Düzen ve düzensizliği nasıl birleştiriyor?
19. yüzyılın sonunda, botanikçi ve kimyager Friedrich Reinitzer likit kristal . Sıvı kristallerin elektronik ürünlerde önemli bir rol oynadığını artık biliyoruz.Dijital saatlerin ve cep hesap makinelerinin siyah beyaz monokrom ekranından başlayarak bilgisayar monitörleri, düz ekran TV'ler ve akıllı telefonların geniş renkli ekranlarına kadar likit kristaller birçok ekran teknolojisinin belkemiği haline geldi. . Hemen hemen herkes LCD'leri gördü ve kullandı, ancak LCD tam olarak nedir?
LCD nedir?
Aslında, likit kristal kelimesinin kendisi bir çelişki içermektedir. Malzeme bilimi açısından bakıldığında, Sıvılar düzensizken kristaller sipariş edilir .
kompozisyon Kristaller Atomları veya molekülleri düzenli, düzenli ve periyodik bir yapı oluşturacaktır. Örneğin, sodyum klorür kristallerindeki atomlar (genellikle tuzlar olarak adlandırılır) basit bir kübik yapıda düzenlenir, her atom küpün bir köşesini kaplar ve ardından insan gözü ölçeği görene kadar katman üzerinde katman oluşturur. Bir tuz tanesindeki hemen hemen tüm atomlar, şaşırtıcı bir sonuç veren bu basit modelde düzenlenmiştir: kristal doğal olarak çok düzenli bir geometrik şekil alacaktır.
(Sol) Sodyum klorürün moleküler yapısı, yeşil klor atomudur ve mor, sodyum atomudur. (Sağda) Sodyum klorür kristali (tuz). | Resim kaynağı: Benjah-bmm27 ve W.J. Pilsak
ve sıvı İçindeki atomlar veya moleküller tamamen düzensizdir. Sıvı yok Uzun menzilli yapı , Birbirlerinden yeterince uzak oldukları sürece, bir molekülün konumu diğerinden bağımsız olacaktır. Bu nedenle sıvıda moleküllerin düzeni daha serbesttir, bu da sıvının deforme olması ve akması kolay olduğu anlamına gelir.
Bir sıvıdaki atomların idealleştirilmiş bir tasviri. Yapısı düzensizdir: Uzun menzilli bir yapısı yoktur.
likit kristal Kristaller ve sıvılar arasında, hem düzenli kristal özelliklerine hem de sıvıların düzensiz özelliklerine sahiptir. Sıvı kristalin hem düzenli hem de düzensiz özelliklere sahip olmasının nedeni, sıvı kristal moleküllerin şeklinin Anizotropi (Farklı yönlerden şekil aynı değildir). Çubuk şeklinde ince ve uzun bir sıvı kristal molekül böyle bir örnektir. Bu tür maddeler laboratuvarda sentezlenebilir ve doğada da bulunabilir Örneğin, tütün mozaik virüsü, silindirik bir protein kabuğu içinde kıvrılmış tek sarmallı bir RNA'dır, uzunluk, çapın 15 katıdır.
Çubuk şeklindeki sıvı kristal moleküller için, sıvı kristal fazda olmak, Molekülün yönü düzenlenmiştir, ancak molekülün konumu bozuktur . Bu nasıl başarılır?
Olası yollardan biri Nematik sıvı kristal (Nematik sıvı kristal). Nematik sıvı kristallerde, çoğu molekül, yalnızca küçük yerel dalgalanmalarla aynı yönü gösterir. Bu moleküler yönelim sırası, bir kristaldeki moleküler düzenlemeye benzer. Öte yandan likit kristal moleküllerin konumu uzun menzilli bir yapıya sahip değildir ve bir sıvı gibi akabilir.
Normal nematik sıvı kristal ve kiral nematik sıvı kristal. | Resim kaynağı:
İnsan ölçeğinde, düzen ve düzensizliğin bir arada varoluşu, sıvı kristal bir sıvı gibi akıp damlacıklar oluşturduğunda, sıvı kristal moleküllerin yönelimlerinin tutarlılığının sıvı kristale bir Eşsiz optik özellikler -Sıvı kristal molekülleri, ışıkla benzersiz bir şekilde etkileşime girer. Örneğin, bazı sıvı kristaller sıcaklıktaki değişikliklerle renk değiştirir. Diğer LCD'ler değişecek Işığın polarizasyonu .
Polarizasyon, çıplak gözle görülemeyen ışığın bir özelliğidir, ancak birçok teknik uygulamada önemli bir rol oynar. Polarize ışık, güneş ve akkor lambalar gibi en yaygın ışık kaynaklarından gelen ışığı basit bir filtreden geçirerek elde edilebilir. Bu tür filtreler, Polaroid güneş gözlüklerinin lenslerine ve 3D filmleri izlemek için kullanılan gözlüklere dahildir.
Kiral nematik sıvı kristal Işığın polarizasyonunu değiştirecek olan bu tip likit kristal, likit kristal ekran teknolojisinin (LCD) temeli olan basit elektronik filtreler yapmak için kullanılır.
Kiral nematik sıvı kristal. | Resim kaynağı: Kebes
Elektronik filtre Normal koşullar altında şeffaftır, ancak akım geçtiğinde siyah ve opak olur. Kiral nematik sıvı kristalin etrafına iki polarizasyon filtresi yerleştirilerek böyle bir filtre oluşturulabilir.
