بلورهای مایع

[*mishi* 11920]

بلورهای مایع موادی هستند که خواص ساختاری و مکانیکی آنها چیزی بینابین خواص مایعات و بلورهاست. فهم و درک این حالت ماده برای دانشمندان قرنهای نوزدهم و بیستم کار ساده‌ای نبوده است. در اوایل دهه 1970 میلادی اولین دسته از مواد بلورهای مایع پایدار بصورت تجاری ساخته شدند و از آن در ساخت صفحه های Liquid Crystal Display استفاده شد.

نگاه اجمالی

فاز بلور مایعی جسم را گاهی (فروفاز) (به معنی فاز بینابینی) یا فاز فرومورنیک نیز می‌نامند. در بلورها ،اتمها یا مولکولها در شبکه‌های تناوبی منظم آرایش می‌یابند. بدین ترتیب در مقیاس میکروسکوپیکی ، بلورها نظم بسیار زیادی دارند. اگر مکان یک مولکول مشخص شود مکان مولکولهای دیگر را می‌توان با اطمینان فراوانی حتی در فواصل دور هم تعیین کرد.

بلورها در مقابل در مایعات تقریبا آزادانه حرکت می‌کنند و در مقیاس میکروسکوپیکی بسیار نامنظم هستند. با این حال هنوز هم اندازه‌ای نظم کوتاه برد ناشی از دافعه کوتاه برد میان اتمها یا مولکولها در آنها دیده می‌شود. بطوری که اگر مکان یک اتم یا یک مولکول مشخص شود، مکان مولکول‌های دیگر را می‌توان با اطمینان نسبتا زیادی حتی در فواصل دور هم تعیین کرد. از آنجا که نظم مکانی دور برد در مایعات وجود ندارد مایعات در برابر تغییر شکل برشی مقاومتی از خود نشان نمی‌دهند و تحت تأثیر وزن یا نیروی دیگر به آزادی جریان پیدا می‌کنند.

تاریخچه کشف

بلورهای مایع در سال 1888 میلادی توسط Friedrich Reinitzer هنگام مطالعه و بررسی کلسترول در گیاهان کشف شد، ولی نه تنها خود کاشف آن از ماهیت آنچه مشاهده کرده بود کاملا آگاه نبود بلکه تا همین دهه‌های اخیر بصورت یک پدیده جالب توجه به آن نگاه می‌شد.

ساختار بلور مایع

نظم ساختاری بلور مایع ، چیزی بینابین نظم ساختاری مایع و جامد است. تغییرات فاز بین فازهای جامد مایع و مایع ، از طریق گرما کردن در مورد بلورهای مایع توموتروپ و یا مخلوط کردن ماده دوم در مورد بلورهای مایع لیوتروپ میسر می‌شود. بلورهای مایع ترموتروپ معمولا از مولکولهای آلی (کربن دار) تشکیل می‌شوند. این مولکولها یا خطی هستند و قسمت مرکزی آنها سخت است و دنباله‌های انعطاف پذیر در یک سر و یا در دو سرشان دارند یا دایره‌ای هستند و قسمت مرکزی شان قرصی و سخت است و 4 تا 8 دنباله انعطاف پذیر بطور شعاعی از آن خارج می‌شوند. بلورهای مایع ترموتروپ به دسته‌های زیر تقسم می‌شوند:

بلور مایع نیماتیک

بلور نیماتی معمولا از مولکولهای آلی میله‌ای شکل ساخته می‌شود. همانند مایعات ، این نوع بلورهای مایع فقط از لحاظ مولکولی دارای نظم کوتاه برد هستند. برخلاف مایعات در این محورهای بلند مولکولها همگی بطور متوسط هم سو هستند. از اینرو بلور نیماتیم را می‌توان بلور جهت دار ‌دانست. این بلور مایع همانند مایع سلولی جریان پیدا می‌کند، اما از نظم بسیار بیشتری برخوردار است.

بلور مایع اسمکتیک

بلور مایع اسمکتیک هم از مولکولهای میله‌ای ساخته می‌شود، ولی نظم مولکولها در آن بصورت لایه و هم صفحه‌ای است. در هر لایه ، مولکول فوق نظم کوتاه برد مایع گونه دارند. بدین سان ، بلور مایع اسکمتیک را می‌توان تناوبی یا بلور بین در یک بعد و بی نظم یا مایعی در دو بعد دیگر داشت. بلور اسکمتیک مانند بلور سیستماتیک تحت تأثیر وزن جریان پیدا می‌کنند. بسته به اینکه میله‌ها در هر لایه مثلا بصورت مایل یا راست ایستاده باشند. با زیر دسته‌های متعددی از فاز اسکمتیک روبرو می‌شویم.

