Tài li ệu phát h ành t ại: · http://www.thuvienvatly.info · http://www.scribd.com/people/view/2613389-hiepkhachquay Tinh thể lỏng Chuyên đề HIEPKHACHQUAY KIÊN GIANG, THÁNG 12/2008 Tập tài liệu chỉ cung cấp một số thông tin mang tính chất tham khảo. Bạn đọc có thể biên tập lại theo mục đích sử dụng riêng của bạn. © hiepkhachquay © hiepkhachquay | Chuyên đề Tinh thể lỏng 1 Tinh thể lỏng Tinh thể lỏng là gì ? Các chất trong tự nhiên có thể chia thành các pha khác nhau, còn gọi là các trạng thái của vật chất, tùy thuộc vào độ linh động của từng nguyên tử hay phân tử cá lẻ. Các trạng thái dễ thấy nhất của vật chất là trạng thái rắn, lỏng và khí. Ở trạng thái rắn, lực liên phân tử giữ các phân tử gần nhau ở một vị trí và sự định hướng cố định, cho nên chất rắn vẫn giữ được hình dạng xác định. Ở trạng thái lỏng, các phân tử vẫn gắn chặt với nhau, nhưng chúng có thể di chuyển ra xung quanh. Vì vậy, chất lỏng không có một hình dạng rắn chắc, mà tràn vào các đường viền của bình chứa nó. Giống như chất lỏng, chất khí không có hình dạng cố định, nhưng dễ bị nén hơn vì có đủ không gian trống cho các phân tử chuyển động đến gần nhau hơn. Trong khi chất lỏng giữ trong một bình chứa sẽ hình thành nên một vũng tại đáy bình, thì chất khí sẽ giãn nở để lấp đầy bình chứa. Mặc dù ba loại trạng thái này dường như đã phân biệt rõ ràng, nhưng ranh giới giữa các trạng thái khác nhau không phải lúc nào cũng rõ ràng. Ngoài ba trạng thái quen thuộc đó, còn tồn tại một số lượng lớn các pha trung gian khác. Một thí dụ đơn giản là thể gel. Gel không phải thể rắn, cũng chẳng phải thể lỏng. Tinh thể lỏng là một pha trung gian quan trọng khác biểu hiện các đặc điểm của trạng thái rắn lẫn trạng thái lỏng. Tinh thể lỏng có những tính chất trật tự của chất rắn nhưng không được nhận ra mãi cho đến thập niên 1880. Năm 1888, Friedrich Reinitzer (xem hình) được ghi nhận vì sự mô tả có hệ thống đầu tiên của pha tinh thể lỏng và đã công bố các quan sát của ông khi ông tạo ra cholesteryl benzoate, tinh thể lỏng đầu tiên. Friedrich Reinitzer Các chất lỏng bình thường về bản chất là đẳng hướng: chúng biểu hiện các tính chất quang, từ, điện, … như nhau theo mọi hướng trong không gian. Mặc dù các phân tử cấu tạo nên chất lỏng thường không đồng đều về hình dạng, nhưng sự bất đẳng trục này thường giữ vai trò thứ yếu trong hành trạng vĩ mô của chất lỏng. Tuy nhiên, có một họ lớn của các phân tử bất đẳng hướng cao hành trạng khác thường, hấp dẫn, và có tiềm năng liên quan đến công nghệ. Có nhiều ứng cử viên cho việc nghiên cứu như các polymer, micell, vi nhũ tương và các 2 http://www.thuvienvatly.info| © hiepkhachquay chất có tầm quan trọng sinh học, như ADN và màng tế bào. Mặc dù tất cả chúng đều rất hấp dẫn, nhưng bài giới thiệu này chỉ tập trung vào các tinh thể lỏng. Tinh thể lỏng gồm các phân tử hữu cơ kích cỡ vừa phải có xu hướng kéo thon dài, như một điếu xì gà. Ở nhiệt độ cao, các phân tử sẽ định hướng tùy tiện, như biểu diễn trong hình bên dưới, hình thành nên một chất lỏng đẳng hướng. Do hình dạng thon dài của chúng, nên dưới những điều kiện thích hợp, các phân tử biểu