Tečni kristali predstavljaju stanje agregacija molekula koji imaju ...

Sinonimi: tečni kristali, kristalne tečnosti,anizotropne tečnosti, para kristali, mezofaze ilimezomorfno stanjeTečni kristali predstavljaju stanje agregacijamolekula koji imaju molekulski red kao ukristalima ali se ponašaju i kao viskoznetečnosti.

Osobine tečnosti: površinski napon i viskoznostOsobine čvrstog: optička anizotropija-dvojno prelamanjei interferencija polarizovane svetlostiŠirina temepratrskog intervala u kome se javlja:od 0,01 do 100 0 CJavljaju se pri temperaturana od –20 do 400 0 C

Istorija tečnih kristalaPrva opažanja1850 W. Heintz je opazio da se stearin topi u zamagljenutečnost na 52°C, menjajući se na 58°C u mutnu i na62.5°C u bistru tečnost.1877 Otto Lehmann je dao naziv ovom stanju i izumeomikroskop sa postoljem koje se greje i njime jeispitivao fazne prelaze različitih supstancija pomoćupolarizacionog mikroskopa sa postoljem koje segreje.(1855-1922)do 1888 Istraživači u različitim oblastima hemije, biologije,medicine i fizike opažali su da izvesni biološkimaterijali pokazuju mutno tečno stanje izmeđukristalnog stanja i tečnog stanja. Jedinjenjasintetizovana od holesterola takođe pokazuju plavuboju kada se hladi njihov izotropni rastop.

Tečne kristale ili mezofaze otkrioRajnicerFriedrich Reinitzer (1857-1927)Thanks to Toby Donaldson

Holesterol benzoatKristal 145.5 °C PT 178.5°C TTThanks to Toby Donaldson

Nova faza materije1888 Austrijski botaničar Friedrich Reinitzer,koji se interesovao za biološku funkcijuholesterola kod biljaka, posmatrao jeponašanje pri topljenju organskihsupstancija sličnih holesterolu (holesterolbenzoat). Opazio je kao i W. Heintz 38godina ranije sa stearinom da sesuspatncija topi u oblačastu tečnost na145.5°C a postaje bistra na 178.5°C.Ponovio je i ranije opažanje da prihlađenju bistre tečnosti se javlja nagloplava boja na prelaznoj temperaturi a dase pred kristalizaciju javljaplavoljubičasta boja. Diskutujući saLemanom i drugima došao je dozaključka da je identifikovana novafaza materije koja je nazvana tečnomkristalnom fazom.

Polarizacioni mikroskopKristalHolesterični tečni kristalIzotropna tečnostThanks to Toby Donaldson

Rana otkrića1890 Prvi sintetički tečni krstal, p-azoksianizol, napravili su Gatterman iRitschke.MeONNOOMe(1900) D. Vorlaender i saradnici su sintesisali mnoga termotropna smektičkajedinjenja. Vorlaender je publikovao rad o detaljnim pravilima u vezi sahemijskom strukturom ovih jedinjenja. Ta pravila su bazirana naosobinama više od 170 jedinjenja koje je on sintetizovao u svojojlaboratoriji. Prema ovim pravilima koja su kasnije dovela do statističkoteorijskih opisa ponašanja ovih materijala, tečno kristalno stanje jeformirano od molekula približno linearnog oblika. Vorlaender jetakođe zapamćen po detekciji polimorfizma kod tečnih kristala, jer jeon sintetisao jedinjenje u tečno kristalnom stanju sa nematičnim i dvasmektička oblika.

1922 George Freidel je izvršio klasifikaciju tečnih kristala baziranu narazličitoj molekulskoj uređenosti svake supstancije:• nematični,• smektični i• holesterični.Takođe je objasnio orijentacioni efekat električnog polja i prisustvodefekata u tečnim kristalima.1922-39Carl Oseen i Zöcher su razvili matematičku osnovu za ispitivanje tečnihkristala i uveli Parametar uređenosti S za opisivanje srednjeorijentacije tečnih kristala. Carl Oseen and F.C. Frank je razvio teorijukontinuuma izvedenu iz rada Oseen-a o elastičnim osobinama tečnihkristala.

