Жидкокристаллические полимеры.
Министерство образования и науки российской федерации
Казанский (приволжский) федеральный университет
Химический институт им. А. М. Бутлерова
Кафедра Неорганической химии
Реферат на тему:
«Жидкокристаллические полимеры»
Работу выполнила
студентка 714 группы
Хикматова Г.З.
Работу проверила
Игнатьева К.А
Казань- 2012.
Содержание.
Введение…………………………………………………………………………..3
1.Жидкие кристаллы…………………………………………………………......
1.1.История открытия…………...……………………………………….……...4
1.2. Виды кристаллической фазы………………...…………………….……....7
1.3.Методы изучения жидких кристаллов………..…………….…………....11
2.Жидкокристаллические полимеры……..…………………………………….13
2.1.Принципы молекулярного конструирования ЖК полимеров……...…...14
2.2. Основные типы жидкокристаллических полимеров…...……………….18
2.3.Структура и особенности свойств ЖК полимеров..………………….….20
2.4.Области применения….……………………………………………………..
2.4.1.Управление электрическим полем – путь к получению тонкопленочных оптических материалов………………...……………………21
2.4.2.Холестерические ЖК полимеры - спектрозональные фильтры и циркулярные поляризаторы…………………………………………………….23
2.4.3.ЖК полимеры как управляемые оптически активные среды для записи информации…………………………………………….………………..24
|
|
|
2.4.4.Супервысокопрочные волокна и самоармированные пластики………………………………………………………………………….25
Используемая литература…………………………………………………….…28
Приложение.
Введение.
80-ые годы в науке о полимерах ознаменовались рождением и бурным развитием новой области — химии и физики жидкокристаллических полимеров. Эта область, объединившая химиков-синтетиков, физиков-теоретиков, классических физико-химиков, полимерщиков и технологов выросла в интенсивно разрабатываемое новое направление, которое очень быстро принесло практические успехи при создании высокопрочных химических волокон, а сегодня привлекает внимание оптиков и специалистов по микроэлектронике. Но главное даже не в этом, а в том, что жидкокристаллическое состояние в полимерах и полимерных системах, как выяснилось, не только чрезвычайно распространено— на сегодня описаны многие сотни полимерных жидких кристаллов,— но и представляет собой устойчивое равновесное фазовое состояние полимерных тел.
В этом заключается даже некоторый парадокс. В 1988 г. отмечалось столетие с момента описания австрийским ботаником Ф. Рейнитцером первого жидкокристаллического вещества—холестерилбензоата. В 30-ых годах прошлого столетия была разработана физика низкомолекулярных органических жидких кристаллов, а в 60-х годах в мире уже работали миллионы устройств на этих кристаллах. Однако в 60-х и 70-х годах большинство полимерщиков не могло представить себе, например, существование термотропных жидкокристаллических полимеров холестерического типа, и вообще такие системы казались экзотическими представителями нетипичных макромолекулярных объектов. И вот фактически в последние годы произошел своеобразный «взрыв» информации, и сегодня никого уже не удивляют лиотропные и термотропные жидкокристаллические полимеры, синтезируемые десятками ежемесячно.
|
|
|
В данной работе я хотела рассказать о том, когда и как было обнаружено жидкокристаллическое состояние, в чем уникальность жидких кристаллов по сравнению с остальными объектами, о жидкокристаллических полимерах и чем они интересны и замечательны.
Жидкие кристаллы.
Большинство веществ может находиться только в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. Изменяя температуру вещества его можно перевести последовательно из одного состояния в другое. Обычно рассматривали структуру твердых тел, к которым относятся кристаллы и аморфные тела. Отличительной особенностью кристаллов является существование в них дальнего порядка и анизотропии свойств (кроме кристаллов с центром симметрии). В аморфных твердых телах существует только ближний порядок и, как следствие этого, они изотропны. Ближний порядок существует также и в жидкости, однако жидкость имеет очень низкую вязкость, т. е обладает текучестью.
|
|
|
Кроме перечисленных трех агрегатных состояний вещества существует четвертое, получившее название жидкокристаллического. Оно является промежуточным между твердым и жидким и называется также мезоморфным состоянием. В этом состоянии может находиться очень большое количество органических веществ, обладающих сложными стержнеобразными или дискообразными молекулами. При этом они называются жидкими кристаллами или мезофазой.