Cihaza yönlendirilen ışığı değiştirmek için bir bozuk para kullanılırsa ve polarizasyon filtresi, madeni paranın geçmesi gereken olukla değiştirilirse, birinci oluk dikey ve ikinci oluk yataydır. Madeni para ilk başta dikeydir, ancak dikey oluktan geçtikten sonra kiral nematik sıvı kristal onu 90 derece döndürür, böylece madeni para ikinci yatay oluktan geçebilir.
Doğal ışık, polarizörden geçtikten sonra polarize ışık haline gelir ve bir yönde titreşirken, kiral nematik sıvı kristal polarize ışığın yönünü döndürebilir. | İnternetten resimler
Bu benzetmenin göstermeye çalıştığı şey, ışığın filtreden geçebilmesidir, bu nedenle filtre şeffaftır. Bununla birlikte, akım sıvı kristalden geçerse, Kiral nematik fazı normal nematik faza dönüştürecek Normal nematik sıvı kristal, ışığın polarizasyonunu değiştirmeyecektir. Işık filtreden geçemez ve filtre siyah ve opak hale gelir.
Dijital bir saat ekranında, her numaraya yedi çubuk şekilli elektronik filtre atanmıştır. Uygun filtreyi açın, siyah yapın ve bir sayı görüntüleyebilirsiniz. Bilgisayar monitörleri, TV'ler ve akıllı telefonlar biraz farklı mekanizmalar kullanır, ancak kavramlar benzerdir. Ekrandaki görüntü, piksel adı verilen milyonlarca renkli noktaya bölünmüştür. Her piksel bir kırmızı, yeşil veya mavi ışık kaynağına karşılık gelir ve önüne bir elektronik filtre yerleştirilir. Uygun filtreyi açıp kapatarak ve her pikselin yoğunluğunu ayarlayarak görüntü görüntülenebilir.
Dolayısıyla sıvı kristalin moleküller doğrultusunda düzen ve moleküllerin konumunda düzensizlik gösteren bir malzeme olduğunu biliyoruz. Sıvı kristaller, sıvılar gibi akar ve ışıkla ilginç şekillerde etkileşime girer. Sıradaki soru, doğal olarak, sıvı kristal nasıl var olur? Başka bir deyişle, sıvı kristaldeki molekülleri yeterince temsil edecek ve bu model aracılığıyla moleküllerin akışkan haldeyken kendiliğinden ve düzenli bir şekilde nasıl düzenlendiğini kanıtlayacak bir model oluşturulabilir mi?
Sıvı kristal nasıl var olur?
1949'da Lars Onsager'ın çığır açan çalışması cevabın bir kısmını sağladı - belirli bir yaklaşımla, birçok çubuk benzeri yapı içeren bir sistem kendiliğinden nematik sıvı kristaller oluşturacaktı. Ancak herhangi bir yaklaşımın olmadığı durumlarda insanlar net değildir. 1979 yılına kadar kimyager Ole Heilmann ve matematiksel fizikçi Elliott H. Lieb, sıvı kristal fazlar üretebilen bir dizi model (burada Heilmann-Lieb modeli olarak anılacaktır) tanıttı.
Her şeyden önce bu, bir düzlemdeki sıvı kristali tanımlayan iki boyutlu bir modeldir. İkincisi, bir ızgara üzerinde tanımlanır, bu nedenle moleküller bir kare ızgara ile sınırlandırılır. Bu ızgarada moleküller, 1 uzunluğunda çubuk benzeri yapılar olarak temsil edilir ve yalnızca iki yönden birini seçebilirler: yatay veya dikey. Ek olarak, çubuklar arası kuvvet modele dahil edilir ve bu da çubukları hizalı tutma eğilimindedir. Bu etkileşimli çubukları, bitişik çubuklarla aynı hizada kalma eğiliminde olan küçük mıknatıslar olarak düşünebiliriz.
Heilmann-Lieb modeli. Molekül bir çubukla temsil edilir ve kırmızı dalgalı çizgi, çubuk ile çubuk arasındaki kuvveti temsil eder. | Resim kaynağı:
Heilmann ve Lieb, bu modelde çubuk benzeri yapıların kendiliğinden hizalandığını kanıtladı. Bu nedenle moleküllerin oryantasyonu sıralanır. Çubuk benzeri yapının konumunun kaotik olduğunu kanıtlamadılar, ancak olması gerektiğini tahmin ettiler.
2016 yılında Ian Jauslin ve Elliott H. Lieb, Heilmann-Lieb modelini yeniden incelemek için işbirliği yaptılar. Uygun parametre aralığında, Heilmann-Lieb modelindeki moleküllerin akışkanlığı korurken kendiliğinden düzenleneceğini kanıtladılar. , Bu sistemin davranışı nematik likit kristale benzer.
Ancak yine de çözülmesi gereken önemli bir sorun var. Heilmann-Lieb modelinde moleküller yalnızca iki yönü gösterebilir, ancak gerçek sıvı kristallerde moleküller herhangi bir yönü işaret edebilir. Moleküllerin yönünün kısıtlanmadığı ve nihayetinde sıvı kristal fazların varlığını kanıtlayabilecek gerçek bir moleküler model bulabilir miyiz? Basitleştirilmiş model anlayışımızı sürekli geliştirerek, sorunun cevabına yavaş yavaş yaklaşıyoruz.
Referans bağlantısı:
https://www.ias.edu/ideas/2017/jauslin-liquid-crystals