Zatišje1939-45 II svetski rat1949 Onsager je prikazao svoj rad o faznom prelazu izmeđuizotropnog i nematičnog stanja (Onsager-Teorija).1945-48 Potopuno zatišje u oblasti ispitivanja tečnih kristala.Mislilo se da je sve poznato o njima i nije se očekivalonikakvo novo otkriće i još gore nisu uvršćeni uudžbenike i literaturu.

Ponovnooživljavanje1950-te Rad Brown-a u SAD, Chistiakoff-a u SSSR-u kao i Gray-a iFrank-a u Engleskoj doveli su do oživljavanja interesa zatečne kristale. Frank i kasnije Leslie i Ericksen razvili suteoriju kontinuuma za statičke i dinamičke sisteme.1958 Alfred Saupe, koji je kasnije radio na Kent univerzitetu,razvio je u dvom diplomskom radu zajedno sa svojimmentoromWilhelm Maier-om molekularnu teoriju tečnihkristala ne uključujući permanantne dipole kao u Max Born‘-ovoj teoriji. Ovaj rad je doveo do Maier-Saupe Teorije,druge dobro poznate teorije tečnih kristala.1960sPrvo jedinjenje koje je pokazivalo nematičnu fazu nasobnoj temperaturi je bilo čuveno MBBA.1968 Demonstriran je prvi displej na bazi tenog kristala- liquidcrystal display (LCD).

Nuka o tečnim kristalima postaje egzaktna naukaDe Gennes je proširioLandauovu teoriju faznih prelazakod tečnih kristala. Dobio jeNobelovu nagradu 1991 zadoprinos razumevanju tečnihkristala i polimera (soft matterphysics-fizika mekih materijala).Landau - de Gennes-ovateorija, koja daje fenomenološkiopis molekularnog reda kodrazličitih tečno kristalnih faza,prelaza između njih, elastične ihidrodinamičke osobine,dokazane su kao krajnjeuspešne.

Tečni kristali‣Temperatura na kojoj se supstancija topi u mutnuviskoznu tečnost se zove prelaznom temperaturom i nanju pritisak utiče zavisno od specifičnih zapremina jedne idruge faze (slično polimorfnim faznim transformacijama).‣Temperatura pri kojoj mutna tečnost prelazi u pravu,bistru tečnost (koja je izotropna) je tačka topljenja.Postoje supstancije koje imaju više prelaznih tački.•Postoje supstancije koje imaju više prelaznihtački:Čvrst Smektični B Smektični C Smektični ANematičniIzotropno

Koji tipovi molekula pokazuju stanjetečnih kristala?• Asimetričan i izdužen oblik molekulaNC OC n H 2n+1ROORKalamitični tečni kristalORORROORDiskotični tečni kristal

izgrađujući elementištapićasti-kalimaticiu obliku diska-diskotici

Primeri diskotičnih tečnih kristalaRRRRRORRCOOOC 8H 17RR = C 7 H 15RCOORR OR=C 7 H 15COORH 17 C 8 OCOOCOORR1C12H 25C 12 H 252H3COOOOCH 33OC8 H17RRNNNRNHHNR = CH 2 OC 12 H 25RNNNRRC 12 H 25OOC12H 25H 3 COOH 3 COO4 5OOCH 3OOCH 3RRR R RR=C 8 H 19 COO6 71 hexa-n-alkanoates of benzene; 2 hexa-substituted anthraquinones; 3 trisubstitutedbenzenes; 4 bipyrene derivates; 5 scyllo-inosithe hexa-acetate; 6 octasubstitutedphthalocyanine derivates; 7 hexa-substituted tribenzocyclononene.R

Tečni kristaliNCNNOO(CH 2 ) 6 OCNCHO(CH 2 ) 11 O N N OMeNove fazne struktureSmA faza

Uobičajene cenetralne grupeu molekulimaPreko ovih grupa se ostvaruju bočne veze između molekulaCOOH.... HO....N NAzoOCH 3CH 3△ 5 -SteroidCKiseli dimerCH CHOlefinCH NAzometin(Šifove baze)N NOAzoksiCCAcetilenCHNONitro grupeOCOEster

