Жидкие кристаллы – все о космосе

Жидкие кристаллы

Жидкие кристаллы — графическая визуализация

Жидкий кристалл – это такое фазовое состояние, во время которого вещество одновременно обладает как свойствами жидкостей, так и свойствами кристаллов. То есть они обладают текучестью, и вместе с тем им присуща анизотропия – различие свойств данной среды в зависимости от направления внутри нее (например, показатель преломления, скорость звука или теплопроводность).

Жидкие кристаллы имеют структуру вязких жидкостей, которая состоит из молекул дискообразной формы. Ориентация данных молекул может изменяться при взаимодействии с электрическими полями.

История открытия

В 1888-м году австрийский ботаник Фридерих Рейнитцер выяснил, что у некоторых типов кристаллов имеется две точки плавления, из чего следует, что существует два различных жидких состояния, в одном из которых вещество прозрачное, а в другом – мутное.

И хотя в 1904-м году немецкий физик Отто Леман предоставил ряд научных доказательств в пользу жидких кристаллов в своей одноименной книге, все же долгое время жидкие кристаллы не признавались как отдельные состояния вещества.

В 1963-м году американский изобретатель Джеймс Фергюсон нашел применение одному из свойств ЖК – изменение цвета в зависимости от температуры. Американец получил патент на изобретение, которое способно обнаруживать невидимые для глаз тепловые поля.

С этого популярность жидких кристаллов начала расти.

Группы жидких кристаллов и их свойства

Жидкие кристаллы обычно разделяют на две группы:

  1. Термотропные – образовываются вследствие разогрева твердого вещества. Способны существовать в условиях определенной температуры и давления. Их разделяют на три типа, в зависимости от расположения молекул:

    порядки разных термотропных ЖК

    1. Смектические – такие ЖК имеют слоистую структуру, слои которой способны перемещаться друг относительно друга. Плотность слоя с приближением к поверхности может меняться. Кроме того, «смектики» обладают относительно высокой вязкостью. Наиболее обширный класс ЖК.
    2. Нематические – не обладают слоистой структурой, а их вытянутые молекулы непрерывно скользят вдоль своих длинных осей, при этом вращаясь вокруг них. Такие ЖК подобны жидкостям. К этому агрегатному состоянию способны прийти только те вещества, молекулы которых имеют форму, при которой они не отличаются от своего зеркального отражения.
    3. Холистерические – образовываются в соединениях различных стероидов, например, холестерина. Во многом схожи с нематическими ЖК, за исключением расположения молекул. Длинные оси молекул холистерических ЖК повернуты друг относительно друга таким образом, что молекулы образуют спирали. Основная особенность такого типа жидких кристаллов – его молекулы сверхчувствительны к любому изменению температуры и в зависимости от нее – меняют свою ориентацию, а значит и саму спираль. Примечательно, что в зависимости от шага спирали холистерических ЖК также меняют свой цвет. В связи с двумя указанными свойствами, такие жидкие кристаллы нашли широкое применение в различных сферах человеческой деятельности.

Три типа термотропных жидких кристаллов

  1. Лиотропные – образовываются в смесях, состоящих из стержневидных молекул данного вещества и полярных растворителей (например, воды).

Применение жидких кристаллов

ЖК-дисплеи

Прежде всего следует отметить не наиболее полезное, но наиболее известное применения ЖК – жидкокристаллические дисплеи. Иногда они называются LCD-дисплеи, что есть сокращением английского «liquid crystal display».

В век гаджетов такие дисплеи присутствуют практически в любом электронном устройстве: телевизоры, мониторы компьютеров, цифровые фотоаппараты, навигаторы, калькуляторы, электронные книги, планшеты, телефоны, электронные часы, плееры и др.

Устройство ЖК-дисплеев достаточно сложное, однако в общем виде представляет собой набор стеклянных пластин, между которыми расположены жидкие кристаллы (ЖК-матрица), и множество источников света.

Пиксель ЖК-матрицы включает в себя пару прозрачных электродов, которые позволяют менять ориентацию молекул жидкого кристалла, а также пару поляризационных фильтров, которые регулируют степень прозрачности и др.

Структура жидкокристаллического дисплея

Термография

Менее популярное, но более важное применение ЖК – это термография. Термография позволяет получить тепловое изображение объекта, в результате регистрации инфракрасного излучения – тепла. Инфракрасные приборы ночного зрения используются пожарными, в случае задымления помещения, с целью обнаружения пострадавших в пожаре. Также они нашли применение у служб безопасности и военных служб.