بلور مایع کوکستریک

بلور مایع کوکستریک شبیه نیماتیک است، اما بجای اینکه میله‌ها در همه جا یکسان باشد، در نقاط مختلف دست خوش تغییر جهت می‌شود که این امر در نهایت ساختاری مارپیچی پدید می‌آورد. اگر صفحاتی عمود بر محور مایع در نظر بگیریم در هر صفحه سمتگیری منظمی همانند فاز نیماتیک روبرو می‌شویم. جهت موضعی این سمتگیری در هر صفحه نسبت به صفحات مجاورتی کمی چرخیده است.

بلور مایع دیسکوتیک دیاستوئی

بلور مایع دیسکوتیک یاستونی از مولکولهای قرص شکل تشکیل شده است. مولکولها در ستونهایی مرتب می‌شوند که نسبتا شبیه به ستونهای میله یا مهره‌های تخته نرم هستند، در هر ستون فقط نظم کوتاه برد وجود دارد. اما ستونها بطور تناوبی در دو بعد مرتب می‌شوند و ترکیب آنها معمولا بصورت شبکه شش گوش است. بدین سان ، بلور مایع دیسکونیک در دو بعد منظم و در یک بعد بی نظم است.

اساس فیزیکی مایع تریوتروپ

در بلورهای مایع ترموتروپ ، گرم کردن ماده جامد منجر به فاز آی بلور مایع بیشتر می‌شود، منظور این است که بجای تبدیل مستقیم از فاز جامد به فاز مایع همسانگرد ، این مواد گرم شدن از یک یا چند فاز بلور مایع عبور می‌کنند.

بلور ------> نیماتیک ------> اسمکتیک ------> مایع همسانگرد

اساس فیزیکی مایع اسکمتیک

در تبدیل از بور به اسکمتیک ، جسم بسیار نرم می‌شود و تحت برش جریان پیدا می‌کند. اگر چه اغلب اگر گذارهای بین فازهای متمایز اجسام ناپیوسته‌اند. فاز اسمکتیک بطور پیوسته به فاز نیماتیک تبدیل می‌شود که آنرا گدازهای مرتبه دوم می‌گویند. نیماتیکها معمولا نسبت به فازهای اسمکتیک چسبندگی کمتری دارند. و اگر اقدامات خاص برای جهت دادن آنها صورت نگیرد، ظاهری کدر یا گل آلود دارند که این هم بخاطر حضور ناحیه‌های متعددی است که هر ک سمتگیری مولکولی خاص خود را دارد. این کدری به هنگام تبدیل بلور مایع اسمکتیک به مابع همسانگری ناگهان از بین می‌رود. به همین دلیل نقطه گذار نیماتیک - اسمکتیک را گاهی نقطه شفاف شدگی می‌نامند.

خواص برجسته بلور مایع

در مایع‌ها اتم‌ها و مولکول ها تقریبا آزادنه حرکت می‌کنند و روی یکدیگر می‌لغزند و در مقیاس میکروسکوپیکی بسیار نامنظم‌اند. اما به دلیل نیروی دافعه کوتاه برد میان اتم‌ها یا مولکول‌های مایع ، تا اندازه‌ای در مایع‌ها نظم کوتاه بردی دیده‌ می‌شود.

از آنجا که نظم مکانی دور برد در مایع‌ها وجود ندارد ، مایع‌ها در مقابل تغییر شکل برشی ، مقاومتی از خود نشان نمی‌دهند و تحت تاثیر وزن یا نیروهای دیگر به آزادی جریان می‌یابند.

نظم ساختاری بلورهای مایع، چیزی بینابین نظم ساختاری مایع و جامد است . شکل زیر تفاوت بین سه حالت مختلف جامد ، بلور مایع و مایع را نشان می‌دهد.

کاربرد بلور مایع

به دلیل شکل میله‌ای مولکولهای تشکیل دهنده بلورهای مایع نیماتیک و اسمکتیک در برابر نور و میدانهای الکتریکی و مغناطیسی پاسخی ناهمسانگرد دارند، بدین سان می‌توان از میدان الکتریکی برای کنترل حتی از مولکولهای بلور مایع نیماتیک می‌گیرند استفاده کرد و این امر به نوبه خود میزان نور بازتابیده یا گذرنده را تغییر می‌دهد، استفاده از این اثر در صفحات نمایی بلور مایع که در ماشینهای حساب ، ساعت دیجیتالی و حتی تلویزیونهای مینیاتوری کاربرد دارد رایج است.

ساختار مارپیچی مشخصه بلورهای مایع کوسترتیک به عنوان توری برای نور مرئی قابل استفاده است. ترکیبات کولسترتیک معمولا با رنگ روشن و براق دیده می‌شوند. چون میزان براق بودن آنها به دما بستگی دارد، از رنگ وابسته به دمای این بلورهای مایه در بعضی دماسنجها بهره برداری می‌شود.