Uobičajene krajnje grupe umolekuluCH 3(CH 2)ROORO CROC OALKiL- mogu bitigranateALKILOKSI; takođeETRIALKILKARBOKSIALKILKARBONATiR 2NCNNO 2CIJANONITROAMINOR može bitiHOve grupe osciluju i dovode dotopljenja supstancijeF, Cl, Br, IHALOGENi

Tečni kristaliOSOBINE TEČNIH KRISTALAkristaličvrstoTEČNI KRISTALI-MEZOFAZEtečnoizotropno

MezofazeSa porastom temperature može se videti kako neredtaste.Termotropni tečni kristali su indukovanitemperaturom.Liotropni tečni kristali nastaju rastvaranjem uodgovarajućim rastvaračima, najčešće polarnim

Osobine tečnih kristala• Glavna osobina tečnih kristala je da su krajnje osetljivi naspoljašnje poremećaje kao što su električno polje, magnetno poljei svetlost. Ova njihova osobina se koristi u uređajima sa tečnimkristalima.• LC orijentisani paralelno površini aelektrično polje primenjeno normalnona ćelijuElektričnopolje• Optičke osobineDvojno prelamanje Neke oblastisu svetle neketamnene-niformnodvojnoprelamanje

Smektična faza(a) smektična faza – od grčke reči sapun, σμεγμαACSlojevi su sačuvani ali red između slojeva jeizgubljenNajsličniji čvrstom stanju i imaju najvećuviskoznost

Smektični tečni kristaliPored orijentacione uređenostipostoji i izvesno pozicioni redPolimeriProteiniDNAitd…

Thanks to Toby DonaldsonSmektici

Nematična faza(b) nematična faza – od grčke reči za nit, νεμοσSlojevi ne postoje ali je zadržana paralelnaorijentacija između molekula. Ako ih posmatramo utom pravcu izgledaju kao tečnost.Električno i magnetno polje utiče na nematike

Nematična faza, Nhaotičnoraspoređeniali orijentisaniindeks prelamanjavarira zavisno odorijentacijeThanks to Toby Donaldson

Primena nematičnih tečnih kristala• Električno polje utiče nanematične tečne kristale kojipostaju zamagljeni, poluprovidni ili menjaju boju. Pritome s obzirom da oni reflektuju upadnu svetlost, ane stvaraju je, troše malo energije zbog čega je njihovokorišćenje veoma ekonomično.• Primena malih napona (3−5 V) dovodi do promenepravca duže ose čime se menja indeks prelamanjaodnosno boja. Primena većih napona (5−20 V) dovodido razaranja uređene strukture tečnog kristala dovodećido stvaranja mikroskopskih vrtloga koji intenzivnorasejavaju upadnu svetlost usled čega nematik gubitransparentnost i postaje mlečno beo.• indikatori brojeva i slova• optičke reze i modulatori

Tečno kristalni Displeji• Niz tankih segmenata poznatih kao PIXEL-iOsnovna strukturna jedinica se sastoji od dvestaklene pločice sa tečnim kristalomizmeđu njihOsnovna jedinicaNedostaci• Ugao posmatranja• Kontrast• Vreme odgovoraPrednosti• Troše manje snage odkatodnih cevi• Mogu koristitisvetlost sredine(semkod kompjuterskihmonitora)

Ravni Panel Displeji-monitorikoristenematične tečne kristale• Tečni kristali su između dvestaklene pločice.– Kristalni sloj je debljinenekoliko mikrona.•Pravacpolarizacije• Providan električni provodnikse nanosi na unutrašnjustranu stakla.• Ukršteno orijentisanipolarizatori su postavljenipreko spoljne strane svakestaklene pločiceSloj tečnog kristalaProvodnik (Sn ili In 2 O)Stakleni slojPolarizator

Ravni Panel Displeji-monitori• Kako rade?–Kadaje napon isključen:• Tečni kristal je u relaksiranom stanju i molekuli suusmereni (tj. orijentisani paralelno jedni drugima).• Polarizovana svetlost koja prolazi kroz prvi polarizator jenepromenjena usmerenim kristalima i blokirana je drugim(ukrštenim) polarizatorom.Nemapropuštenesvetlosti