Тепловые изображения позволяют обнаруживать места перегрева, нарушения теплоизоляции, или другие аварийные участки при обслуживании линий электропередачи или строительстве.

Применение термографии в обслуживании линий электропередач

Также термография используется при медицинской визуализации, в основном для наблюдения молочных желез. Это позволяет обнаруживать различные онкологические заболевания, вроде рака молочной железы.

Компьютерная термография в медицине

Электронные индикаторы

Электронные индикаторы, создаваемые при помощи жидких кристаллов, реагируют на различные температуры, в результате чего могут проинформировать о сбоях и нарушениях в электронике. К примеру, ЖК в виде пленки наносят на печатные платы и интегральные схемы, а также – транзисторы. Неисправные сегменты электроники легко отличить при наличии такого индикатора.

Помимо этого, ЖК-индикаторы, расположенные на коже пациента, позволяют обнаруживать воспаления и опухоли у человека.

Индикаторы из жидких кристаллов используют и для обнаружения паров различных вредных химических соединений, а также обнаружения ультрафиолетового и гамма-излучения. С применением ЖК разрабатываются детекторы ультразвука и измерители давления.

Алкотестер на основе жидкокристаллического индикатора паров

Помимо прямого применения ЖК в перечисленных выше сферах, следует отметить, что жидкие кристаллы во многом похожи на некоторые клеточные структуры, и иногда присутствуют в них.

В силу своих диэлектрических свойств жидкие кристаллы регулируют взаимоотношения внутри клетки, между клетками и тканями, а также между клеткой и окружающей средой.

Таким образом, изучение природы и поведения жидких кристаллов может привнести вклад в молекулярную биологию.

by HyperComments

Источник: http://SpaceGid.com/zhidkie-kristallyi.html

Применение жидких кристаллов в тепловом аэродинамическом эксперименте

УЧЕНЫЕ. ЗАПИСКИ Ц А Г И Т о м VII 197 6

№ 4

УДК 532.526. 011.6

ПРИМЕНЕНИЕ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ В ТЕПЛОВОМ АЭРОДИНАМИЧЕСКОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ

М. М. Ардашева, М. В. Рыжкова

Приведены результаты измерений коэффициента теплоотдачи на телах различной формы с помощью плавящихся жидких кристаллов при числе М,,, = 5.

Эти результаты сравниваются с результатами расчета измерений коэффициента теплоотдачи методом термоиндикаторных покрытий.

Сравнение показывает возможность применения жидких кристаллов для измерения коэффициентов теплоотдачи на моделях в аэродинамических трубах.

Жидкие кристаллы нашли широкое применение в медицине и технике в качестве сверхчувствительного миниатюрного термометра благодаря их свойству изменять цвет при малых изменениях температуры и возможности измерения очень малых разностей температур на расстояниях, составляющих десятые доли миллиметра [1—3].

Эти свойства заманчивы для применения жидких кристаллов в аэродинамических исследованиях, например, для измерения коэффициента теплоотдачи на моделях сложной формы тем же путем, какой используется в методе термоиндикаторных покрытий [4, 5], и для изучения перехода пограничного слоя из ламинарного в турбулентное состояние.

Цвет жидкого кристалла зависит не только от температуры, но и от угла зрения, и от величины напряжения трения на рассматриваемом участке поверхности.

Эти обстоятельства затрудняют получение надежных количественных данных по теплоотдаче и значительно усложняют проведение эксперимента.

По-видимому, из-за этого жидкие кристаллы не нашли широкого применения в тепловом аэродинамическом эксперименте, и лишь в единичных работах приведены результаты, полученные с помощью жидких кристаллов [6—8].

При изучении свойств жидкокристаллических композиций было обнаружено, что некоторые жидкие кристаллы плавятся при строго определенной температуре ¿К) при плавлении становятся прозрачными и имеют очень четкую границу плавления. Этот факт во

многом снимает трудности применения жидких кристаллов в аэродинамическом эксперименте. Плавящиеся жидкие кристаллы дополняют большую серию термоиндикаторов плавления.

Особый интерес для аэродинамических исследований представляют плавящиеся жидкие кристаллы, температура плавления которых меньше нижней границы критической температуры применяемых термоиндикаторов (¿К = 40°С).

Такие жидкие кристаллы нужны для измерения коэффициента теплоотдачи на моделях в областях с низким уровнем тепловых потоков и для исследования теплообмена в трубах кратковременного действия, где изменения температуры поверхности модели за время эксперимента невелики.

