XIIIpred-IIsem.2010

Транскрипт

1 Sinonimi: tečni kristali, kristalne tečnosti, anizotropne tečnosti, para kristali, mezofaze ili mezomorfno stanje Tečni kristali predstavljaju stanje agregacija molekula koji imaju molekulski red kao u kristalima ali se ponašaju i kao viskozne tečnosti.

2 Osobine tečnosti: površinski napon i viskoznost Osobine čvrstog: optička anizotropija-dvojno prelamanje i interferencija polarizovane svetlosti Širina temepratrskog intervala u kome se javlja: od 0,01 do C Javljaju se pri temperaturana od 20 do C

3 Istorija tečnih kristala Prva opažanja 1850 W. Heintz je opazio da se stearin topi u zamagljenu tečnost na 52 C, menjajući se na 58 C u mutnu i na 62.5 C u bistru te čnost Otto Lehmann je dao naziv ovom stanju i izumeo mikroskop sa postoljem koje se greje i njime je ispitivao fazne prelaze različitih supstancija pomoću polarizacionog mikroskopa sa postoljem koje se greje. ( ) do 1888 Istraživači u različitim oblastima hemije, biologije, medicine i fizike opažali su da izvesni biološki materijali pokazuju mutno tečno stanje izmeñu kristalnog stanja i tečnog stanja. Jedinjenja sintetizovana od holesterola takoñe pokazuju plavu boju kada se hladi njihov izotropni rastop.

4 Tečne kristale ili mezofaze otkrio Rajnicer Friedrich Reinitzer ( ) Thanks to Toby Donaldson

5 Holesterol benzoat Kristal C PT C TT Thanks to Toby Donaldson

6 Nova faza materije 1888 Austrijski botaničar Friedrich Reinitzer, koji se interesovao za biološku funkciju holesterola kod biljaka, posmatrao je ponašanje pri topljenju organskih supstancija sličnih holesterolu (holesterol benzoat). Opazio je kao i W. Heintz 38 godina ranije sa stearinom da se suspatncija topi u oblačastu tečnost na C a postaje bistra na C. Ponovio je i ranije opažanje da pri hlañenju bistre tečnosti se javlja naglo plava boja na prelaznoj temperaturi a da se pred kristalizaciju javlja plavoljubičasta boja. Diskutujući sa Lemanom i drugima došao je do zaključka da je identifikovana nova faza materije koja je nazvana tečnom kristalnom fazom.

7 Polarizacioni mikroskop Kristal Holesterični tečni kristal Izotropna tečnost Thanks to Toby Donaldson

8 Rana otkrića 1890 Prvi sintetički tečni krstal, p-azoksianizol, napravili su Gatterman i Ritschke. MeO N O N OMe (1900) D. Vorlaender i saradnici su sintesisali mnoga termotropna smektička jedinjenja. Vorlaender je publikovao rad o detaljnim pravilima u vezi sa hemijskom strukturom ovih jedinjenja. Ta pravila su bazirana na osobinama više od 170 jedinjenja koje je on sintetizovao u svojoj laboratoriji. Prema ovim pravilima koja su kasnije dovela do statističko teorijskih opisa ponašanja ovih materijala, tečno kristalno stanje je formirano od molekula približno linearnog oblika. Vorlaender je takoñe zapamćen po detekciji polimorfizma kod tečnih kristala, jer je on sintetisao jedinjenje u tečno kristalnom stanju sa nematičnim i dva smektička oblika.

9 1922 George Freidel je izvršio klasifikaciju tečnih kristala baziranu na različitoj molekulskoj ureñenosti svake supstancije: nematični, smektični i holesterični. Takoñe je objasnio orijentacioni efekat električnog polja i prisustvo defekata u tečnim kristalima Carl Oseen i Zöcher su razvili matematičku osnovu za ispitivanje tečnih kristala i uveli Parametar ureñenosti S za opisivanje srednje orijentacije tečnih kristala. Carl Oseen and F.C. Frank je razvio teoriju kontinuuma izvedenu iz rada Oseen-a o elastičnim osobinama tečnih kristala.

