Работа 6

ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ В ЖИДКИХ КРИСТАЛЛАХ.

Фазовые переходы в жидких кристаллах являются объектом исследования с точки зрения изменения структуры и свойств кристаллов. Термотропные жидкие кристаллы меняют своё фазовое состояние при изменении температуры. Основные фазовые состояния показаны на рис. 1 и 2. Нематическая и смектическая фазы называются мезофазами. К мезофазам относится и холестерическая фаза, отличающаяся от нематической существованием спиральной закрученности.

Схемы фазовых переходов выглядят обычно следующим образом:

Здесь С – твёрдый кристалл, LC – жидкий кристалл, S – смектик, Ch – холестерик, I – изотропная фаза, Т_ПЛ – температура плавления (или кристаллизации), Т_ПР – температура просветления (точку перехода из жидкокристаллической фазы в обычную фазу).

Если фазы появляются и при нагревании (→), и при охлаждении (←), то они называются энантиотропными. Когда мезофаза появляется только при охлаждении вещества, она носит название монотропной.

Например

Первоначальное изучение фазовых переходов производят с помощью поляризационного микроскопа. Визуальная картина – текстура образца соответствует молекулярной структуре данной фазы, граничным условиям в ячейки, предыстории образца. Текстуры изменяют свой вид при фазовых переходах.

Обычно полагают, что текстура достаточно прямо связана с определённым типом мезофазы. Поэтому по характеру текстуры судят о фазе вещества при температурных изменениях, а также при смешивания двух различных веществ.

Обычно образец помещают между двумя стеклянными пластинами и нагревают до изотропного состояния. Между окрашенными поляроидами образец всегда погашен.

При охлаждении препарата на тёмном фоне появляются светлые анизотропные капли. Нематическая фаза характеризуется темными линиями дислокаций на светлом фоне или шлирен текстурой с характерными дислокациями.

Дальнейшее уменьшение температуры приводит к появлению смектических капель. Поскольку смектик более близок к твёрдому телу по своему строению, то капли имеют форму округлых палочек вследствие анизотропии скорости роста. Сливаясь, палочки образуют конфокальную смектическую структуру. Имеются также две разновидности — веерная текстура и полигональная текстура.

Переход к другим смектическим разновидностям (например, S_А→ S_В) вызывает некоторые изменения текстуры. В твёрдом состоянии текстура представляет собой совокупность кристалликов с резкими, чётко очерченными границами.

Холестерическая мезофаза обычно проявляется в виде конфокальной текстуры плоскостной текстуры и текстуры типа “отпечатки пальцев”.

Целью работы является изучение фазовых переходов в жидких кристаллах. Для этого на столик поляризационного микроскопа помещают термокамеру с изучаемым веществом. Температура измеряется ртутным термометром. Визуально определяются температуры переходов и фазовые состояния в соответствии с атласом текстур. В качестве пробных веществ выбраны этиловый эфир анизальаминокоричнивой кислоты (ЭААК) и холестерил миритат (ХМ). Исследование фазовых переходов проводят в цикле нагревания и охлаждения. Составляются схемы фазовых переходов ЭААК и ХИ.

Рис.1 Простейшая классификация фазовых состояний

а) изотропная жидкость,

б) Нематический кристалл,

в) смектический А кристалл,

г) твёрдый кристалл.

Рис.2. Мезофазы:

S_C- согласованный наклон молекул,

S_B- псевдогексагональная упаковка.

Выполнение работы:

1. Установите поляроиды в скрещенное положение.

2. Установите ячейку с веществом на столике микроскопа. Закрепите термометр.

3. Сфокусируйте объектив микроскопа на текстуре образца.

4. Напряжение на спирали нагревателя поддерживайте не более 30 В в цикле нагревания. В цикле охлаждения источник тока отключается от спирали нагревателя.

5. Изменение текстуры наблюдается визуально. Точки переходов и вид текстуры зарисовать в тетради.

6. Сравнить наблюдаемые текстуры с микрофотографиями. Определить тип структуры.

7. Наблюдения продолжать до появления изотропной фазы (в цикле нагревания) и до кристаллизации в твёрдую фазу (в цикле охлаждения).

8. Составить схемы фазовых переходов в обоих циклах.

Вопросы:

1. Опишите основные фазовые состояния.

2. Нарисуйте несколько схем фазовых переходов.

3. Определите по фотографиям фазовое состояние вещества.

4. Опишите процесс перехода

I→ N→ S→ C

С точке зрения текстурных измерений.

Литература.

1. И.Г. Чистяков. Жидкие кристаллы М., “Наука”, 1966.

2. А.П. Капустин Электрооптические и акустические свойства жидких кристаллов. М., “Наука”, 1973.

3. П.де Жен. Физика жидких кристаллов. М., “МИР”, 1977.

4. Л.М. Блинов. Электро-и магнитооптика жидких кристаллов. М., “Наука”, 1978.

5. А.П. Капустин. Экспериментальные исследования жидких кристаллов. М., “Наука”, 1978.

6. “Жидкие кристаллы”. Сб. под ред. С.И.Жданова. М., “Химия”, 1979.

7. Л. Адамчик, З.Стругальский. Жидкие кристаллы. М., “Советское радио”, 1979.

8. А.С.Сонин. Кентавры природы. М., Атомиздат, 1980.

9. S. Chandrasekhar, Liquid Crystals. Cambridge Univ/.Pres, 1975.

10. Цикл обзорных статей по физике жидких кристаллов в журнале RCA REV. 35 №3, 1974.

.