Приведены некоторые результаты измерения коэффициента теплоотдачи на подветренной поверхности крыльев и полуконуса для иллюстрации возможности применения плавящихся жидких кристаллов в аэродинамических трубах и для выявления преимуществ и недостатков жидких кристаллов по сравнению с термоиндикаторными покрытиями.

Читайте также:  Космонавт волынов борис валентинович - все о космосе

Модели. Условия и методика испытаний. Для исследований использовались модели прямоугольной пластины, треугольного и круглого крыла, крыла с изломом передней кромки и полуконуса, изготовленные из текстолита.

Вершина полуконуса и треугольного крыла, а также передние кромки крыльев были острыми. Рабочая поверхность моделей была плоской; от нее отсчитывался угол атаки.

Углу атаки приписывался минус, когда плоская поверхность была подветренной.

Испытания проводились при числе Мга = 5, давлении торможения р0 = 8-Ю5Г1а и температурах торможения t0 = 120 -г- 250° С. Значения числа Рейнольдса, рассчитанные по параметрам невозмущенного потока и длине л —0,1 м, были равны (1,4-ь 0,95)-10е.

Измерения коэффициента теплоотдачи проводились методом термоиндикаторных покрытий, при этом использовался термоиндикатор плавления с критической температурой ¿к = 42° С и три жидкокристаллические композиции холестерического типа с температурами плавления — 29, 35 и 45°С, разработанные во ВНИИ монокристаллов (г. Харьков).

Варьируя химический состав и процентное содержание компонентов, входящих в состав композиции, удалось получить набор жидких кристаллов, различающихся по температуре плавления на 1 — 1,5°С.

Поскольку жидкие кристаллы впервые используются в аэродинамических исследованиях, кратко охарактеризуем их свойства и опишем некоторые стороны техники проведения эксперимента.

Выбранные жидкие кристаллы, как показали исследования на специальной градуировочной установке, при нагревании не дают цветовых переходов, а плавятся и имеют четкую границу плавления; на границе плавления цветная пленка жидкого кристалла становится прозрачной.

Температура плавления не зависит от давления в исследованном диапазоне от МО5 до 13,3 Па, а положение границы не зависит от угла зрения.

Отметим, что при слишком малых углах зрения теряется контрастность границы плавления, что необходимо учитывать при расположении кинокамеры, фиксирующей движение фронта плавления на модели в процессе испытаний.

При воздействии сил трения пленка жидкого кристалла изменяет свой цвет, если напряжение трения превосходит определенную величину. В табл. 1 приведены значения температуры плавления жидких кристаллов, их первоначальный

цвет и цвет, приобретаемый при воздействии напряжений трения; расплавленная пленка прозрачна.

Жидкие кристаллы очень тонким слоем (приблизительно 1 мкм) наносятся на зачерненную поверхность модели.

После ввода модели в поток на участках поверхности, где произошло плавление жидкого кристалла, видны области черного цвета. Заметим, что толщина слоя термоиндикаторов плавления не может быть менее 10 мкм.

Возможность нанесения более тонких покрытий из жидкого кристалла является их преимуществом над термоиндикаторами плавления.

Таблица 1

¿к при р—105, °С Первоначальный цвет пленки (при ¿

Источник: https://cyberleninka.ru/article/n/primenenie-zhidkih-kristallov-v-teplovom-aerodinamicheskom-eksperimente

Жидкие кристаллы 1: история и классификация

Жидкие кристаллы – состояние вещества, характеризуемое одновременно свойствами как жидкостей, так и кристаллических веществ, например, жидкие кристаллы текучи как жидкости, но при этом сохраняют ориентацию молекул наподобие кристаллов.

История открытия ЖК

Жидкие кристаллы открыл в 1888 году австрийский ботаник Ф. Рейнитцер. Он обратил внимание, что у кристаллов холестерилбензоата и холестерилацетата было две точки плавления и, соответственно, два разных жидких состояния — мутное и прозрачное.

Чтобы разобраться в этом явлении, он связался с физиком Отто Леманом. Он исследовал полученную жидкость и установил ее кристаллическую структуру.

На заседании Венского Химического Общества 3-го мая 1888 он представил свое открытие и описал 3 главных свойства жидких кристаллов: наличие двух точек плавления, отражение циклически поляризованного света и способность поворачивать плоскость поляризации света.

Однако, учёные не обратили особого внимания на необычные свойства этих жидкостей. Рейнитцер не стал продолжать своего исследования.

Работу проболжал Леман, а потом Дэниел Форландер, который за время своей карьеры, продолжавшейся до 1935-го, синтезировал большую часть известных на сегодняшний день жидкокристаллических материалов.