hiện trật tự định hướng sao cho tất cả các trục thẳng hàng và hình thành nên cái gọi là tinh thể lỏng nematic. Các phân tử vẫn có thể chuyển động ra xung quanh trong chất lỏng, nhưng sự định hướng của chúng vẫn như cũ. Không chỉ trật tự định hướng có thể xuất hiện, mà một trật tự về vị trí cũng có thể. Tinh thể lỏng biểu hiện một số trật tự về vị trí được gọi là tinh thể lỏng smectic. Trong smectic, khối tâm phân tử sắp xếp thành lớp và chuyển động chủ yếu bị hạn chế bên trong các lớp. Đẳng hướng Nematic Smectic Pha tinh thể lỏng nematic là pha quan trọng nhất đối với các ứng dụng. Trong pha nematic, toàn bộ các phân tử sắp hàng gần như song song nhau. Tại mỗi điểm, có thể định nghĩa một vector đơn vị, song song với hướng trung bình của trục dài của các phân tử trong vùng lân cận. Vector này, gọi là vector đường chuẩn, không phải là hằng số trong toàn bộ môi trường, mà là hàm của không gian. Hình bên dưới biểu diễn cấu trúc phân tử của một phân tử tinh thể lỏng kiểu que tiêu biểu. Nó gồm hai hoặc nhiều hệ vòng nối với nhau bằng một nhóm liên kết ở giữa. Hình dạng tiêu biểu của một phân tử tinh thể lỏng © hiepkhachquay | Chuyên đề Tinh thể lỏng 3 Sự có mặt của các vòng mang lại các lực phân tử tầm ngắn cần thiết để hình thành pha nematic, nhưng còn ảnh hưởng đến các tính chất điện và đàn hồi. Tính ổn định hóa học của tinh thể lỏng, tính cản trở của chúng với độ ẩm hoặc bức xạ cực tím chẳng hạn, phụ thuộc mạnh vào nhóm liên kết ở giữa. Các hợp chất có liên kết đơn ở giữa nằm trong số những chất bền nhất. Tại một phía của các vòng có một chuỗi bên dài ảnh hưởng mạnh đến hằng số đàn hồi và nhiệt độ chuyển tiếp của các pha tinh thể lỏng. Tại đầu kia, một nhóm gốc gắn vào, xác định hằng số điện môi và tính bất dị hướng của nó. Một vài thí dụ về các phân tử biểu hiện một pha tinh thể lỏng được cho bên dưới. MBBA MHPOBC Ngoài các thí dụ đơn giản này, còn có những cách sắp xếp phức tạp hơn, làm phát sinh nhiều loại tinh thể lỏng khác. Các phân tử thuận một bên, các phân tử không có đối xứng gương, có thể phát triển thành các chuỗi xoắn chứa các pha tinh thể lỏng cholesteric. Trong các tinh thể lỏng chứa sắt hoặc không chứa sắt, các lớp smectic có một sự phân cực vĩnh cửu không đổi hoặc biến thiên giữa các lớp liên tiếp. Ngoài các phân tử kiểu que, còn có các tinh thể lỏng hình dạng tiên tiến hơn như tinh thể lỏng hình đĩa hoặc hình quả chuối có thể hình thành nên những loại trật tự khác. Tinh thể lỏng hình đĩa có thể chất đống thành một pha dạng cột, hình bên dưới minh họa khả năng sắp xếp các tinh thể lỏng hình quả chuối. 4 http://www.thuvienvatly.info| © hiepkhachquay Tinh thể lỏng hình đĩa Tinh thể lỏng hình quả chuối Thí dụ về các phân tử phát triển thành các pha tinh thể lỏng hình đĩa và hình quả chuối được cho dưới đây. Phân tử tinh thể lỏng hình đĩa © hiepkhachquay | Chuyên đề Tinh thể lỏng 5 Phân tử tinh thể lỏng hình quả chuối Một loại phân tử tinh thể lỏng có thể biểu hiện nhiều pha tinh thể lỏng khác nhau. Pha trong đó một tinh thể lỏng nguyên chất (với chỉ một loại phân tử) tồn tại phụ thuộc vào nhiệt độ. Tinh thể lỏng nguyên