоретик П. де Жен за відкриття у фізиці рідких кристалів отримав Нобелівську премію.
Отже, фізика рідких кристалів окреслилася як самостійний завершений розділ фізики, а пристрої на основі рідких кристалів масово використовують у техніці та побуті. Внаслідок розриву між масштабами досягнень у цій галузі й рівнем знань про рідкі кристали серед широкого загалу назріла потреба у вивченні фізики рідких кристалів у сучасній загальноосвітній і вищій школах.