Ravni Panel Displeji-monitori• Kako rade?– Kada je napon uključen:• provodnici prenose električno polje koje izaziva uvijanjekristala• kada su kristali prisiljeni da se uvijaju isto je i sa pravcempolarizovane svetlosti• nešto ili sva polarizovana svetlost prolazi kroz drugipolarizator.Svetlostpropuštena

Holesterični tečni kristali.nnnxyz= 0= cos q= sin q00xxGrade ih derivati holesterola. Slojevita struktura, aliparalelno orijentisani molekuli u sledećem slojuzarotirani za mali ugao. Spiralna struktura sakorakom spirale koji odgovara talasnoj dužinividljive svetlosti.Korak spirale a time i elektronska strultura i boja semenjaju sa:• temperaturom,• hemisjkim dejstvom• mehaničkim dejstvom.

Holesterični tečni kristali• Promena boje prouzrokovana temperaturskim efektimakoristi se za registrovanje prostorne temperaturskeraspodele ne samo u direktnom kontaktu već i na daljinu(lasersko IC zračenje i temp. profili delova tela iliorgana).• Promena boje može biti izazvana i hemijskim efektimaraznih toksičnih gasova i para, bilo njihovim reverzibilnimapsorbovanjem bilo ireverzibilnom reakcijom sa tečnimkristalom. Promena boje je brza i javlja se pri vrlo niskimkoncentracijala (ppm) toksičnog agensa.• Mehanička dejstva (smicanja, pritiska ili savijanja) mogutakođe da dovedu do promene u strukturi, a time i bojitečnog kristala. Tečni holesterični kristali se stoga koristeza ispitivanje mehaničke otpornosti različitih konstrukcijai otkrivanje nepouzdanih delova ili mesta u njima.

OSOBINE STAKLAStaklasto stanje kao prelazno, karakteriše se osobinama itečnog i čvrstog stanja.Osobine čvrstog: čvrstoća, krutost, otpornost na silesmicanja kao kristaliOsobine tečnog: optička propustljivost, izotropnostOsobine stakla: pri zagrevanju nemaju oštru tačku topljenjaveć omekšavaju, imaju mali termički koeficijent širenja,veliku viskoznost i pri stajanju iskristavljuju (vitrifikacija).Sinonim: amorfna čvrsta stanja i prehlađene tečnosti

Stakla imaju zajedničke osobine sa čvrstim i tečnim stanjem.ČvrstoUređenost dugog dometaLome se po ravnoj površiniVeoma mala pokretljivostčesticaZadržavaju oblik i vraćaju seu originalni oblik posleprestanka dejstvaporemećajastakloUređenost kratkogdometaLome se po krivojpovršiniVeoma malapokretljivostčesticaZadržavaju oblik ivraćaju se uoriginalni oblik posleprestanka dejstvaporemećajatečnoUređenostkratkog dometaNe trpe silesmicanjaOgraničenapokretljivostčesticaZauzimaju obliksuda u kome senalaze zavisno odsvoje zapremine

Stakla• Stakla: prehlađene tečnosti…• Nema stvarnog saznanja koje su vrsteinterakcija koje omogućavaju građenjestakla•Očigledno je da brzo hlađenje može dadovede do stvaranja stakla

Amorfno čvrstoMnoga čvrsta stanja nemaju kristalnu strukturutj. nemaju uređenost dugog dometa.Takva stanja su amorfna čvrsta stanja. Staklase mogu smatrati takvim stanjem.Kristalni SiO 2Amorfni SiO 2-staklo

Molekulska uređenostu kristaluMolekulska uređenost u staklu

STRUKTURA STAKLA• Osnovna jedinica:4-Si04 tetrahedronSi 4+ O 2-• Kvarc je kristalniSiO2:• Staklo je amorfno• Amorfna strukturase javlja pri dodavanju nečistoća(Na + ,Mg 2+ ,Ca 2+ , Al 3+ )• Nečistoće:interferuju formirajući više ilimanje kristalnu strukturu.(Na staklo)Na +Si 4+O 2-Otvorena prostorna strukturanastaje kada su koordinacionipoliedri (koji se ponavljajunepravilno u prostoru gradećinekristalnu prostornu rešetku)mali, ali je naelektrisanjekatjona u poliedru veliko, takoda katjonsko odbijanje dovodido građenja otvorene strukture.