chất, hoặc hỗn hợp của chúng, trong đó pha được điều khiển bởi nhiệt độ, được gọi là tinh thể lỏng hướng nhiệt. Chuyển động Brown của các phân tử tăng lên theo nhiệt độ, làm giảm sự trật tự trong chất liệu. Ở nhiệt độ cao, trật tự định hướng bị mất và chất liệu biến đổi sang pha đẳng hướng. Khi giảm nhiệt độ, chất biến đổi sang pha nematic. Nhiệt độ tại đó sự chuyển pha xảy ra, đặc trưng đối với từng chất, và được gọi là nhiệt độ chuyển pha nematic-đẳng hướng hay điểm lọc. Bằng cách hạ thêm nhiệt độ, pha đó có thể biến đổi sang pha smectic A, smectic C và cuối cùng là trạng thái rắn. Mỗi sự chuyển pha xảy ra tại một nhiệt độ nhất định, nhưng phụ thuộc vào chất liệu, các pha khác nữa có thể xuất hiện hoặc một số có thể bị thiếu. Ngoài tinh thể lỏng hướng nhiệt, còn có một họ tinh thể lỏng khác gọi là lyotropic. Đây là hỗn hợp các phân tử kiểu que trong một dung môi đẳng hướng và nồng độ dung dịch là nguyên nhân chính cho sự xuất hiện pha. Tinh thể lỏng lyotropic chủ yếu hấp dẫn trong các ứng dụng sinh học và biểu hiện một số lượng lớn pha khác nhau. Trật tự của các phân tử tinh thể lỏng có lẽ trông thật lạ, nhưng trong môi trường hàng ngày của chúng ta, các sắp xếp quen thuộc có nhiều tương đồng với chúng. Hãy xem phần ảnh phụ lục ở cuối tập sách này. Tại sao tinh thể lỏng hấp dẫn như vậy ? Môi trường tinh thể lỏng nematic có đối xứng một trục, nghĩa là trong một môi trường tinh thể lỏng đồng nhất, chuyển động quay xung quanh một hướng không gây ra sự biến đổi nào. Khối trật tự có ảnh hưởng rõ lên cách thức ánh sáng và điện trường hành xử trong chất liệu. Tính dị hướng một trục mang lại các thông số điện và quang khác nhau nếu xét dọc theo vector đường chuẩn hoặc trong một mặt phẳng vuông góc với nó. Điều này mang lại những tiềm năng công nghệ hấp dẫn. Hai hiện tượng lạ được trình bày sau đây: sự định hướng lại của các phân tử trong điện trường và sự lưỡng chiết quang của các phân tử. Sự định hướng lại của các phân tử trong điện trường Là kết quả của tính dị hướng một trục, điện trường chịu một hằng số điện môi khác nhau khi dao động theo hướng song song hoặc vuông góc với vector đường chuẩn. Sự khác 6 http://www.thuvienvatly.info| © hiepkhachquay biệt đó gọi là tính dị hướng điện môi. Nếu hằng số điện môi dọc theo vector đường chuẩn lớn hơn theo hướng vuông góc với nó, thì người ta nói nó có tính dị hướng dương. Do tính dị hướng, độ dịch lưỡng cực và mômen lưỡng cực cảm ứng không song song với điện trường, trừ khi vector đường chuẩn song song hoặc vuông góc với điện trường. Kết quả là một mômen quay tác dụng lên vector đường chuẩn. Đối với các chất có tính dị hướng dương, vector đường chuẩn ưa sắp hàng song song với điện trường. Tinh thể lỏng có tính dị hướng âm thì có xu hướng tự định hướng chúng vuông góc với điện trường. Tác dụng của điện trường lên một môi trường tinh thể lỏng có tính dị hướng dương được minh họa trong hình bên dưới. Ban đầu, sự định hướng hầu như nằm ngang. Khi một điện trường với hướng dọc theo mũi tên màu xanh được đặt vào, thì một mômen quay (biểu diễn màu xanh lá cây) phát sinh từ tính dị hướng điện