کریستال مایع

کریستال مایع با اینکه مایعات معمولا همسانگرد (ایزوتروپ) هستند، حدود ۲۰۰ ماده شناخته شده‌اند که در حالت مایع و در دماهایی بالاتر از دمای ذوبشان خواص ناهمسانگرد دارند. معمولا به این مواد کریستال‌ها (بلورها) ی مایع گفته می‌شود.
مایعات ناهمسانگرد
اصطلاح کریستال مایع یک پارادوکس است. زیرا واژه کریستال به وجود یک شبکه فضایی خاص اشاره می‌کند اما تشکیل شبکه بلوری در مایعات امکان‌پذیر نیست. در این نوع مواد، جهت‌گیری مولکولی خاصی در شرایط مشخص اتفاق می‌افتد بنابراین بهتر است آن‌ها را مایعات ناهمسانگرد بنامیم.
همچنین سه حالت معمول برای ماده وجود دارد: ۱. جامد، ۲. مایع، ۳. گاز
جامدها رفتارشان به این دلیل است که مولکولهایشان راستایشان را ثابت نگاه می‌دارند و نسبت به مولکول‌های اطراف مکانشان را حفظ می‌کنند. مولکل‌ها در مایعات مخالف این رفتار هستند؛ ان‌ها راستایشان را می‌توانند تغییر دهند و درمایع به هر مکانی حرکت کنند.
ولی بعضی مواد هستند که می‌توانند در یک حالت میانه که بخشی شبیه مایع و بخشی شبیه جامد است وجود داشته باشند. زمانی‌که در اینحالت هستند، مولکول‌های ان‌ها تمایل دارند که راستایشان را ثابت نگه دارند، مانن مولکول‌های جامد، ولی همچنین به مکان‌های مختلف منتقل شوند، مانن مولکول‌های مایع. این به این معناست که کریستال مایع نه یک جامد و نه یک مایع است؛ ولی کریستال مایع بیشتر به حالت مایع نزدیک‌تر است تا جامد.
در یک کریستال مولکول‌ها در سیستمی هندسی و دقیق جای گرفته‌اند و گویا اینکه درجای خود مرتعش شوند اما نیروهای الکتریکی مانع از به هم ریختن ساختمان سخت هندسی ان‌ها می‌شود. مخالف این حالت در مایعات وجود دارد؛ مولکول‌های مایع می‌توانند آزادانه به هر سو بروند و روی هم بلغزند، به همین دلیل همیشه شکل درونی ظرفی را که در ان هستند، اختیار می‌کنند. در کریستا مایع، مولکول‌ها، هر دو رفتار را نشان می‌دهند. روی همین اصل کریستال‌های مایع معمولا دارای گرانروی زیاد (مثل عسل) می‌باشند. مولکول‌های ویژه این مواد را به خاطر قطبی بودن شدیدشان می‌توان مانن میله‌ای در نظر گرفت. جاذبه الکتریکی موجود در شرایط متعارف میل دارد که مولکول‌ها را در الگوهای ویژه‌ای به صف بکشد و منظم سازد (تا حدی مانند پیوند هیدروژنی اب).
مقدار قابل توجهی گرما لازم است تا یک ماده مناسب از جامد به کریستال مایع تبدیل شود، و تنها مقدار کمی بیشتر گرما لازم است تا همان کریستال مایع به مایع واقعی تبدیل شود. این امر دلیل اینکه چرا کریستال مایع به گرما بسیار حساس است و چرا این مواد برای درست کردن ترموترها و مود رینگ‌ها استفاده می‌شوند را بیان می‌کند. همچنین این امر دلیل اینکه نمایشگرهای لپ تاپ در هوای سرد و روزهای بسیار گرم رفتار عجیبی از خود نشان می‌دهند را بیان می‌کند؛ بنابراین بهتر است ان‌ها را مایعات ناهسانگرد بنامیم.