В таком состоянии вещество обладает многими особенностями кристалла, в частности, для него характерна анизотропия механических, электрических, магнитных и оптических свойств, и одновременно им присущи свойства жидкости. Подобно жидкостям они текучи и принимают форму сосуда, в который они помещены.
|
|
|
По своим общим свойствам ЖК можно разделить на две большие группы. Жидкие кристаллы, образующиеся при изменении температуры, называются термотропными. Жидкие кристаллы, возникающие в растворах при изменении их концентрации, называют лиотропными.
1.1.Жидкие кристаллы были открыты в 1888г. Австрийским профессором ботаники Ф.Рейнитцером при исследовании синтезированного им нового вещества холестерилбензоата, являющегося сложным эфиром холестерина и бензойной кислоты.
Он обнаружил, что при нагревании до 145° кристаллическая фаза (белый порошок) переходит в странную мутную жидкость, а при дальнейшем нагревании до 179° наблюдается переход в обычную прозрачную жидкость. Он пытался очистить это вещество, так как не был уверен, что имеет чистый холестерилбензоат, но тем не менее эти два фазовых перехода воспроизводились. Он отправил образец этого вещества своему приятелю физику Отто фон Леману. Леман занимался изучением обычных кристаллов, в том числе пластических кристаллов, которые мягкие на ощупь, они отличаются от обычных твердых кристаллов. Основным методом изучения была поляризационная оптическая микроскопия – это микроскоп, в котором свет проходит через поляризатор, проходит через вещество, а затем через анализатор – через тонкий слой вещества. При помещении между поляризатором и анализатором кристалликов определенного вещества можно видеть текстуры - характерные картинки для разных кристаллических веществ - и таким образом изучать оптические свойства кристаллов. Получилось так, что Отто фон Леману помогло понять, в чем же причина промежуточного состояния, заблуждение. Отто фон Леман был всерьез уверен, что все свойства кристаллических веществ, кристаллов зависят исключительно от формы молекул, то есть неважно, как они расположены в этом кристалле, важна форма молекул. И в случае жидких кристаллов он оказался прав - форма молекул определяет способность образовывать жидкокристаллическую фазу (преимущественно форма молекул). В 1888 году Рейницер написал, что существуют кристаллы, мягкость которых такова, что позволяет назвать их жидкими, затем Леман написал статью о текучих кристаллах, фактически он придумал термин жидкие кристаллы. Было выяснено, что жидкие кристаллы весьма многочисленны и играют большую роль в биологических процессах. Они входят, например, в состав мозга, мышечных тканей, нервов, мембран. Термин «жидкие кристаллы»,основанный на совместном использовании двух, в определенном смысле, противоположных слов – «жидкий» и «кристаллический», хорошо прижился, хотя введенный французским физиком Ж.Фриделем через тридцать лет после открытия Ф.Рейнитцера термин «мезофаза», образованный от греческого слова «мезос» (промежуточный), является, по-видимому, более правильным. Эти вещества представляют собой промежуточную фазу между кристаллической и жидкой, возникают при плавлении твердой фазы и существуют в некотором интервале температур, пока при дальнейшем нагревании не превратятся в обычную жидкость. Важный исторический эпизод: в 20-30-х годах советский физик Фредерикс изучал влияние различных полей магнитного и электрического на оптические свойства жидких кристаллов, и он обнаружил важную вещь, что ориентация молекул в жидких кристаллах очень легко меняется под действием внешних полей, причем поля эти очень слабые и изменения очень быстрые. С конца 60-х годов начался бум изучения жидкокристаллических систем, жидкокристаллических фаз, и он связан с тем, что научились их использовать. Вначале для систем отображения информации в обычных электронных цифровых часах, затем - в калькуляторах, а с появлением компьютерной техники стало понятно, что жидкие кристаллы можно активно использовать для изготовления дисплеев. Естественно, такой технологический скачок стимулировал изучение с точки зрения фундаментальной науки жидких кристаллов, но следует отметить, какой большой временной разрыв имеется между научными открытиями, связанными с жидкими кристаллами. Фактически люди интересовались ими из любопытства, не было утилитарного интереса, никто не знал, как их использовать, и, более того, в те годы (20-30-е годы) была куда интереснее теория относительности. Кстати, Фредерикс - популяризатор теории относительности в Советском Союзе, потом он был репрессирован и погиб в лагерях. Прошло фактически 80 лет после открытия жидких кристаллов, пока их научились использовать.
1.2.В процессе исследования жидких кристаллов выяснились физические причины четвертого агрегатного состояния вещества. Главная из них – это несферичность формы молекул. Молекулы в этих веществах имеют вытянутую в одном направлении или дискообразную форму. Такие молекулы располагаются либо вдоль определенной линии, либо в выделенной плоскости. Известны три основных вида кристаллической фазы: нематическая (от греческого слова «нема» - нить), смектическая (от греческого слова «смегма» - мыло), холестерическая.