môi, tác dụng lên phân tử. Mômen quay có xu hướng sắp phân tử song song với điện trường. Khi cường độ điện trường tăng lên, phân tử sẽ định hướng lại song song với trường. Định hướng bình thường Tình huống trong điện trường Kết quả trong điện trường Kết quả trong điện trường mạnh Tầm quan trọng kĩ thuật của sự định hướng lại thật rõ ràng: nó mang lại một môi trường có thể bật mở dễ dàng bằng cách làm biến thiên điện trường đặt vào trong môi trường tinh thể lỏng. Trong đa số các ứng dụng, tinh thể lỏng thường nằm trong một lớp mỏng giữa hai bề mặt thủy tinh. Để phát ra điện trường, các lớp điện cực mỏng được cho lắng lên đáy và/hoặc trên bề mặt thủy tinh. Đối với các dụng cụ quang, người ta sử dụng các điện cực trong suốt, chế tạo từ indium thiếc oxide (ITO). Nếu điện trường sinh ra đủ mạnh, thì các phân tử sẽ định hướng lại theo hướng của nó. © hiepkhachquay | Chuyên đề Tinh thể lỏng 7 Lưỡng chiết quang Ứng dụng của tinh thể lỏng hầu như luôn có liên quan đến quang học. Sóng quang học cũng liên quan đến điện trường, nhưng tần số cao hơn nhiều so với tần số của điện trường phát sinh bởi điện áp đặt vào. Do đó, hằng số điện môi, phát sinh từ phản ứng điện tử của các phân tử với trường ngoài đặt vào, khác đi. Để phân biệt, đối với sóng quang người ta sử dụng khái niệm chiết suất thay cho hằng số điện môi. Sóng quang học cũng có thể làm định hướng lại đường chuẩn tinh thể lỏng theo kiểu tương tự như điện trường đặt vào. Trong màn hiển thị, điều này có thể bỏ qua, vì cả tính dị hướng điện môi và cường độ của trường quang học thông thường nhỏ hơn nhiều so với trong trường hợp tĩnh. Do đó, sự truyền quang học chủ yếu độc lập với các tính toán đường chuẩn. Để tìm hiểu ảnh hưởng của sự lưỡng chiết lên sự truyền ánh sáng qua một tinh thể lỏng, ánh sáng phải được biểu diễn bằng một điện trường. Điện trường này được mô tả bằng một vector sóng tại mỗi điểm. Tại một thời điểm và vị trí nhất định, hướng và độ dài của vector này tương ứng với hướng và độ lớn của điện trường. Đối với một sóng phẳng truyền theo một hướng nhất định, vector điện trường trong một môi trường đẳng hướng vẽ nên một elip trong mặt phẳng vuông góc với hướng truyền. Elip này biểu diễn cho sự phân cực của ánh sáng. Một số trường hợp đặc biệt là phân cực thẳng và phân cực tròn trong đó elip này bị biến dạng một thành một đường thẳng hoặc một vòng tròn hoàn hảo. Nói chung, mỗi trạng thái phân cực hình elip có thể tách ra là sự chồng chất của hai sự phân cực thẳng theo hai trục vuông góc. Trong một môi trường đẳng hướng, cả hai sự phân cực thẳng chuyển động với cùng tốc độ. Tốc độ của sóng được xác định bởi chiết suất của môi trường. Sự truyền ánh sáng trong môi trường đẳng hướng Đối với môi trường tinh thể lỏng một trục, điện trường cảm thấy một chiết suất khác nhau khi nó dao động trong mặt phẳng vuông góc với đường chuẩn hoặc dọc theo đường chuẩn. Tính dị hướng một trục này của chiết suất được gọi là lưỡng chiết. Lưỡng chiết cho phép thao tác với sự phân cực của ánh sáng truyền qua môi trường. Trạng thái phân cực elip của ánh sáng đi vào một môi trường tinh thể lỏng phải