تاریخچه
در سال ۱۸۸۸، یک گیاه‌شناس اتریشی به نام فردریک رینیتزر هنگام کار در دانشگاه آلمانی پراگ، کلسترول را از هویج استخراج می‌کرد تا فرمول شیمیایی آن را بدست آورد. راینیتزر خواص شیمی-فیزیکی مشتقات مختلف کلسترول را آزمایش کرد. چند تن از محققان و همکاران وی تا پیش از آن، اثرات رنگی متمایزی را هنگام سرد کردن مشتقات کلسترول، دقیقا بالای نقطه انجماد مشاهده کرده بودند. راینیتزر خودش پدیده‌ای مشابه را در بنزوات کلسترول یافت؛ ولی رنگ‌ها در نزدیکی نقطه انجماد بنزوات کلسترول، در ویژه‌ترین شکلشان نبودند. راینیتزر دریافت که بنزوات کلسترول مانند سایر ترکیبات ذوب نمی‌شود، بلکه بطور واضح دو نقطه ذوب دارد. در ۱۴۵٫۵ درجه سانتیگراد ذوب شده و تبدیل به یک مایع کدر می‌شود، و در ۱۷۸٫۵ درجه سانتیگراد دوباره ذوب شده، و مایع کدر به یکباره شفاف می‌شود. بعلاوه، این پدیده برگشت‌پذیر بود. راینیتزر برای کمک گرفتن از یک فیزیکدان، در ۱۴ مارس ۱۸۸۸، نامه‌ای به اوتو لهمان نوشت. آن‌ها نامه‌هایی با هم مبادله کردند. لهمان هم بر روی شاره کدر حالت میانی آزمایش‌هایی انجام داد و گزارش کرد که بلوری شدن را دیده است. راینیتزر هم به همین نتایج دست یافت. مبادله نامه با لهمان در ۲۴ آوریل با انبوهی از سوالات بی‌پاسخ به پایان رسید. راینیتزر نتایج خودش را که با نتایج لهمان مطابقت داشت، در۳ مه ۱۸۸۸، در یک نشست در انجمن شیمی وین ارائه داد. تا این زمان راینیتزر سه سیمای متفاوت از کریستال‌های مایع کلستریک را کشف کرده بود. (این نام، بعدها در سال ۱۹۲۲ توسط جرج فریدل به آن‌ها اطلاق شد)
لهمان فورا یک مطالعه سیستماتیک را شروع کرد. در ابتدا با بنزوات کلسترول و سپس با ترکیبات مرتبط که آن‌ها هم پدیده دو ذوبی را بطور مشخص نشان می‌دادند. او با میکروسکوپش هم پلاریزاسیون نور را در این ترکیبات دید و هم رفتار این مواد را در دمای بالا مشاهده کرد. فاز میانی کدر که او دیده بود، یک شاره بود و جاری می‌شد ولی سایر فازها، حالت جامد داشتند. در پایان اوت ۱۸۸۹ او مقاله خودش را برای یک نشریه آلمانی ارائه داد. در ابتدای قرن ۲۰، کریستالهای مایع، بین دانشمندان شناخته شده نبودند. در سال ۱۹۶۹ هانس کلکر موفق شد ماده‌ای را که فاز نماتیک دارد،BBA p-Methoxybenzyliden-p-n-butylanilin))در دمای اتاق سنتز کند. قدم بعدی برای تجاری کردن نمایشگرهای کریستال مایع، سنتز کردن یک ماده شیمیایی پایدار دیگر (cyanobiphenyls) با دمای ذوب پایین توسط جرج گری بود. در سال ۱۹۹۱، زمانی که استفاده از نمایشگرهای کریستال مایع در زندگی روزمره نسبتا رواج یافته بود، پیر ژیل دوژانس جایزه نوبل فیزیک را برای «کشف روش‌های گسترده برای مطالعه پدیده‌های نظم در سیستم‌های ساده‌ای که می‌تواند به شکل‌های پیچیده‌تری از ماده، بخصوص کریستالهای مایع و پلیمرها، تعمیم داده شود» از آن خود کرد.
مبادله نامه با Lehmann در ۰۴ آوریل به پایان رسید در حالی که بسیاری از سوال‌ها بی‌جواب انده بودند. Reinitzer نتایج خود را با Lehmann و Von zepharovich در یک ملاقاتی در انجمن شیمی وین ارائه کرد.