В остальном же, популярность жидких кристаллов в научном сообществе была весьма низкой, в первую очередь из-за того, что для них не было никакого практического применения.

После Второй Мировой исследования были продолжены Джорджем Уильямом Греем, который разработал общие представления о том, какой структурой должны обладать вещества для того, чтобы иметь ЖК-свойства.

В 1965 он организовал первую конференцию по ЖК, на которой присутствовало около 100 ведущих специалистов по ЖК со всего мира.

Конференция обозначила начало международных исследований в этой области, которые положили начало практическому применению ЖК.

Начало применения ЖК для электрических дисплеев началось в 1962 году в лабораториях RCA (Американской Корпорации Радио).

При приложении электрического поля к слою нематических кристаллов при температуре 125 С физхимик Ричард Уильямс наблюдал образование регулярной структуры, которая потом стала называться Доменами Уильямса. Это позволило его коллеге Джорджу Хайлмайеру создать первый ЖК-дисплей.

Дальше работа пошла в сторону снижения температуры перехода используемых вещества в ЖК-фазу, так как нагревать дисплеи выше 100 С было довольно непрактично. В 1969 Ханс Келкер успешно синтезировал вещество, образовывавшее нематическую ЖК-фазу при комнатной температуре, MBBA, ставшее одним из самых популярных веществ, использовавшихся в ЖК-дисплеях.

Разработка этого и других стабильных ЖК с низкими температурами плавления привела к быстрой адаптации ЖК для маленьких ЖК-дисплеев в различной электронике.

В 1991 Пьер-Жиль де Жен, работавший в Университете Париж-Юг получил Нобелевскую Премию по физике «за обнаружение того, что методы, развитые для изучения явлений упорядоченности в простых системах, могут быть обобщены на жидкие кристаллы и полимеры».

Классификация жидких кристаллов

ЖК подразделяются по условиям перехода в жк-состояние на термотропные, лиотропные и металлотропные:

  • Термотропные ЖК переходят в жк-состояние при изменении температуры.
  • Лиотропные ЖК – фазовый переход в зависимости от температуры и концентрации растворителя.
  • Металлотропные ЖК – состоят из органической и неорганической фаз, в результате чего фазовый переход оказывается зависимым не только от температуры и концентрации, но и от соотношения органической и неорганической фаз.

Термотропные:

Нематические ЖК

Одна из ниболее распространенных ЖК-фаз – нематическая (от греческого nema – нить). Обычно органические молекулы, образующие нематические фазы, имеют вытянутую, похожую на стержень, форму. Они не образовывают кристаллической решетки даже на ближних порядках, но выстраиваются в ряд по примерно одному направлению.

В результате молекулы имеют возможность скользить относительно друг друга. Они так же текучи, как обычные жидкости, но могут легко изменять направление своей ориентации под воздействием внешнего магнитного или электрического поля.

Это дает им оптические свойства аналогичные одноосным кристаллам, что делает их очень удобными при изготовлении ЖК-экранов.

Смектические ЖК

Смектические фазы, обычно существующие при более низких температурах, чем нематические, образуют слои, которые могут скользить относительно друг друга наподобие мыла (отсюда название от латинского слова smecticus, обозначающего «имеющий свойства, похоже на свойства мыла»). Внутри слоев молекулы ведут себя как жидкости.

На заглавном рисунке изображен переход смектической фазы жидких кристаллов в нематическую.

Холестерические ЖК

Эта фаза, которую также можно назвать хиральной нематической, может быть образована только молекулами со свойством хиральности (зеркальной симметрии).

В этой фазе образуется спиральное закручивание в ориентации молекул, которые располагаются перпендикулярно основной оси спирали.

Холестерическими такие кристаллы называются из-за того, что подобные структуры чаще всего образуются производными холестерина.

В недавнее время были также открыты так называемые колончатые фазы, которые часто образуются дискообразными молекулами, расположенными слоями друг на друге в виде многослойных колонн, с параллельными оптическими осями. Часто их называют «жидкими нитями», вдоль которых молекулы обладают трансляционными степенями свободы. Этот класс соединений был предсказан академиком Л.Д. Ландау, а открыт лишь в 1977 Чандрасекаром.

Лиотропные:

Лиотропные ЖК представляют собой смеси как минимум двух веществ – амфифильной фазы и растворителя. Растворитель заполняет боьлшую часть пространства, обеспечивая веществу текучесть. А амфифильные вещества, одна часть которых растворяется в растворителе, а вторая – нет.

Поэтому они объединяются в группы молекул – мицеллы, в которых части, не взаимодействующие с растворителем, группируются внутри, а взаимодействующие – снаружи, таким образом обеспечивая разделение несмешивающихся компонентов.

