Жидкокристаллические и жидкие материалы

Жидкокристаллические материалы (жидкие кристаллы) — это жидкости с упорядоченным расположением молекул. Они занимают промежуточное положение между кристаллическими веществами с упорядоченным расположением атомов и обычными жидкостями с хаотическим расположением атомов (молекул). Жидкокристаллические вещества текучи, как жидкости, но обладают анизотропией свойств, как кристаллы.

В настоящее время известно более 3000 веществ, образующих жидкие кристаллы. По способу получения жидкие кристаллы делятся на термотропные (получают в результате плавления твердого вещества или охлаждения жидкости, имеющей неупорядоченное расположение молекул) и лиотропные (получают путем растворения твердых веществ в жидкости).

Различают следующие типы жидких кристаллов (рис. 14.17):

• — «нематический» (от грен, нема — нить) — с молекулами, имеющими продольную ось;
• — «смектический» (от греч. смегма — мыло, обнаружены в мыльной воде) — молекулы имеют форму плоских пластин;
• — «холестерический» (стерины — спирты) — молекулы размещаются, но пространственной спирали.

Упорядоченность структуры жидких кристаллов достигается в нематических — при параллельных продольных осях молекул; в смектических — при параллельных слоях молекул; в холестерических — при размещении молекул по пространственной спирали (не хаотично).

" Интеллект" жидких кристаллов и их использование в практических целях определяется тем, что вещества в жидкокристаллическом состоянии при изменении внешних условий меняют определенным образом свои свойства (показатель преломления света, вязкость, поверхностное натяжение, электрические и магнитные свойства и т. п.).

Для жидких кристаллов характерны сильная зависимость от внешних электрических и магнитных полей и высокая чувствительность к ним оптических свойств. В частности, в электрическом поле происходит ориентация их молекул.

Это используется при разработке различных оптических фильтров. Прозрачность светофильтров, являясь функцией приложенного напряжения, может изменяться в широком диапазоне.

Рис. 14.17. Структуры жидких кристаллов:

а — нематический; б — смектический; в — холестерический Эффект ориентации молекул использован в «Смартстекле» (Smart Glass) переменной прозрачности. Стекло представляет собой стеклопакет, заполненный нематическим жидкокристаллическим веществом и наклеенной с внутренней стороны специальной прозрачной электропроводной пленкой. При отсутствии напряжения кристаллы располагаются хаотично, образуя непрозрачную матово-белую поверхность. Под действием напряжения происходит упорядочивание структуры, жидкие кристаллы выстраиваются параллельно друг другу и стекло становится прозрачным.

Оптические эффекты могут проявляться в изменении окраски вещества. Если в нематик добавить небольшое количество красителя, то при переориентации молекул под действием электрического ноля происходит переориентация и молекул красителя, что приводит к изменению цвета. При наложении электрического или магнитного поля на холестерик меняется шаг спирали молекулы, при этом изменяется и цвет. Таким образом, регулируя напряжение, можно управлять цветом вещества.

Широко применяют жидкие кристаллы, которые изменяют свой цвет в зависимости от температуры. На этом принципе работают жидкокристаллические датчики температуры.

Жидкие кристаллы используют в качестве «Смартанализаторов» для регистрации вредных веществ. Разработаны холестерики, которые вступают в химическую реакцию с парами определенных вредных веществ, что приводит к изменению шага спирали и соответственно цвета пленки индикатора.

Интеллектуальные жидкости — это электроили магнитореологические жидкости, т. е. меняющие свою вязкость в электрическом или магнитном полях в зависимости от изменения напряжения. Именно в этом проявляется их «интеллект», т. е. вполне определенная реакция на изменение внешних условий.

Эти жидкости представляют собой суспензию, т. е. дисперсные частицы твердого вещества, находящегося во взвешенном состоянии в жидкости. Частицы обладают магнитными или специальными электрическими свойствами. Под воздействием поля они ориентируются определенным образом, при этом вязкость жидкости меняется. Так, например, суспензия, состоящая из технического масла с мельчайшими частицами магнитного порошка, под действием магнитного поля может менять вязкость в широком диапазоне — от свойств, характерных для твердых веществ, до свойств, присущих жидкостям.

Перспектива использования таких материалов — виброгасящие амортизационные устройства. При наложении электрического или магнитного поля амортизаторы с реологической жидкостью сокращают время затухания колебаний и их амплитуду в несколько раз по сравнению с обычными амортизационными устройствами. На рис. 14.18 показано принципиальное влияние силы тока наложенного поля на декремент затухания (?) некоторой механической системы. (Декремент затухания — характеристика быстроты затухания —? = In (?1/А2), где А1 и А2 — амплитуды двух колебаний, следующих друг за другом в одну и ту же сто;

Рис. 14.18. Влияние силы тока на декремент затухания.

рону. Чем больше ?, тем больше разница предыдущего и последующего колебаний, т. е. затухание колебаний происходит быстрее.).

В автоматических системах сигнал от вибродатчика (например, пьезодатчика) вызывает появление электрического (магнитного) поля, напряжение которого зависит от величины сигнала датчика. Напряжение подается на реологическую жидкость, которая, вырабатывая колебания соответствующей величины, гасит вибрацию. Электроили магнитореологические жидкости могут быть использованы в сейсмоопасных районах в качестве вибропоглощающего материала.