tách ra thành hai trạng thái phân cực thẳng gọi là mode thường và mode bất thường. Theo hai hướng 8 http://www.thuvienvatly.info| © hiepkhachquay này, hai mode phân cực thẳng cảm thấy một chiết suất khác nhau. Vì thế, chúng truyền qua tinh thể lỏng với tốc độ khác nhau như minh họa trong hình bên dưới. Sự truyền ánh sáng trong môi trường lưỡng chiết Trong môi trường đẳng hướng, hai phần đó truyền qua với cùng tốc độ. Kết hợp chúng trở lại với nhau sẽ mang lại trạng thái phân cực elip như ban đầu. Trong môi trường lưỡng chiết, tốc độ khác nhau của sóng thường và sóng bất thường mang lại một sự lệch pha giữa hai mode (= trễ pha). Tại đầu cuối của môi trường, sự lệch pha này giữa hai dao động sẽ mang lại một elip phân cực khác. Lưỡng chiết biến đổi Để quan sát tác động của lưỡng chiết, phải sử dụng ánh sáng phân cực. Đa số nguồn sáng như bóng đèn hoặc đèn huỳnh quang phát ra ánh sáng không phân cực. Các ứng dụng quang học thường yêu cầu ánh sáng phân cực với hướng dao động đã biết của ánh sáng. Để thu được ánh sáng phân cực, có thể sử dụng các nguồn sáng bình thường kết hợp các bộ lọc phân cực. Kính phân cực là một loại lớp lưỡng chiết đặc biệt. Sóng thường truyền mà không bị biến đổi qua môi trường, trong khi sóng bất thường bị hấp thụ trong môi trường. Một sóng phân cực bất kì đi vào một môi trường như vậy sẽ mang lại một sóng phân cực thẳng ở phía sau môi trường. Trong hình bên dưới, tác dụng của kính phân cực được minh họa đối với hai định hướng khác nhau của hướng hấp thụ. Kính phân cực với trục truyền qua thẳng đứng [...]... Nu chỳng ta y tinh th lng vo chỳng thỡ lm cho chỳng cú th mang li hnh trng hp dn cú th iu khin cho cỏc si quang Mn hin th tinh th lng quang iu khin Trong mn hin th tinh th lng quang x lớ, in trng mnh ca bc súng khụng nhỡn thy vi cng cao c s dng chuyn o cỏc phõn t thay cho mt in ỏp ngoi t vo Pin Mt tri tinh th lng Mt ng dng mi v y ha hn s dng tinh th lng l cht bỏn dn tinh th lng Tinh th lng l cỏc... trt t ca mt tinh th lng bin thiờn trong khong 0,3 n 0,9, vi giỏ tr chớnh xỏc l mt hm ca nhit , l kt qu ca chuyn ng ng hc phõn t Hm ny c minh ha di õy i vi mt cht tinh th lng nematic (s trỡnh by trong phn tip theo) Khuynh hng ca cỏc phõn t tinh th lng hng theo ng chun a n mt tinh th gi l tớnh d hng Thut ng ny ngha l cỏc tớnh cht ca cht ph thuc vo hng m chỳng c o Vớ d, ngi ta d ct mt khi g dc theo th ca... trng thỏi tinh th lng, tựy thuc vo lng trt t trong cht Phn ny s gii thớch hnh trng pha ca cỏc cht tinh th lng Pha nematic Pha tinh th lng nematic c c trng bi cỏc phõn t khụng cú trt t v trớ nhng cú xu hng hng theo mt hng (dc theo ng chun) Trong gin bờn di, hóy chỳ ý l cỏc phõn t hng thng ng nhng khụng sp xp vi mt trt t c bit no c Tinh th lng l cỏc cht d hng, v cỏc tớnh cht vt lớ ca h bin thiờn theo s... kt tinh lng Thut ng meso pha c s dng mụ t pha con ca cỏc cht tinh th lng Cỏc meso pha hỡnh thnh bi s thay i lng trt t trong cht, hoc bng cỏch ỏp t trt t trong ch mt hoc hai chiu, hoc bng cỏch cho phộp cỏc phõn t cú mt mc chuyn ng tnh tin Phn sau õy mụ t cỏc meso pha ca tinh th lng mt cỏch c th hn Cỏc pha tinh th