10 Zatišje II svetski rat 1949 Onsager je prikazao svoj rad o faznom prelazu izmeñu izotropnog i nematičnog stanja (Onsager-Teorija) Potopuno zatišje u oblasti ispitivanja tečnih kristala. Mislilo se da je sve poznato o njima i nije se očekivalo nikakvo novo otkriće i još gore nisu uvršćeni u udžbenike i literaturu.

11 Ponovno oživljavanje 1950-te Rad Brown-a u SAD, Chistiakoff-a u SSSR-u kao i Gray-a i Frank-a u Engleskoj doveli su do oživljavanja interesa za tečne kristale. Frank i kasnije Leslie i Ericksen razvili su teoriju kontinuuma za statičke i dinamičke sisteme Alfred Saupe, koji je kasnije radio na Kent univerzitetu, razvio je u dvom diplomskom radu zajedno sa svojim mentoromwilhelm Maier-om molekularnu teoriju tečnih kristala ne uključujući permanantne dipole kao u Max Born - ovoj teoriji. Ovaj rad je doveo do Maier-Saupe Teorije, druge dobro poznate teorije tečnih kristala. 1960s Prvo jedinjenje koje je pokazivalo nematičnu fazu na sobnoj temperaturi je biločuveno MBBA Demonstriran je prvi displej na bazi tenog kristala- liquid crystal display (LCD).

12 Nuka o tečnim kristalima postaje egzaktna nauka De Gennes je proširio Landauovu teoriju faznih prelaza kod tečnih kristala. Dobio je Nobelovu nagradu 1991 za doprinos razumevanju tečnih kristala i polimera (soft matter physics-fizika mekih materijala). Landau - de Gennes-ova teorija, koja daje fenomenološki opis molekularnog reda kod različitih tečno kristalnih faza, prelaza izmeñu njih, elastične i hidrodinamičke osobine, dokazane su kao krajnje uspešne.

13 Tečni kristali Temperatura na kojoj se supstancija topi u mutnu viskoznu tečnost se zove prelaznom temperaturom i na nju pritisak utiče zavisno od specifičnih zapremina jedne i druge 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 prelaznih tački: Čvrst Smektični B Smektični C Smektični A Nematični Izotropno

14 Koji tipovi molekula pokazuju stanje tečnih kristala? Asimetričan i izdužen oblik molekula NC OC n H 2n+1 RO OR Kalamitični tečni kristal OR OR RO OR Diskotični tečni kristal

15 izgrañujući elementi štapićasti-kalimatici u obliku diska-diskotici

16 Primeri diskotičnih tečnih kristala R R R R R O R R COO OC 8 H 17 R R = C 7 H 15 R COO R R O R = C 7 H 15 COO R H 17 C 8 O COO COO R R 1 C12H 25 C 12 H 25 2 H3COO OOCH 3 3 OC8 H17 R R N N N R N H H N R = CH 2 OC 12 H 25 R N N N R R C 12 H 25 O O C 12 H 25 H 3 COO H 3 COO 4 5 OOCH 3 OOCH 3 R R R R R R =C 8 H 19 COO hexa-n-alkanoates of benzene; 2 hexa-substituted anthraquinones; 3 trisubstituted benzenes; 4 bipyrene derivates; 5 scyllo-inosithe hexa-acetate; 6 octasubstituted phthalocyanine derivates; 7 hexa-substituted tribenzocyclononene. R

17 Tečni kristali NC N N O O(CH 2 ) 6 OC N C H O(CH 2 ) 11 O N N OMe Nove fazne strukture SmA faza

18 Uobičajene cenetralne grupe u molekulima Preko ovih grupa se ostvaruju bočne veze izmeñu molekula C O OH... HO... N N Azo O CH 3 CH 3 5 -Steroid C Kiseli dimer CH CH Olefin CH N Azometin (Šifove baze) N N O Azoksi C C Acetilen CH N O Nitro grupe O C O Ester