В нематических жидких кристаллах центры масс молекул располагаются и движутся хаотически , как в жидкости, а оси молекул расположены параллельно. Таким образом, дальний порядок существует только по отношению к ориентации молекул. На самом деле молекулы нематика совершают не только поступательные движения, но также и ориентационные колебания. Поэтому строгий параллельности молекулы нет, но есть преимущественная усредненная ориентация (рис. 7.19).Амплитуда ориентационных колебаний зависит от температуры. При увеличении температуры происходят все большие отклонения от параллельности в ориентации, и в точке фазового перехода ориентация молекул становится хаотической. При этом жидкий кристалл превращается в обычную жидкость.
Наибольший интерес для практических применений представляют вещества, существующие в нематической мезофазе при комнатной температуре. В настоящее время, приготовляя смеси различных веществ, получают нематики в области от -20 до +80 градусов и даже в более широком интервале температур.
Для характеристики ориентационного порядка в жидких кристаллах обычно вводят два параметра: директор и степень ориентационного порядка, называемый также параметром порядка. Директор- это единичный вектор I, направление которого совпадает с направлением усредненной ориентации длинных осей молекул. В нематических жидких кристаллах директор совпадает с направлением оптической оси. Вектор I феноменологически характеризует дальний порядок в расположении молекул. Он лишь определяет направление ориентации молекул, но не дает никакой информации о том, насколько совершенна упорядоченность мезофазы. Мерой дальнего ориентационного порядка, является параметр порядка S, определяемый следующим образом:S=1/2(3 
²θ -1) (*), где θ – угол между осью отдельной молекулы и директором жидкого кристалла. Усреднение в (*) ведется по всему ансамблю молекул. Значение S=1 соответствует полной ориентационной упорядоченности, т. е идеальному жидкому кристаллу, а S=0 означает полный ориентационный беспорядок и соответствует нематику, перешедшему в изотропную жидкость.
Холестерические жидкие кристаллы получили своё название от холестерина, потому что в большинстве случаев они представляют собой сложные эфиры холестерина. В то же время, кроме сложных эфиров холестерина, холестерическую мезофазу образует и ряд других веществ. Молекулы всех соединений, образующих холестерик, содержат асимметрический атом углерода, связанный четырьмя ковалентными связями с различными атомами или группами атомов. Такие молекулы нельзя совместить саму с собой простым наложением, так же как левую и правую руки. Они называются хиральными молекулами (от древнереческого «хейр» - рука).
Состоящие из хиральных молеклу холестерические жидкие кристаллы похожи по структуре на нематики, но имеют принципиальное отличие. Оно состоит в том, что, в отличие от нематика, однородная ориентация молекул в холестерике является энергетически невыгодной. Хиральные молекулы холестерика можно расположить параллельно друг другу в тонком монослое, но в соседнем слое молекулы должны быть повернуты на некоторый угол. Энергия такого состояния будет меньшей, чем при однородной ориентации. В каждом последующем слое директор I, лежащий в плоскости слоя, снова поворачивается на небольшой угол. Таким образом, в холестерическом жидком кристалле создается спиральное упорядочение молекул (рис. 7.20). Эти спирали могут быть как левыми, так и правыми. Угол α между векторами I соседних слоев обычно составляет сотые доли полного оборота, т.е. α≈1®. При этом шаг холестерической спирали Р составляет несколько тысяч ангстрем и сравним с длиной волны света в видимой части спектра. Нематические жидкие кристаллы можно рассматривать как частный случай холестерических жидких кристаллов с бесконечно большим шагом спирали (Р→∞). Спиральное упорядочение молекул можно разрушить электрическим или магнитным полем, приложенным перпендикулярно оси спирали.
Смектические жидкие кристаллы являются более упорядоченными, чем нематические и холестерические. Они представляют собой как бы двухмерные кристаллы. Кроме ориентационной упорядоченности молекул, аналогичной упорядоченности в нематиках, существует частичное упорядочение центров масс молекул. При этом директор каждого слоя уже не лежит в плоскости слоя, как у холестериков, а образует с ним некоторый угол.
В зависимости от характера упорядочения молекул в слоях смектические жидкие кристаллы делятся на две группы: смектики с неструктурными и смектики со структурными слоями.
