''Natura i zastosowanie związków ciekłokrystalicznych'' (''Chemia w szkole'' 5-2006 r.).pdf

Nauka i technika

Natura i zastosowanie

związków ciekłokrystalicznych

Przez wiele lat związki ciekłokrystaliczne traktowano jako swoistą

ciekawostkę fizyczną. Dopiero w latach siedemdziesiątych ubiegłego

stulecia nastąpił burzliwy rozwój badań nad tymi substancjami

chemicznymi, związany z ich różnorodnymi zastosowaniami. Obecnie

chemia związków ciekłokrystalicznych stanowi odrębną gałąź nauki.

KATARZYNA DOBROSZ-TEPEREK, BEATA DASIEWICZ

związków ciekłokrystalicznych,

zarówno ciekłych kryształów

(LC), jak i polimerów ciekłokrystalicznych

(PLC) wskazują na szybki rozwój tej dzie-

dziny nauki w ostatnim trzydziestoleciu.

Jednakże człowiek nie był pierwszą istotą,

która otrzymała związki tego typu. W 1989

roku chińscy naukowcy z uniwersytetu

w Szanghaju Guiyang Li i Tongyin Yu od-

kryli, że fibroina (substancja białkowa wy-

dzielana przez gąsienice jedwabnika mor-

wowego, będąca podstawowym składni-

kiem jedwabiu naturalnego) jest związkiem

ciekłokrystalicznym [1]. Okazało się zatem,

że jedwabniki wytwarzały związki ciekło-

krystaliczne przed pojawieniem się czło-

wieka. Dalsze badania naukowców z całego

świata pokazały, że w naturze związkami

ciekłokrystalicznymi są również kwas DNA

oraz wirus mozaiki tytoniowej.

Pierwsze naukowe doniesienie na temat

związków ciekłokrystalicznych opubliko-

wał w 1888 roku austriacki botanik Frie-

drich Reinitzer, zajmujący się badaniami

benzoesanu cholesterylu [2]. Stwierdził, że

związek ten, topiąc się w temperatu-

rze 145,5°C, początkowo tworzył nie kla-

rowną, ale mętną ciecz, która miała bardzo

dużą lepkość i wykazywała barwne efekty.

Dopiero przy dalszym ogrzewaniu, w tem-

peraturze 178,5°C następowało przejście

w przezroczystą ciecz izotropową. W rok

później zjawiskiem tym zainteresował się

niemiecki fizyk Otto Lehmann, który uznał

stan mętnej cieczy za odrębny stan skupie-

nia materii, któremu nadał nazwę ciekłego

kryształu (tzw. termotropowego – ang. Ter-

motropic Liquid Crystal ) [3]. Lehmann wy-

krył również, że faza ciekłokrystaliczna

może powstawać przy rozpuszczaniu, np.

oleinianu potasu w mieszaninie wody i al-

koholu (tzw. liotropowy ciekły kryształ

– ang. Liotropic Liquid Crystal) . Upłynęło

kilkadziesiąt lat, zanim w 1923 roku nie-

miecki chemik Daniel Vorländer zdał so-

bie sprawę z możliwości istnienia także po-

limerów ciekłokrystalicznych. Zadał sobie

pytanie: „Co stanie się z cząsteczkami, gdy

będą stawać się coraz dłuższe, czy stan cie-

kłokrystaliczny wtedy zaniknie? Z moich

doświadczeń wynika, że własności mezofa-

zowe (przyp. mezos – z greckiego pośredni)

nie są ograniczone długością łańcucha,

chyba że substancja nie może topić się bez

rozkładu i nie może być zaobserwowana

pod mikroskopem” [4]. Od tego czasu co-

raz częściej pojawiają się prace dotyczące

związków ciekłokrystalicznych. Oprócz ce-

lów poznawczych, zainteresowanie tego ty-

pu związkami wiąże się z możliwościami

ich wykorzystania w praktyce [5,6].