19 Uobičajene krajnje grupe u molekulu CH 3 (CH 2 ) RO O RO C O R C O ALKiL- mogu biti granate ALKILOKSI; takođe ETRI ALKILKARBOKSI ALKILKARBONATi R 2 N CN NO 2 CIJANO NITRO AMINO R može biti H Ove grupe osciluju i dovode do topljenja supstancije F, Cl, Br, I HALOGENi

20 Tečni kristali OSOBINE TEČNIH KRISTALA kristali čvrsto TEČNI KRISTALI-MEZOFAZE tečno izotropno

21 Mezofaze Sa porastom temperature može se videti kako nered taste. Termotropni tečni kristali su indukovani temperaturom. Liotropni tečni kristali nastaju rastvaranjem u odgovarajućim rastvaračima, najčešće polarnim

22 Osobine tečnih kristala Glavna osobina tečnih kristala je da su krajnje osetljivi na spoljašnje poremećaje kao što su električno polje, magnetno polje i svetlost. Ova njihova osobina se koristi u uređajima sa tečnim kristalima. LC orijentisani paralelno površini a električno polje primenjeno normalno na ćeliju Električno polje Optičke osobine Dvojno prelamanje Neke oblasti su svetle neke tamne ne-niformno dvojno prelamanje

23 Smektična faza (a) smektična faza od grčke reči sapun, σµεγµα σµεγµα A C Slojevi su sačuvani ali red izmeñu slojeva je izgubljen Najsličniji čvrstom stanju i imaju najveću viskoznost

24 Smektični tečni kristali Pored orijentacione ureñenosti postoji i izvesno pozicioni red Polimeri Proteini DNA itd

25 Thanks to Toby Donaldson Smektici

26 Nematična faza (b) nematična faza od grčke reči za nit, νεµοσ νεµοσ Slojevi ne postoje ali je zadržana paralelna orijentacija izmeñu molekula. Ako ih posmatramo u tom pravcu izgledaju kao tečnost. Električno i magnetno polje utiče na nematike

27 Nematična faza, N haotično rasporeñeni ali orijentisani indeks prelamanja varira zavisno od orijentacije Thanks to Toby Donaldson

28 Primena nematičnih tečnih kristala Električno polje utiče na nematične tečne kristale koji postaju zamagljeni, poluprovidni ili menjaju boju. Pri tome s obzirom da oni reflektuju upadnu svetlost, a ne stvaraju je, troše malo energije zbog čega je njihovo korišćenje veoma ekonomično. Primena malih napona (3 5 V) dovodi do promene pravca duže ose čime se menja indeks prelamanja odnosno boja. Primena većih napona (5 20 V) dovodi do razaranja ureñene strukture tečnog kristala dovodeći do stvaranja mikroskopskih vrtloga koji intenzivno rasejavaju upadnu svetlost usled čega nematik gubi transparentnost i postaje mlečno beo. indikatori brojeva i slova optičke reze i modulatori

29 Tečno kristalni Displeji Niz tankih segmenata poznatih kao PIXEL-i Osnovna strukturna jedinica se sastoji od dve staklene pločice sa tečnim kristalom između njih Osnovna jedinica Nedostaci Ugao posmatranja Kontrast Vreme odgovora Prednosti Troše manje snage od katodnih cevi Mogu koristiti svetlost sredine(sem kod kompjuterskih monitora)

30 Ravni Panel Displeji-monitorikoriste nematične tečne kristale Tečni kristali su izmeñu dve staklene pločice. Kristalni sloj je debljine nekoliko mikrona. Pravac polarizacije Providan električni provodnik se nanosi na unutrašnju stranu stakla. Ukršteno orijentisani polarizatori su postavljeni preko spoljne strane svake staklene pločice Sloj tečnog kristala Provodnik (Sn ili In 2 O) Stakleni sloj Polarizator