Stakla• Termin koji se obično koristi za keramike• Grade ih neorganska jedinjenja kao što su SiO 2, B 2O 3,GeO 2, As 2O 3, As 2O 5, P 2O 5, BeF 2, GeS 2, As 2S 3, ali iorganske supstancije kao što su glukoza i glicerin.• Da bi supstancija mogla da se javi u staklastom stanjupotrebno je da može da gradi prostornu nekristalnustrukturu koja se odlikuje znatnom rastresitošću,odnosno otvorenošću. Uslov za to su mali koordinacionipoliedri sa velikim nealektrisanjem katjona u njima• Svaki materijal koji očvršćava i postaje krut bezformiranja pravilne kristalne strukture• Nema uređenosti dugog dometa, mada su silikatnitetraedri i dalje međusobno povezani

Stvaraoci stakla• Oksidi Si, B, P, Ge, As i Be koji pomažu u stvaranjutrodimenzione rešetke i time lako prelaze u staklastostanje su stvaraoci stakla•Oksidi Na, K, Ca, Ba sa koordinacionim brojemvećim ili jednakim 6 su modifikatori stakla•Intermedijeri su oksidi Al, Mg, Zn, Pb, Ber, Nb, Ta sakoordinacionim brojevima između 4 i 6 mogu biti istvaraoci stakla ali i modifikatori

Modifikatori• Silikatno staklo – čist SiO 2– Topi se na vrlo visokoj temperaturi– Vrlo lomljivo– Visoka viskoznost• Teško za proizvodnju• Modifikatori se dodaju staklu da se mrežaotvori i poboljšaju osobine

Modifikatori• Struktura SiO 2 stakla može narušiti dodavanjem alkalnihoksida kao što su Na 2 O ili K 2 O. Kiseonični atomi ovihoksida prekidaju mrežu ugrađujući se na mestima gde sudva tetraedra spojena, razdvajajući ih. Svaki tetraedarima po jedan rogalj slobodan, a alkalni metalse ugrađuje• intersticijalno u strukturu, dovodeći do gušćegpakovanja. Ova se mogućnost koristi u tehničke svrheda bi se Si-O struktura delimično narušila tako da sesnizi viskozitet kao i tačka topljenja, kako bi se staklomoglo proizvoditi na nižoj temperaturi.• Ali, ako se doda suviše alkalnog oksida,tako da se odnos O : Si dovede do 2,5 ili3,0, staklasta struktura može biti tolikonarušena da dođe do rastakljivanja.Na +Si 4+O 2

• Specifična zapremina (1/ρ) vs Temperatura (T):Specific SpecifičnavolumezapreminaPrehlađenatečnoststaklo(amorno čvrsto)TgOSOBINE STAKLATečnost(neuređenost)kristal(tj. uređeno) čvrstoTmT• Kristalni materijali:--kristališu na tački mržnjenja, Tm--imaju naglu promenu specifičnezapreminenaTm• Stakla:--ne kristališu--specifična zapremina postepenovarira sa T--Temperatura prelaza u staklastostanje, TgTemperatura prelaza stakla je temperatura na kojoj semenja nagib zavisnosti specifične zapremine od temperature.Temperatura topljenja za kristale je temperatura na kojoj sejavlja naglo, diskontinualno smanjenje specifične zapremine ufunkciji temperature.

η, KC,KBηKB maxKC maxKC-broj kristalizacionihcentaraKB-brzina kristalizacijeTemperatura

Presek kompjuterskesimulacijestrukture15K 2 O·75SiO 2 (K15)stakloK je ljubičast, kiseonikcrven, SiO 44-tetraedar je siv

Sastav komercijalnog stakla