Читайте также:  Внутренее строение планеты меркурий - все о космосе

Самым распространенным примеров лиотропного ЖК является обычное мыло.

Концентрация и состав растворителя напрямую воздействуют на образование и структуру мицелл.

В результате концентрация растворителя, дествующая как еще одна степень свободы системы, позволяет лиотропным кристаллам образовывать много новых форм, недоступных для обычных термотропных кристаллов.

При увеличении концентрации амфифила мицеллы могут выстраиваться в структуры, подобные кристаллическим решеткам, образуя более кристалло-подобные материалы.

Металлотропные:

Также жидкокристаллические фазы могут образовываться на основе легкоплавких неорганических веществ, таких как хлорид цинка, которые могут легко стекловаться. Добавление к таким структурам длинных мылоподобных молекул ведет к образованию ряда новых фаз с ЖК-свойствами, образующимися как в зависимости от концентрации неорганической фазы, так и от температуры.

Жидкие кристаллы в живой природе

Лиотропные жидкие кристаллы широко распространены в живой природе, из-за чего они привлекают внимание таких научных дисциплин, как биомиметическая химия. Например, биологические мембраны и клеточные мембраны – это вид жидких кристаллов.

Они достаточно прочны, чтобы удерживать свои молекулы вместе и создавать защитный барьер для клетки, но в то же время достаточно подвижны для обеспечения циркуляции питательных веществ через канальцы и взаимодействие с окружающей средой с помощью специальных белков, встроенных в мембрану.

Источник: https://polymus.ru/ru/pop-science/blogs/channels/himiya-buduschego/124325/

Наш мозг – система жидких кристаллов

Мы живем в мире кристаллов. Кристаллы не только вовне, но и внутри нас: они составляют и вещество мозга, и оболочки нервных клеток, и кровяные шарики — эритроциты.

Правда, кристаллы эти не обычные, а так называемые «жидкие». Привычно думать, что главный признак кристалла — это строгий порядок расположения, периодичность повторения одних и тех же частиц.

Отсюда — его особенность: разные свойства по разным направлениям.

И потому само название «жидкий кристалл» заключает в себе парадокс, более того, граничит с абсурдом — ведь в жидкостях и газах нет строгого порядка частиц, наоборот главный их признак — полная одинаковость свойств в любых направлениях. Жидкие кристаллы — своеобразное промежуточное состояние вещества: они текучи, как вода, образуют капли, но их структура упорядочена. Капли жидких кристаллов — всегда строго определенной формы.

Обычно жидкие кристаллы возникают, когда охлаждаются расплавы или повышается концентрация растворов некоторых веществ с длинными молекулами. При этом само вещество приобретает новые, необычные свойства — другую окраску, температуру плавления и т. д. Жидкие кристаллы не так уж редки. Оказалось, что даже чернила для авторучек имеют при высыхании жидкокристаллическую структуру.

Эти сказочно красивые образования имеют три вида: смектические, или мылообразные, нематические, или нитевидные, и холестерические, то есть сходные по строению со всем известным холестерином.

Смектические кристаллы — это ракетообразные молекулы, выстроенные рядами, образующими как бы этажи.

Так расположены молекулы в мыльном пузыре, где между строгими рядами внутренней и внешней поверхности беспорядочно плавают в жидкости молекулы мыла.

Так же устроены и оболочки нервных волокон живого организма, элементы цитоплазмы, структуры хлоропластов — веществ, связанных с реакцией фотосинтеза у растений.

Нематические кристаллы менее упорядочены. Их длинные оси ориентированы в определенном направлении, как булавки в коробочке. Такую структуру имеют многие смолы и стекла и жизненно важные составные части живого белка — лецитин, керазин, цереброн.

Холестерическую форму, как явствует из названия, имеют в определенных условиях почти все соединения холестерина. Их молекулы расположены слоями, как у смектических образований, с той только разницей, что там они «стоят», а здесь «лежат».

Такие молекулы имеют вид плоской дощечки с флажками или поплавками.

Они-то как раз и придают холестерину свойства жидкого кристалла: не дают молекулам располагаться параллельно друг другу, и оси молекул одного слоя становятся под углом к осям другого слоя.

Кристаллы холестерического типа переливаются всеми цветами радуги потому, что они обладают редким свойством: двойным лучепреломлением. Один поляризованный луч отражается, другой проходит через вещество, окрашивая его в разных направлениях по-разному.

