Upload
others
View
10
Download
2
Embed Size (px)
Citation preview
TEČNI KRISTALI
I
STAKLASTO STANJE
TEČNI KRISTALI
TEČNI KRISTALI
Tečni kristali predstavljaju stanje određene grupe supstancija
koje imaju mehaničke osobine tečnosti i optičke osobine kristala.
Sinonimi:
• tečni kristali
• kristalne tečnosti
• anizotropne tečnosti
• para kristali
• mezo faze
• mezomorfno stanje
TEČNI KRISTALI
Osobine tečnosti:
• viskoznost.
Osobine čvrstog stanja:
• optička anizotropija.
Širina temperaturskog intervala u kome se javlja: od 0,01 do
100C.
Javljaju se pri temperaturama od -20 do 400C.
ISTORIJAT
1850. V. Hajnc – stearin: 52C (zamagljena tečnost), 58C (mutna
tečnost), 62,5C (bistra tečnost)
1877. Oto Leman – naziv ove faze i polarizacioni mikroskop
do 1888. Istraživači u različitim oblastima hemije, biologije, medicine i
fizike opažali su da izvesni biološki materijali pokazuju
mutno tečno stanje između kristalnog stanja i tečnog stanja
1888. Fridrih Rajnicer!
1890. Prvi sintetički tečni kristal, p-azoksianizol
1991. Pierre-Gilles De Gennes, Nobelova nagrada za doprinos
razumevanju tečnih kristala i polimera (soft matter physics – fizika
mekih materijala)
OTKRIĆE MEZOFAZA
Fridrih Rajnicer (1857-1927)
HOLESTEROL BENZOAT
145,5C 178,5C
Rajnicer – tečna kristalna faza
(PT) (TT)
kristaltečni
kristal
prava
tečnost
POLARIZACIONI MIKROSKOP
kristal tečni kristal
(holesterični)
izotropna tečnost
TEČNI KRISTALI
• termotropni (promena temperature)
• liotropni (nastaju rastvaranjem u odgovarajućim rastvaračima,
najčešće polarnim)
Termotropni:
• Prelazna temperatura – temperatura na kojoj se supstancija
topi u mutnu, viskoznu tečnost.
• Tačka topljenja – temperatura na kojoj mutna tečnost prelazi u
pravu, bistru tečnost.
TERMOTROPNI TEČNI KRISTALI
tečnostkristal tečni kristali – mezofaze
TERMOTROPNI TEČNI KRISTALI
Postoje supstancije koje imaju više prelaznih tački:
čvrsto tečno
temeratura
kristal izotropnosmektična C smektična A nematična
tečni kristli – mezofaze
OSOBINE TEČNIH KRISTALA
• osetljivi na spoljašnje poremećaje (električno polje,
magnetno polje, svetlost)
električno polje
• dvojno prelamanje svetlosti
PODELA TEČNIH KRISTALA
nematična
faza
smektična
faza
holesterična
faza
porast neprozirnosti
PODELA TEČNIH KRISTALA
nematična
faza
smektična
faza
holesterična
faza
porast neprozirnosti
NEMATIČNA FAZA
Haotično raspoređeni (slojevi ne postoje),
ali je zadržana paralelna orijentacija
između molekula (orijentisani).
Indeks prelamanja zavisi od orijentacije.
Električno i magnetno polje utiču na nematike.
NEMATIČNA FAZA
Uticaj električnog polja:
• Postaju zamagljeni, poluprovidni ili menjaju boju.
• Primena malih napona (3 – 5 V) promena pravca duž ose, čime
se menja indeks prelamanja, odnosno boja.
• Primena većih napona (5 – 20 V) razaranje uređene strukture
tečnog kristala, stvaraju se mikroskopski vrtlozi koji intenzivno
rasejavaju upadnu svetlost, nematik gubi transparentnost i postaje
mlečno beo.
• Primena nematičnih kristala: indikatori brojeva i slova.
TEČNO KRISTALNI DISPLEJI
PODELA TEČNIH KRISTALA
nematična
faza
smektična
faza
holesterična
faza
porast neprozirnosti
SMEKTIČNA FAZA
Slojevi su sačuvani, ali red između slojeva je izgubljen.
Najsličniji čvrstom stanju i imaju najveću viskoznost.
A C
PODELA TEČNIH KRISTALA
nematična
faza
smektična
faza
holesterična
faza
porast neprozirnosti
HOLESTERIČNA FAZA
Grade ih derivati holesterola.
Slojevita struktura, ali paralelno orjentisani
molekuli u sledećem sloju zarotirani za mali
ugao.