Chemia w Szkole

W yniki badań zsyntetyzowanych

Nauka i technika

Ogólna charakterystyka

związków ciekłokrystalicznych

Faza ciekłokrystaliczna występuje

w związkach o odpowiedniej budowie gru-

py mezogenicznej, mającej kształt wydłu-

żonego pręta (częściej) lub kształt dysku

(Rys. 1). Obserwowane uporządkowanie

dalekiego zasięgu (jak w krystalicznych cia-

łach stałych, a nie występujące w cieczy izo-

tropowej) powstaje dzięki istnieniu oddzia-

ływań międzycząsteczkowych, m.in. van

der Waalsa i wiązań wodorowych.

Smektyki nazwę swą zawdzięczają pierw-

szej poznanej grupie związków ( smektos

– z greckiego mydłopodobne), które były

mydłami (palmitynian sodu i potasu). Są one

grupą ciekłych kryształów o największym

stopniu uporządkowania. Charakteryzują się

warstwowym, jak również równoległym uło-

żeniem cząsteczek. Sprawia to, że ciekłe

kryształy tego typu mają sztywną strukturę

i wykazują dużą lepkość.

Nematyki posiadają strukturę przypomi-

nającą obraz nitek ( nema – z greckiego:

nić). Poza równoległością cząsteczek nie wy-

stępuje żadne inne uporządkowanie. Mole-

kuły mogą się przemieszczać we wszystkich

trzech kierunkach i swobodnie obracać

wzdłuż swoich długich osi. Nematyki są sze-

roko wykorzystywane w budowie wyświetla-

czy ciekłokrystalicznych.

Cholesteryki odznaczają się tym, że czą-

steczki leżą w warstwach ustawionych rów-

nolegle do siebie, skręconych względem

siebie o niewielki kąt. Pierwszą nowood-

krytą grupą były pochodne cholesterolu,

od których pochodzi ich nazwa.

Rys. 1. Budowa grupy mezogenicznej: a) prętopodobna,

b) dyskopodobna

Według francuskiego chemika Georgesa

Friedela [7] związki ciekłokrystaliczne, w za-

leżności od stopnia uporządkowania cząste-

czek, można podzielić na trzy grupy: smek-

tyczne, nematyczne i cholesteryczne (Rys. 2).

Zastosowania

związków ciekłokrystalicznych

W pierwszej połowie lat siedemdziesią-

tych ubiegłego stulecia rozpoczęto produk-

Rys. 2. Grupy związków ciekłokrystalicznych: a) smektyki, b) nematyki, c) cholesteryki

5/2006

Nauka i technika

cję, początkowo małoseryjną, wskaźników

ciekłokrystalicznych do aparatury pomia-

rowej, zegarków, kalkulatorów, jak rów-

nież pojedynczych egzemplarzy do tablic

rozdzielczych samochodów, sygnalizacji

ulicznej i komputerów. I tak rozpoczęła się

nowa era technologiczna – technologia cie-

kłokrystaliczna.

Poniżej omawiamy najważniejsze gałęzie

przemysłu i nauki, w których obecnie wyko-

rzystuje się związki ciekłokrystaliczne [8–13].

poczęciem w celu ustalenia się równowagi

cieplnej, odtłuszczony (np. za pomocą eta-

nolu) i ewentualnie pozbawiony owłosienia.

Po przygotowaniu pacjenta do badania,

przykłada się do skóry folię termograficzną

i rejestruje termogram. I tak, np. w przypad-

ku nowotworów piersi u kobiet wzrost tem-

peratury skóry o 0,5 K jest często oznaką wy-

stępowania nowotworu niezłośliwego, pod-

czas gdy wzrost o 2 K sugeruje występowanie

nowotworu złośliwego. Podstawowymi

związkami ciekłokrystalicznymi stosowany-

mi dla potrzeb medycyny są mieszaniny ne-

matyczne (przykład – Rys. 3).

Medycyna

– termografia ciekłokrystaliczna

Zastosowanie związków ciekłokrysta-

licznych w medycynie polega na zobrazo-

waniu pola temperatury na powierzchni

skóry pacjenta. Umożliwia to wykrywanie

ewentualnych procesów patologicznych,

które z reguły powodują zaburzenia roz-

kładu temperatury. Obecnie wiele opraco-

wanych metod stosuje się do lokalizacji

i diagnostyki nowotworów złośliwych i nie-

złośliwych oraz ognisk ropno-zapalnych.