Стоит лишь немного расстроить хрупкие связи молекул жидких кристаллов, как резко меняются оптические свойства вещества — его окраска, прозрачность. Особенно чутко реагируют рядовые кристаллы на изменения температуры. Охлаждаясь, они становятся фиолетовыми, потом голубыми, желтыми, красными и снова бесцветными.

Можно так подобрать смесь жидких кристаллов, что совершенно определенный цвет будет соответствовать определенной температуре.

Всякое нарушение однородности материала сопровождается неравномерным распределением тепла, и жидкие кристаллы дают возможность деликатно и безвредно вести контроль за состоянием новорожденных или больных в бессознательном состоянии: с их помощью можно воспроизвести точную карту расположения и выходов к коже кровеносных сосудов — ведь там, где залегает сосуд, температура всегда несколько выше. Жидкокристаллические пленки используют при изучении температурных перепадов в раковых опухолях, различных очагах поражения кожи и в других подобных случаях.

Вообще поведение холестерина в жидкокристаллическом состоянии представляет чрезвычайный интерес для медицины. Выяснением его роли много занимался известный русский патофизиолог профессор Семен Сергеевич Халатов. Он установил, например, что у людей при некоторых заболеваниях резко повышается содержание жидких кристаллов в организме. Отлагаясь в тканях, жидкие кристаллы разрушают клетки.

Если мы будем знать как устроены, как образуются, и разрушаются жидкие кристаллы, то сможем не только определять, но и предупреждать такие тяжелые заболевания, как ожирение селезенки, некоторые кожные болезни, «старческое» помутнение роговицы и желчнокаменную болезнь.

Не менее важны эти знания для изучения живой клетки. Оказывается, жидкие кристаллы не только разрушители. Многим вполне здоровым, нормальным живым клеткам свойственно жидкокристаллическое состояние. Сложной жидкокристаллической системой является и человеческий мозг.

Серое вещество в основном состоит из жидких кристаллов. А в белом веществе и проводящих путях нервной системы жидкие кристаллы играют роль диэлектриков. Они образуют оболочку вокруг нервных волокон — нейронов.

Коллаген, содержащийся в опорных тканях — костях, сухожилиях и мозге, — близок по структуре к кристаллам нематического типа.

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) — хранитель и передатчик наследственной информации в живом организме — тоже образует жидкие кристаллы так называемого лиотропного типа.

Такая распространенность жидких кристаллов в живом организме не случайна. Они легко поглощают и растворяют различные вещества. Замечательные свойства: пластичность и гибкость в сочетании с устойчивостью к внешним воздействиям, чувствительность и тонкость структуры — все это делает жидкие кристаллы незаменимыми элементами живых тканей.

P. S. О чем еще думают британские ученные: А еще нервные клетки человеческого мозга имеют большое влияние на различные аспекты нашей жизни, например, такие как уровень интеллекта, память, воображение, и даже психология отношений между различными людьми порой зависит именно от них.

Источник: http://www.poznavayka.org/anatomiya-i-meditsina/nash-mozg-sistema-zhidkih-kristallov/

Удивительные свойства кристаллов

МНОГИЕ ВЕРЯТ в их мифические целительные способности, некоторые просто стараются сделать свое жилище похожим на лабораторию волшебника Мерлина, принося их в дом, — как ни крути, кристаллы стали неотъемлемой частью окружающего нас мира. Их формам, цветам и размерам нет числа.

Среди них есть широко распространенные в природе и при этом обладающие необычайными свойствами, а есть и настолько редкие, что могут служить особо ценными украшениями. Гиганты, изображенные на этом развороте, были найдены в 300 м под землей неподалеку от города Найка в Мексике.

Там залегает особая разновидность гипса — селенит, самые крупные образцы которого достигают 11 м в длину и весят около 55 т.

Это чудо природы так и осталось бы лишь модным аксессуаром, если бы не научный прогресс, открывший нам секреты кристаллов. Впервые их начали изучать 100 лет назад при помощи техники рентгеноструктурного анализа.

Чтобы отметить эту памятную дату и привлечь внимание к научным методам исследований кристаллов, составляющих основу современных технологий, ООН объявила 2014 год Международным годом кристаллографии.

Читайте также:  Слабая и разряженная атмосфера меркурия - все о космосе

В нашем материале вы узнаете о наиболее выдающихся представителях семейства кристаллов.

ИКОСАЭДРИТ И КВАЗИКРИСТАЛЛЫ

В НАЧАЛЕ 1980-Х годов ученый из Израиля Дан Шехтман (Dan Shechtmao занимался изучением сплавов алюмния, в одном из которых он обнаружил упорядоченную структуру, не имевшую повторяющихся последовательностей.