31 Ravni Panel Displeji-monitori Kako rade? Kada je napon isključen: Tečni kristal je u relaksiranom stanju i molekuli su usmereni (tj. orijentisani paralelno jedni drugima). Polarizovana svetlost koja prolazi kroz prvi polarizator je nepromenjena usmerenim kristalima i blokirana je drugim (ukrštenim) polarizatorom. Nema propuštene svetlosti

32 Ravni Panel Displeji-monitori Kako rade? Kada je napon uključen: provodnici prenose električno polje koje izaziva uvijanje kristala kada su kristali prisiljeni da se uvijaju isto je i sa pravcem polarizovane svetlosti nešto ili sva polarizovana svetlost prolazi kroz drugi polarizator. Svetlost propuštena

33 Holesterični tečni kristali. n n n x y z = 0 = cos q = sin q 0 0 x x Grade ih derivati holesterola. Slojevita struktura, ali paralelno orijentisani molekuli u sledećem sloju zarotirani za mali ugao. Spiralna struktura sa korakom spirale koji odgovara talasnoj dužini vidljive svetlosti. Korak spirale a time i elektronska strultura i boja se menjaju sa: temperaturom, hemisjkim dejstvom mehaničkim dejstvom.

34 Holesterični tečni kristali Promena boje prouzrokovana temperaturskim efektima koristi se za registrovanje prostorne temperaturske raspodele ne samo u direktnom kontaktu već i na daljinu (lasersko IC zračenje i temp. profili delova tela ili organa). Promena boje može biti izazvana i hemijskim efektima raznih toksičnih gasova i para, bilo njihovim reverzibilnim apsorbovanjem bilo ireverzibilnom reakcijom sa tečnim kristalom. Promena boje je brza i javlja se pri vrlo niskim koncentracijala (ppm) toksičnog agensa. Mehanička dejstva (smicanja, pritiska ili savijanja) mogu takoñe da dovedu do promene u strukturi, a time i boji tečnog kristala. Tečni holesterični kristali se stoga koriste za ispitivanje mehaničke otpornosti različitih konstrukcija i otkrivanje nepouzdanih delova ili mesta u njima.

35

36 OSOBINE STAKLA Staklasto stanje kao prelazno, karakteriše se osobinama i tečnog i čvrstog stanja. Osobine čvrstog: čvrstoća, krutost, otpornost na sile smicanja kao kristali Osobine tečnog: optička propustljivost, izotropnost Osobine stakla: pri zagrevanju nemaju oštru tačku topljenja već omekšavaju, imaju mali termički koeficijent širenja, veliku viskoznost i pri stajanju iskristavljuju (vitrifikacija). Sinonim: amorfna čvrsta stanja i prehlañene tečnosti

37 Stakla imaju zajedničke osobine sačvrstim i tečnim stanjem. Čvrsto Ureñenost dugog dometa Lome se po ravnoj površini Veoma mala pokretljivost čestica Zadržavaju oblik i vraćaju se u originalni oblik posle prestanka dejstva poremećaja staklo Ureñenost kratkog dometa Lome se po krivoj površini Veoma mala pokretljivost čestica Zadržavaju oblik i vraćaju se u originalni oblik posle prestanka dejstva poremećaja tečno Ureñenost kratkog dometa Ne trpe sile smicanja Ograničena pokretljivost čestica Zauzimaju oblik suda u kome se nalaze zavisno od svoje zapremine

38 Stakla Stakla: prehlañene tečnosti Nema stvarnog saznanja koje su vrste interakcija koje omogućavaju grañenje stakla Očigledno je da brzo hlañenje može da dovede do stvaranja stakla

39 Amorfno čvrsto Mnoga čvrsta stanja nemaju kristalnu strukturu tj. nemaju ureñenost dugog dometa. Takva stanja su amorfna čvrsta stanja. Stakla se mogu smatrati takvim stanjem. Kristalni SiO 2 Amorfni SiO 2 -staklo

40 Molekulska ureñenost u kristalu Molekulska ureñenost u staklu

41 STRUKTURA STAKLA Osnovna jedinica: 4- Si04 tetrahedron Si 4+ O 2- Kvarc je kristalni SiO2: Staklo je amorfno Amorfna struktura se javlja pri dodavanju nečistoća (Na +,Mg 2+,Ca 2+, Al 3+ ) Nečistoće: interferuju formirajući više ili manje kristalnu strukturu. (Na staklo) Na + Si 4+ O 2- Otvorena prostorna struktura nastaje kada su koordinacioni poliedri (koji se ponavljaju nepravilno u prostoru gradeći nekristalnu prostornu rešetku) mali, ali je naelektrisanje katjona u poliedru veliko, tako da katjonsko odbijanje dovodi do grañenja otvorene strukture.