در ان زمان Reinitze سه ویژگی مهم از کریستال‌های مایع کلستریک (توسط Lehmann در ۱۹۲۴ ابداع شد). را مطرح کرد:
۱. وجود دو نقطه ذوب
۲. بازتاب نور پلاریزه مدور
۳. توانایی چرخش جهت قطب سبک
پس از کشف اتفاقی‌اش، Reinitzer مطالعه بیشتری در مورد کریستال‌های مایع را دنبال نکرد. این تحقیق توسط Lehmann کسی که پی برد او با یک پدیده جدید مواجه شده است، ادامه یافت. او قادر به مشاهده نور پلاریزه شد و سپس میکروسکوپ خود را با یک (نگه دارنده نمومه مجهز به بخاری) گرم نگه داشت که وی را قادر ساخت تا آزمایشات خود را در دماهای بالا انجام دهد. در پایان ماه اوت در سال ۱۱۱۹، او نتایج خود را در Zeitschrift fur physikamische منتشر کرد. کار Lehmann به‌طور قابل توجهی توسط شیمیدان Daniel voelander از آغاز قرن بیستم تا پایان بازنشتستگی‌اش در سال ۱۹۳۵ ادامه یافت. پس از جنگ جهانی دوم کار در آزمایشگاه‌های تحقیقاتی دانشگاه در اروپا در مورد سنتز کریستال‌های مایع دوباره آغاز شد. Daniel voelander یک محقق برجسته کریستال‌های مایع شروع به تحقیق در مورد این مواد در اواخر سال ۱۹۴۲ در انگلستان کرد. گروه او مواد جدیدی را که نشان دهنده حالت کریستالی بود سنتز (تولید) کردند و یک فهم بهتری از این که چگونه می‌توان مولکول‌های جدید را طراحی کرد تا این ویژگی را نمایش دهند ارائه داد.
کتاب او در مورد ساختار مولکولی و خواص کریستال مایع یک کتاب راهنما درباره این موضوع شد. یکی از شیمیدانان ایلات متحده ابتدا در سال ۱۹۳۵ در دانشگاه Cincinnati و سپس در دانشگاه Kent state شروع به مطالعه کریستال‌های مایع کرد. درسال ۱۹۹۵ او با حضور بیش از ۱۲۲ دانشمند اولین کنفرانس بین‌المللی کریستال مایع در کنت اوهیو برگزار کرد. این کنفرانس آغاز تلاش در سرار جهان برای انجام تحقیقات در این زمینه که به زودی توسعه بنامه‌های کاربردی علمی برای این مواد بود. مواد کریستال مایع کانون پروهش در توسعه صفحه‌های نمایش تخت الکترونیکی در آغاز سال ۱۹۹۰ در آزمایشگاه RCA شد.
فیزیک‌دان richard villiams مشاهده کرد هنگامی که یک میدان الکتریکی به یک لایه نازک از یک کریستال مایع نماتیک در ۱۲۵ درجه سانتیگراد اعمال می‌شود، یک الگوی منظم که او به نام دامنه نام‌گذاری کرده بود شکل گرفت و این باعث شد همکارش Jorje heilmeir به انجام تحقیقات بر روی صفحه نمایش تخت مبتنی بر کریستال مایع به جای لوله کاتد خلاء اشعه مورد استفاده در تلویزیون بپردازد. در سال 1999 joel E.goldmcher و joseph A.castellano داروخانه پژروهش در گروه RCA کشف کردند که مخلوطی ازترکیبات نماتیک به‌طور انحصاری که تنها در تعداد اتم‌های کربن در زنجیره‌های جانبی ترمینال متفاوت بودند.
تیم پس از آن اقدام به آماده‌سازی مخلوط‌های متعددی از ترکیبات نماتیک که بسیاری از آن‌ها در حال نقطه ذوب بسیار پایین‌تر بود کرد. این تکنیک مخلوط کردن ترکیبات نماتیک برای بدست آوردن محدوده گسترده درجه حرارت در نهایت به عامل استاندارد صنعتی تبدیل شد و این روزها بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرد.
1.nematic
2.smectic
3.cholestric
تصور کنید تعداد زیادی خلال دندان در یک جعبه مستطیل شکل به صورت نامنظم قرار داده شده‌است. وقتی شما جعبه خلال دندان را باز می‌کنید خلال دندان‌ها تقریبا هم جهت هستند اما در یک امتداد نیستند یعنی زاویه بین هر خلال دندان آزادانه حرکت می‌کند (جنش گرمایی مولکول‌ها کمی این نظم را بهم می‌زند) اما جهت حرکت ان‌ها یکسان است.
اسمایتیک نسبت به نماتیک این تفاوت را دارند که بعضی از ان‌ها دقیقا موازی با همدیگر هستند. بلورهای اسماتیک به دو نوع A و Cتقسیم می‌شوند. نوع A همه مولکول‌ها در یک جهت تقریبا موازی‌اند؛ اما نوع C درهرردیف مولکول‌ها موازی‌اند و جهت‌گیری ردیفها با هم کمی متفاوت است.