Это открытие противоречило доминировавшим в то время представлениям о кристаллах, и Шехтман опасался негативной реакции научных кругов. Но в 2011 году за эти исследования он был удостоен Нобелевской премии по химии. Структуры, получившие название квазикристаллов, напоминают мавров из древней Альгамбры.

После Шехтмана в лабораториях по всему миру были синтезированы сотни квазикристаллов, но лишь в 2010 году нашли материал природного происхождения. Он в буквальном смысле свалился нам на голо-ву в составе метеорита, упавшего в Корякских горах в России, и назвали его икосаэдрит.

КВАРЦ

ОДИН ИЗ САМЫХ распространенных минералов, его решетка состоит из атомов кремния и кислорода.

Он обладает весьма полезным свойством: при механической деформации — сжатии или изгибе — на поверхности возникает электрический заряд.

Так называемый пьезоэлектрический эффект является обратимым: если к кварцевому кристаллу приложить заряд, он согнется. Стоит пустить электрические импульсы — и наш кусочек кварца начнет колебаться.

Этот принцип применяется в устройствах для измерения времени. Частота колебаний определяется размерами кристалла, его формой и способом подачи тока. Чаще всего используют вибрации с частотой 32 768 герц.

Цифровой счетчик фиксирует количество колебаний и раз в секунду дает сигнал на перемещение стрелки часов. При постоянной температуре такие часы обладают отличной точностью хода.

В случае наручных часов стабильность обеспечивается теплом человеческого тела.

БРИЛЛИАНТ РОЗОВАЯ ЗВЕЗДА

В НОЯБРЕ прошлого года в Женеве был продан самый дорогой в истории человечества бриллиант — 83 млн долларов (позднее у покупателя возникли трудности с оплатой).

Величина «Розовой звезды», весящей 59,6 карата (11,92 г), равна 2,69 х 2,06 см.

Как и у других бриллиантов, каждый атом углерода в решетке связан с четырьмя соседними, и благодаря такой плотной и прочной структуре алмазы по твердости превосходят все остальные минералы.

Самые чистые бриллианты бесцветны, а своим разнообразным оттенкам — розовому, коричневому и красному — они обязаны дефектам в кристаллической решетке. Именно оказавшиеся в ее структуре инородные элементы заставляют камни блистать желтоватыми и зеленоватыми оттенками, а иногда отливать синевой.

ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ И ЖК-МАТРИЦЫ

ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ, что, когда готовите обыкновенную морковь, вы можете случайно получить жидкие кристаллы? Впервые это заметил австрийский ботаник Фридрих Рейнитцер (Friedrich Reinitzer) в 1888 году, пытаясь выделить холестерин из овощей. Проводя исследования, он заметил, что молекулы в приготовленном им мутном растворе упорядочились в повторяющиеся цепочки, напоминающие устройство твердых кристаллов.

С тех пор были открыты и другие формы, например нематические жидкие кристаллы, применяемые в большинстве современных телевизоров и дисплеев.

В них молекулы вещества упорядочены параллельно, но если приложить напряжение, они меняют ориентацию и иначе пропускают свет.

Внутри ЖК-экрана есть очень тонкий слой нематических жидких кристаллов, заключенных между парой прозрачных электродов, к которым подводится напряжение. Для получения необходимых цветов используются красные, зеленые и синие фильтры.

ЦЕОЛИТ И МИКРОКРИСТАЛЛЫ

РАЗМЕР САМЫХ крошечных представителей мира кристаллов — около 100 нм в сечении, что в 800 раз тоньше человеческого волоса! Они называются ITQ-43, и чтобы разглядеть их структуру, д-ру Уте Колбу (Ute Kolb) из Майнцского университета (Германия) пришлось разработать новую технику исследований — электронную дифракционную томографию. Так удалось обнаружить повторяющиеся каналы в форме четырехлистного клевера, в свою очередь пронизанные каналами меньших размеров.

Они играют роль воронки, через которую могут протискиваться молекулы других веществ.

Благодаря такому устройству ITQ-43 и остальные цеолиты (слева) имеют целый ряд применений: от катализаторов химических реакций до фильтрующих элементов в аквариумах.

Кристаллы ITQ-43 пронизаны порами мелких и средних размеров, такую структуру задают образующие их атомы кремния и германия. Эти необычные конструкции были созданы группой ученых из Испании и Китая.