42 Stakla Termin koji se obično koristi za keramike Grade ih neorganska jedinjenja kao što su SiO 2, B 2 O 3, GeO 2, As 2 O 3, As 2 O 5, P 2 O 5, BeF 2, GeS 2, As 2 S 3, ali i organske supstancije kao što su glukoza i glicerin. Da bi supstancija mogla da se javi u staklastom stanju potrebno je da može da gradi prostornu nekristalnu strukturu koja se odlikuje znatnom rastresitošću, odnosno otvorenošću. Uslov za to su mali koordinacioni poliedri sa velikim nealektrisanjem katjona u njima Svaki materijal koji očvršćava i postaje krut bez formiranja pravilne kristalne strukture Nema ureñenosti dugog dometa, mada su silikatni tetraedri i dalje meñusobno povezani

43 Stvaraoci stakla Oksidi Si, B, P, Ge, As i Be koji pomažu u stvaranju trodimenzione rešetke i time lako prelaze u staklasto stanje su stvaraoci stakla Oksidi Na, K, Ca, Ba sa koordinacionim brojem većim ili jednakim 6 su modifikatori stakla Intermedijeri su oksidi Al, Mg, Zn, Pb, Ber, Nb, Ta sa koordinacionim brojevima izmeñu 4 i 6 mogu biti i stvaraoci stakla ali i modifikatori

44 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 mreža otvori i poboljšaju osobine

45 Modifikatori Struktura SiO 2 stakla može narušiti dodavanjem alkalnih oksida kao što su Na 2 O ili K 2 O. Kiseonični atomi ovih oksida prekidaju mrežu ugrañujući se na mestima gde su dva tetraedra spojena, razdvajajući ih. Svaki tetraedar ima po jedan rogalj slobodan, a alkalni metal se ugrañuje intersticijalno u strukturu, dovodeći do gušćeg pakovanja. Ova se mogućnost koristi u tehničke svrhe da bi se Si-O struktura delimično narušila tako da se snizi viskozitet kao i tačka topljenja, kako bi se staklo moglo proizvoditi na nižoj temperaturi. Ali, ako se doda suviše alkalnog oksida, tako da se odnos O : Si dovede do 2,5 ili 3,0, staklasta struktura može biti toliko narušena da doñe do rastakljivanja. Na + Si 4+ O 2

46 Specifična zapremina (1/ρ) vs Temperatura (T): Specific Specifičnavolume zapremina Prehlañena tečnost staklo (amorno čvrsto) Tg OSOBINE STAKLA Tečnost (neureñenost) kristal (tj. ureñeno) čvrsto Tm T Kristalni materijali: --kristališu na tački mržnjenja, Tm --imaju naglu promenu specifične zapremine na Tm Stakla: --ne kristališu --specifična zapremina postepeno varira sa T --Temperatura prelaza u staklasto stanje, Tg Temperatura prelaza stakla je temperatura na kojoj se menja nagib zavisnosti specifične zapremine od temperature. Temperatura topljenja za kristale je temperatura na kojoj se javlja naglo, diskontinualno smanjenje specifične zapremine u funkciji temperature.

47 η, KC,KB KB max η KC-broj kristalizacionih centara KB-brzina kristalizacije KC max Temperatura

48 Presek kompjuterske simulacije strukture 15K 2 O 75SiO 2 (K15) staklo K je ljubičast, kiseonik crven, SiO 4 4- tetraedar je siv

49 Sastav komercijalnog stakla