Badania termograficzne należy przepro-

wadzać w pomieszczeniu o temperaturze po-

kojowej, bez przeciągów, w warunkach moż-

liwie najbardziej zbliżonych do normalnej

aktywności organizmu. Obszar skóry, który

ma być poddany badaniom, powinien być

odsłonięty na około 10 minut przed ich roz-

Elektrooptyka

• przetworniki sygnałów w optyce nie-

liniowej

Działanie takich przetworników pole-

ga na tym, że na związek ciekłokrysta-

liczny pada wiązka światła laserowego.

W ten sposób cząsteczki przyjmują

strukturę podobną do książek ułożo-

nych na półce (ang. bookshelf geometry ).

Ułożenie takie charakteryzuje się tym,

że warstwy są prostopadłe do po-

wierzchni nośnych przetwornika, nato-

miast cząsteczki w każdej warstwie są

pochylone o pewien kąt (20–50°). Przy-

kład związku ciekłokrystalicznego stoso-

Rys. 3. Mieszanina ciekłych kryształów stosowana w medycynie

Rys. 4. Polimer ciekłokrystaliczny stosowany w optyce nieliniowej

Chemia w Szkole

Nauka i technika

wanego w optyce nieliniowej został po-

dany na rysunku 4.

• płaskie monitory ciekłokrystaliczne

Ekrany ciekłokrystaliczne stały się po-

pularnym elementem wyposażenia na-

szych mieszkań. Zajmują mało miejsca,

w dodatku mają bardzo przyjemny dla

oka, stabilny i kontrastowy obraz. Ważny

jest również aspekt zdrowotny – w prze-

ciwieństwie do monitorów tradycyjnych,

monitory ciekłokrystaliczne praktycznie

nie emitują szkodliwego promieniowa-

nia elektromagnetycznego. Zaawanso-

wanie badań w technologii ciekłokrysta-

licznej i osiągnięte rezultaty wskazują, że

w XXI wieku pojawia się nowa technolo-

gia, nazwana LEP’s (ang. Light Emitting

Polymers ). Technologia produkcji pła-

skich wyświetlaczy, opatentowana całko-

wicie przez brytyjską firmę Cambridge

Display Technology , związaną z Cam-

bridge University, wykorzystuje odpo-

wiednio skomponowane polimery cie-

kłokrystaliczne do budowy kolorowego

ekranu bez podświetlania , wyglądającego

jak pokryta folią kartka papieru (ang. pa-

per view ). Ocenia się, że po wdrożeniu

do seryjnej produkcji ekrany polimerowe

mogą być nawet do 60% tańsze od obec-

nie produkowanych.

zę stacjonarną w postaci „nasyconej gąb-

ki”. Stosując tę metodę można bardzo do-

kładnie rozdzielić izomery węglowo-

dorów, np. benzopirenu, których cząstecz-

ki mają różne przekroje poprzeczne i le-

piej albo gorzej pasują do matrycy ciekło-

krystalicznej.

Wykrywanie skażeń powietrza

Jeżeli warstwa ciekłokrystaliczna jest

wystawiona na działanie domieszek (zanie-

czyszczeń), np. par związków organicznych,

to pewna ich ilość dyfunduje do warstwy,

co prowadzi do drastycznych zmian we

własnościach termooptycznych związku

ciekłokrystalicznego. Powyższe rozumowa-

nie było podstawą podjęcia próby wykorzy-

stania związków ciekłokrystalicznych

do wykrywania zanieczyszczeń atmosfery,

np. środków trujących (m.in. tabunu, sari-

nu, somanu, DFP, iperytu S, dwufosgenu,

dwusiarczku węgla). Przykładem związków

ciekłokrystalicznych stosowanych do wy-

krywania par toksycznych substancji orga-

nicznych jest mieszanina estrów choleste-

rolu: oleinowęglanu, pelargonianu i chlor-

ku cholesterylu (Rys. 5).