Ресурсы     939      

Поддержите проект Мир Знаний, подпишитесь на наш канал в Яндекс Дзен

Источник: http://mir-znaniy.com/udivitelnyie-svoystva-kristallov/

Физики научились закручивать пузыри из спиральных жидких кристаллов в обратную сторону

Lisa Tran

Физики из США и Франции предложили способ контролируемого изменения структуры и хиральности холестерических жидких кристаллов, образующих сферические оболочки микронного размера. Оказалось, что этого можно добиться, изменяя степень прикрепления кристаллов к внутренней или внешней поверхности такой оболочки. Работа опубликована в Physical Review X.

Незадолго до конкурса традиционного ежегодного конкурса микрофотографий Nikon Small World, лучшие из которых мы собрали в нашем материале, уже семь лет проходит конкурс видео микрообъектов Small World in Motion.

В 2017 году пятое место в этом конкурсе заняло видео с подвижными микропузырями, состоящими из жидких кристаллов с динамически изменяющейся структурой.

В своей новой работе физики из США и Франции предложили способ получения таких структур и показали, как можно управлять структурой входящих в них жидких кристаллов.

Жидкие кристаллы — вязкие жидкости, состоящие из достаточно крупных молекул вытянутой формы, в которых наблюдается образование упорядоченных структур.

Для жидких кристаллов характерно образование нескольких типов фаз, одна из которых — холестерики — образует спиральные структуры без центральной симметрии.

В каждом из слоев такого жидкого кристалла молекулы выстроены параллельно друг другу, но слои при этом закручиваются друг относительно друга по спирали. Поэтому одним из главных параметров, которые характеризует их структуру является хиральность — направление закрученности таких спиралей.

В данной работе холестерические кристаллы создавались из нематического жидкого кристалла цианопентилбифенила с помощью добавления компонента с хиральной структурой. Из таких кристаллов физики получали сферические оболочки радиусом от 50 до 150 микрон и толщиной от 10 до 50 микрон. Изображения этих оболочек авторы работы получили с помощью поляризационной микроскопии.

Обе границы (внутренняя и внешняя) сферических оболочек стабилизировались с помощью двух типов веществ: либо поверхностно-активных веществ, либо использовался однородный неупорядоченный слой поливинилового спирта.

Если поверхностно-активные вещества заставляли слои жидкого кристалла привязываться поверхности и ориентироваться при этом перпендикулярно границе, то поливиниловый спирт — наоборот, приводил к откреплению жидкого кристалла от границы и созданию разупорядоченной структуры.

Справа изображены структуры жидко-кристаллической фазы в случае наличия и отсутствия поверхностно-активного вещества на межфазной границе.

На рисунках (а) и (с) изображено последовательное изменение структуры жидко-кристаллической оболочки при постепенном уменьшении доли поверхностно-активного вещества на границе и повышении температуры, соответсвенно L. Tran et al.

/ Physical Review X, 2017Оказалось, что структурой жидкого кристалла (и в частности, его хиральностью) можно управлять, изменяя степень привязанности жидкого кристалла к межфазной границе.

Добиться этого можно двумя способами: изменяя долю поверхностно-активного вещества на границах (как внутренней, так и внешней) или повышая температуру всей системы. В качестве способа управления составом поверхности можно ученые предлагают повышать концентрацию солей в водной фазе.

В результате ученым удалось добиться образования структур с разной степенью упорядоченности. При комнатной температуре и больших концентрациях поверхностно-активного вещества образуется абсолютно упорядоченная структура, состоящая из единственного домена холестерического жидкого кристалла, которая при повышении температуры и увеличении доли поливинилового спирта на поверхности постепенно разрушается.

Кроме изменения степени порядка в оболочке, при определенных условиях можно наблюдать переход между двумя упорядоченными состояниями с разной ориентацией слоев жидко-кристаллической фазы: параллельно и перпендикулярно поверхности. В обоих случаях образуется спиральная структура.

Ученые отмечают, что использовать такие жидко-кристаллические оболочки можно не только для того, чтобы получить красивые изображения, но и для создания, например, биосенсоров.

Жидкие кристаллы являются своего рода промежуточным состоянием вещества между твердым телом и жидкостью, в котором соседние молекулы ориентируются одинаковым образом, но ориентация доменов не взаимосвязана.

Одно из недавних исследований показало, что с помощью поверхностно-активных веществ можно получить другую промежуточную фазу между твердом телом и жидкостью — пластический кристалл, в котором, наоборот, домены расположены упорядоченно, а внутри доменов молекулы могут быть расположены хаотично.

Александр Дубов

Источник: https://nplus1.ru/news/2017/11/02/liquid-crystal-bubbles

Ссылка на основную публикацию