بلور مایع کلستریک) نوع پیچیده بلور مایع نماتیک است (کایرال است. در این بلور مایع اگر مولکول‌های چند لایه را در نظر بگیریم. مثل ایناستکه در هر لایه یک نمونه از نماتیک را داریم به ترتیب که در لایه‌ها پیش می‌رویم جهت مولکول‌ها نسبت به لایه قبلی می‌چرخد تا در نهایت در لایه آخر به جهت لایه اول می‌رسد، به فاصله بین این چند لایه یک گام (pitch) می‌گویند.
این مواد در برابر پرتو نور واکنش‌های مختلفی از خود بروز می‌دهند. یک کریستال معمولی بسته به ساختار مولکولیش می‌تواند نور را در جهات مختلف برگرداند یا اینکه ان را به چند تجزیه کند (مانند منشور) کریستال مایع نیز همین کار را روی پرتو نور انجام می‌دهد اما با این تفاوت که پایداری‌ای در این بین دیده نمی‌شود؛ مثلا کریستال مایع به واسطه کوچکترین دگرگونی در محیط موجود، یکباره ا شفافیت به تیرگی یا از تیرگی به شفافیت می‌گرایید و حتی رنگ ان نیز تغییر می‌کند. دلیل این حساسیت زیاد را باید در ویزگی دوگانه‌ای مواد جستجو کرد .(این ماده مانند انسان دمدمی مزاج در حالت تردید به سر می‌برد). (جامد یا مایع) ساختارهای مولکولی ناپایدار و متزلزل است و طبیعت که تردید را دوست نمی‌دارد می‌کوشد تا با توجه به شرایط موجود (گوی کریستالی) معینی بازد اما هنوز این ساختمان شکل نگرفته که در اثر یکی از شرایط مانند: دما، همه چیز به هم می‌ریزد و مولکول‌ها دوباره شکل نامرتبی به خود می‌گیرند.
بسیاری از عوامل می‌توانند چنین دگرگونی‌هایی را سبب شوند مانند: نیروی گرانش، تغییرات دما، تغییرات فشار، جریانات الکتریکی؛ با ترکیبی از یک یا چند تا از این متغیرها می‌توان هزاران حالت در کریستال مایع پدیدآورد.
مولکول‌های یک کریستال مایع دارای این ویژگی هستند که بر جهت قرارگیری مولکول‌های اطراف خود تاثیر می‌گذارند، این خاصیت که در ساختمان نمایشگرها از اهمیت ویزه‌ای برخوردار است، جفت شدگی مشارکتی گویند. از طرف دیگر با حضور یک میدان الکتریکی، مولکول‌های دراز پلیمر مایلند تا در راستای میدان قرار گیرند. این برهم کنش با میدان الکتریکی منجر به تغییر خواص نوری ماده و در نتیجه تغییر جهت پلاریزاسیون نور و ایجاد حالت شفاف یا کدر می‌شود. بدین ترتیب می‌توان این ماده را به عنوان یک سوئیچ نوری به کار برد.
Visual effect.1 :
تغییر خاصیت نوری کریستال مایع در جهات مختلف، امکان استفاده از ان را در زیباسازی ممکن می‌سازد مثلا بکارگیری LC در رنگ اتومبیل‌ها که باعث می‌شود هنگام حرکت رنگ اتومبیل متغیر به نظر برسد.
۲. سیستم‌های پردازش داده‌های نوری نظیر بهبود لبه تصویر، عملیات منطقی، کرویشن و فیلترینگ نوری
۳ . لنزهای تطبیقی
۴ . فیلترهای رنگی
۵ . تصویر گری میدان‌های IR گرمایی
۶ . اضافه کردن LC به پلیمرهای معمولی برای دستیابی به ترکیبات مقاوم
۷ . استفاده از فرایندپذیری راحت LC برای شکل دهی ان و ایجاد محصولات متنوع
۸ . استفاده از LC در نمایشگرها (TNLCDs,STNLCDs ,)….
نمونه‌هایی از کریستال‌های مایع
پی-آزوکسی آنیزول
سدیم استئارات
آمونیوم اولئات
کریستال‌های مایع ستونی
ساختار مواد