Spiralna struktura, sa korakom spirale koji odgovara
talasnoj dužini vidljive svetlosti. Korak spirale (elektronska
struktura i boja) se menjaju sa:
• temperaturom
• hemijskim dejstvom
• mehaničkim dejstvom.
HOLESTERIČNA FAZA
Primena:
• promena temperature prouzrokuje promenu boje
registrovanje prostorne temperaturske raspodele u direktnom
kontaktu i na daljinu
• razni toksični gasovi i pare pri vrlo niskim koncentracijama
(ppm) izazivaju promenu boje detekcija toksičnih materija
• mehanička dejstva dovode do promene strukture i boje
ispitivanje mehaničke otpornosti različitih konstrukcija i
otkrivanje nepouzdanih delova ili mesta u njima
KOJI TIPOVI MOLEKULA POKAZUJU STANJE
TEČNIH KRISTALA?
Kalamatični tečni kristal
(oblik štapića)
Diskotični tečni kristal
(oblik diska)
KALIMATIČAN TEČNI KRISTAL
DISKOTIČAN TEČNI KRISTAL
UOBIČAJENE CENTRALNE GRUPE
kiseli dimer olefin acetilen
steroid
azometin
(Šifove baze) nitro grupe
estar azoksi azo
UOBIČAJENE KRAJNJE GRUPE
alikil
alikiloksi
alikilkarboksi
alikilkarbonati
halogeni
cijano
nitro
amino
STAKLASTO STANJE
OSOBINE STAKLA
Staklasto stanje (amorfno čvrsto stanje, prehlađena tečnost) kao
prelazno stanje, karakteriše se osobinama i tečnog i čvrstog
stanja.
Svojstva čvrstog stanja: čvrstoća, krutost, otpornost na sile
smicanja.
svojstva tečnog stanja: izotropnost, optička propustljivost.
Svojstva stakla: pri zagrevanju nemaju oštru tačku topljenja već
omekšavaju, imaju mali termički koeficijent širenja, veliku
viskoznost i pri stajanju dolazi do iskristalisavanja.
OSOBINE STAKLA
Kristalni materijali:
• kristališu na tački mržnjenja, Tm
• imaju naglu promenu specifične
zapremine na Tm
• temperatura topljenja je temperatura
na kojoj se javlja naglo, diskontinualno
smanjenje specifične zapremine
Stakla:
• ne kristališu
• specifična zapremina se postepeno
menja sa temperaturom
• temperatura prelaska u staklasto
stanje Tg je temperatura na kojoj se
menja nagib zavisnosti specifične
zapremine od temperature
AMORFNO ČVRSTO STANJE
Stakla se mogu smatrati amorfnim čvrstim stanjem (čvrsto stanje
bez kristalne strukture, tj. bez uređenosti dugog dometa).
kristalni SiO2 amorfni SiO2
AMORFNO ČVRSTO STANJE
molekulska uređenost
u kristalu
molekulska uređenost
u staklu
STRUKTURA STAKLA
osnovna izgrađivačka
jedinica je SIO44- tetraedar
Kvarc SiO2 je kristalni, ali se dodatkom nečistoća (Na+,
Mg2+, Ca2+, Al3+) javlja amorfna struktura.
STRUKTURA STAKLA
kvarc Na staklo
STRUKTURA STAKLA
• Grade ih neorganska jedinjenja (SiO2, B2O3, GeO2, As2O3,
As2O5, P2O5, BeF2, GeS2, As2S3) i organska jedinjenja
(glukoza, glicerin).
• Prostorna nekristalna struktura koja se odlikuje rastresitošću
(otvorenošću) – mali koordinacioni poliedri sa velikim
naelektrisanjem katjona u njima.
• Nema uređenosti dugog dometa, ali su silikatni tetraedri i
dalje međusobno povezani.
MODIFIKATORI
Modifikatori (npr. Na2O ili K2O)
se dodaju staklu da se mreža
otvori i poboljšaju svojstva
stakla.
Ako se doda suviše alkalnog oksida, tako da odnos O:Si
dosegne 2,5 ili 3,0, staklasta struktura može biti toliko
narušena da dođe do rastakljivanja.
STRUKTURA STAKLA
• Stvaraoci stakla pomažu u stvaranju 3D rešetke i lako prelaze u
staklasto stanje: Si, B, P, Ge, As, Be (koordinacioni broj 3, 4).
• Modifikatori stakla sa koordinacionim brojem većim ili jednakim
6: Na, K, Ca, Ba.
• Intermedijeri (mogu biti i stvaraoci stakla, i modifikatori) sa
koordinacionim brojem između 4 i 6: Al, Mg, Zn, Pb, Be, Nb, Ta.
SIMULACIJE
K
SiO44-
15K2O75SiO2
(K15)