В смектических жидких кристаллах с неструктурными слоями центры масс молекул в слоях расположены хаотично, как в жидкости. Молекулы могут достаточно свободно перемещаться вдоль слоя, но центры масс их находятся на одной и той же плоскости. Эти плоскости, называемые смектическими, расположены на одинаковом расстоянии друг от друга, примерно равном длине молекулы. На рис. 7.21 а показано расположение молекул в таком смектике. Для смектического жидкого кристалла, показанного на рисунке, директор I и нормаль n к плоскости совпадают по направлению. Другими словами, длинные оси молекул перпендикулярны смектическим слоям. Такие жидкие кристаллы называются смектиками А. На рис. 7.21б показан смектик с неструктурными слоями, в котором директор направлен не по нормали к слою, а образует с ним некоторый угол .Жидкие кристаллы с таким расположением молекул получили название смектиков С. В ряде смектических жидких кристаллов существует более сложное упорядочение, чем в смектиках А и С. Примером может служить смектик F, детали упорядочения, в котором до конца ещё не изучены.
В смектиках со структурными слоями мы уже имеем дело с трехмерным статистическим упорядочением. Здесь центры масс молекул также лежат в смектических слоях, но образуют двумерную решетку. Однако в отличие от кристаллических веществ, слои могут свободно скользить друг относительно друга (как и в других смектиках!). Из-за такого свободного скольжения слоев все смектики на ощупь мылоподобны. Отсюда и их название (греческое слово «смегма» - мыло).В ряде смектиков существует упорядочение центров масс молекул такое же, как в смектиках В, но угол между директором I и нормалью n к слоям отличен от нуля. При этом образуется псевдогексагональное моноклинное упорядочение. Такие смектики называются смектиками Н.Существуют также смектики D, близкие к кубической структуре с объемноцентрированной решеткой. Среди вновь синтезируемых жидких кристаллов обнаруживаются такие, которые нельзя отнести к нематикам, холестерикам и смектикам. Их обычно называют экзотическими мезофазами. К ним относятся, например, так называемые дискообразные жидкие кристаллы, или дискотики, которые интенсивно изучаются.
1.3.Поляризационная микроскопия – это первый метод изучения жидких кристаллов, то есть уже по картинке, которая наблюдается исследователем в поляризационный микроскоп скрещенных поляризаторов, можно судить о том какая мезофаза, какой тип жидкокристаллической фазы образуется. Так выглядит характерная картинка для нематической фазы, молекулы которой образуют только ориентационный порядок. Так выглядит смектическая фаза. Чтобы вы представили масштаб всего этого, то есть это намного больше, чем молекулярный масштаб: ширина картинки – сотни микрон, то есть это макроскопическая картинка, намного больше длины волны видимого света. И анализируя такие картинки, можно судить о том, какая там структура. Естественно, существуют более точные методы определения структуры и каких-то структурных особенностей этих мезофаз - такие методы, как рентгеноструктурный анализ, различные виды спектроскопии – это позволяет понять, как и почему молекулы упаковываются таким или иным способом.
Холестерическая мезофаза выглядит таким образом – одна из типичных картинок.
При изменении температуры наблюдается изменение лучепреломления, поэтому цвета меняются, приближаемся к переходу - и наблюдается переход в изотропный расплав, то есть все потемнело, в скрещенных поляризаторах видна темная картинка.
Жидкокристаллические полимеры.
Жидкокристаллические (ЖК) полимеры - это высокомолекулярные соединения, способные при определенных условиях (температуре, давлении, концентрации в растворе) переходить в ЖК состояние. ЖК состояние полимеров является равновесным фазовым состоянием, занимающим промежуточное положение между аморфным и кристаллическим состоянием, поэтому его также часто называют мезоморфным или мезофазой (от греч. мезос - промежуточный). Характерными особенностями мезофазы являются наличие ориентационного порядка в расположении макромолекул (или их фрагментов) и анизотропии физических свойств при отсутствии внешних воздействий. Весьма существенно подчеркнуть, что ЖК фаза образуется самопроизвольно, в то время как ориентационный порядок в полимере может быть легко наведен путем простого растяжения образца за счет высокой анизодиаметрии (асимметрии) макромолекул.
Если полимеры переходят в ЖК состояние или мезофазу в результате термического воздействия (нагревания или охлаждения), их называют термотропными ЖК полимерами, если ЖК фаза образуется при растворении полимеров в определенных растворителях, их называют лиотропными ЖК полимерами.
Первыми учеными, которые предсказали возможность образования полимерами мезофазы, были В.А. Каргин и П.Флори.
Дата добавления: 2018-09-22; просмотров: 2795; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!