lng Trng thỏi tinh th lng l mt pha riờng bit ca vt cht quan sỏt thy gia trng thỏi kt tinh. .. nh hng c trng ca trng thỏi tinh th lng nm gia pha rn v pha lng thụng thng v õy l ngun gc ca tờn gi trng thỏi mesogenic, c dựng ng ngha vi trng thỏi tinh th lng Chỳ ý s sp hng trung bỡnh ca cỏc phõn t trong tng pha trong biu sau ụi khi, tht khú xỏc nh mt cht l trng thỏi tinh th hay trng thỏi tinh th lng Cỏc cht kt tinh biu hin trt t tun hon phm vi ln trong ba chiu kớch thc Theo nh ngha, cht lng ng... nhiờn, ngi ta cú th buc ng chun hng theo mt phng c bit bng cỏch a mt tỏc nhõn bờn ngoi lờn h Vớ d, khi mt lp trỏng polymer mng (thng l polymide) c tri trờn mt cht nn thy tinh v ma sỏt theo ch mt hng bng vi, thỡ ngi ta thy cỏc phõn t tinh th lng tip xỳc vi b mt sp thng hng vi hng ma sỏt C ch c chp nhn hin nay cho cỏch lm ny c tin l do s tng trng mc ghộp ca cỏc lp tinh th lng trờn chui polymer ó sp thng... | Chuyờn Tinh th lng 29 trong ú ng chun khụng xỏc nh rừ rng Sau õy l mt biu th hin s nh hng ca ng chun xung quanh mt vựng chuyn i Cỏc khim khuyt dng hỡnh nún hi t tiờu l nguyờn nhõn cho nhiu cu trỳc trong cỏc tinh th lng smectic Sau õy l mt nh chp hin vi TEM ca mt hỡnh nún t tiờu Tớnh cht húa hc ca tinh th lng Cỏc tinh th lng cú th phõn loi thnh hai nhúm chớnh: tinh th lng hng nhit, v tinh th lng... lyotropic Hai loi tinh th lng khỏc nhau bi c ch iu khin s t t chc ca chỳng, nhng chỳng cng ging nhau nhiu phng din Cỏc bin i hng nhit xy ra trong a s tinh th lng, v chỳng c nh ngha bi thc t l cỏc chuyn tip sang trng thỏi kt tinh lng do nhit cm ng Ngha l, ngi ta cú th thu c trng thỏi kt tinh lng bng cỏch tng nhit ca cht rn v/hoc h nhit ca cht lng Cỏc tinh th lng hng nhit cú th chia thnh hai loi: tinh th lng... bin th thng ca gúc xon theo phỏp tuyn b mt õy c xem l t bo nematic xon Tớnh mu ng chun trong mụi trng tinh th lng Mụi trng tinh th lng thớch cú mt phõn b ng chun ng u Mt s bin i ca ng chun trong khụng gian lm cm ng mt s tng nng lng t do Theo lớ thuyt â hiepkhachquay | Chuyờn Tinh th lng 11 n hi i vi tinh th lng, nng lng n hi liờn h vi bin thiờn ca ng chun n trong khụng gian cú th vit l f dh 2 2 ... s dng mt tinh th lng nh vy trong mt thit b tng t nh t bo Grọtzel cú th a n nhng loi pin Mt tri mi â hiepkhachquay | Chuyờn Tinh th lng 15 Cỏc sỏch vit v Tinh th lng: P.J Collings, "Liquid Crystals, Nature's Delicate Phase of Matter", IOP Publishing Ltd., England, 1990 E.B Priestley, P Wojtowicz, P Sheng, "Introduction to Liquid Crystals", Plenium Press, New York, 2e edition, 1979 P.G de Gennes, . trường tinh thể lỏng phải tách ra thành hai trạng thái phân cực thẳng gọi là mode thường và mode bất thường. Theo hai hướng 8 http://www.thuvienvatly.info| © hiepkhachquay này, hai mode phân. dưới đây đối với một chất tinh thể lỏng nematic (sẽ trình bày trong phần tiếp theo). Khuynh hướng của các phân tử tinh thể lỏng hướng theo đường chuẩn đưa đến một tinh thế gọi là tính dị. triển thành các pha tinh thể lỏng hình đĩa và hình quả chuối được cho dưới đây. Phân tử tinh thể lỏng hình đĩa © hiepkhachquay | Chuyên đề Tinh thể lỏng 5 Phân tử tinh thể lỏng hình