Defektoskopia ciekłokrystaliczna

Związki ciekłokrystaliczne znalazły za-

stosowanie w nieniszczących badaniach

obiektów nieprzezroczystych, czyli defek-

toskopii. Metoda ta umożliwia wykrywanie

zatorów i przewężeń w przewodach wy-

mienników cieplnych, przez określenie roz-

kładu temperatur na powierzchni przewo-

du podczas cyklicznego obiegu cieczy.

Defektoskopia ciekłokrystaliczna jest

w szczególności użyteczna w lokalizacji za-

torów z substancji organicznych, trudnych

do wykrycia na drodze radiologicznej.

Chromatografia gazowa

Jest to metoda analityczna, która pole-

ga na przekształceniu badanej substancji

w parę i przepuszczeniu jej przez kolumnę

wypełnioną fazą stacjonarną. W tym przy-

padku właściwy materiał, z którego wyko-

nuje się membranę (fazę stacjonarną) na-

leży zmieszać z ciekłokrystalicznym związ-

kiem (np. polimerem zawierającym łań-

cuch polisiloksanowy) w odpowiednim

rozpuszczalniku. Następnie otrzymaną

mieszaninę ogrzewa się pod zmniejszo-

nym ciśnieniem w celu przeprowadzenia

związku ciekłokrystalicznego w stan me-

zofazy. Pod wpływem przyłożonego pola

elektrycznego następuje orientacja cząste-

czek wzdłuż określonego kierunku, tzw.

direktora. W ten sposób otrzymuje się fa-

Dydaktyka chemii fizycznej

Związki ciekłokrystaliczne mogą być

z powodzeniem zastosowane do zobrazo-

wania wielu zjawisk z nauki o cieple. Po-

zwalają uczniom [12] na lepsze zrozumie-

nie tego działu nauki oraz studentom [13]

na szybsze przyswojenie trudnych do wy-

5/2006

Nauka i technika

Rys. 5. Mieszanina ciekłych kryształów stosowana w wykrywaniu skażeń powietrza: a) oleinowęglan cholesterylu,

b) pelargonian cholesterylu, c) chlorek cholesterylu

obrażenia zagadnień, takich jak: dyfuzyj-

ność cieplna materiałów (np. metali, two-

rzyw sztucznych), adiabatyczne rozsze-

rzanie gumy, moc promieniowania źródeł

punktowych (np. żarówek, suszarek).

Ten krótki przegląd nie wyczerpuje na-

wet w małym stopniu bogactwa zastosowań

związków ciekłokrystalicznych. Obecnie

znamy ponad 20 tysięcy tego typu związ-

ków, a każdy dzień przynosi odkrycia no-

wych nieznanych do tej pory ciekłokrysta-

licznych struktur.

zwykle kilka milimetrów grubości. Zgodnie

z życzeniem klienta, tafle mogą być zabar-

wione na czerwono, niebiesko, biało lub żół-

to (Rys. 6) [14].

L ITERATURA

[1] G. Li, T. Yu: Mikromol. Chem. Rapid Commun. , 10 (1989) 387.

[2] F. Reinitzer: Monatsh. Chem. , 9 (1888) 421.

[3] O. Lehmann: Z. Phys. Chem. , 4 (1889) 462.

[4] D. Vorländer: Z. Phys. Chem. , 105 (1923) 211.

[5] K. Dobrosz-Teperek: Synteza i badanie ciekłokrystalicznych poli-

merów grzebieniowych zawierających cholesterolową grupę mezoge-

niczną , PW, Warszawa 1995.

[6] A. Teperek, W. Czajkowski, W. Fabianowski: Patent Application

nr WP/34/94.

Z ostatniej chwili…

Pewna japońska firma do końca 2006 ro-

ku ma zamiar wprowadzić na rynek sterowa-

ne elektronicznie żaluzje z wykorzystaniem

ciekłych kryształów. Budowa żaluzji w posta-

ci kurtyny nie jest zbyt skomplikowana: mię-

dzy dwie tafle tworzywa sztucznego wkom-

ponowano warstwę ciekłych kryształów

o łącznej grubości od 0,024 do 0,4 mm, pod-

czas gdy stosowane w oknach szyby mają

[7] G. Friedel: Ann. Physique , 18 (1922) 273.

[8] A. A. Collyer: Liquid Crystal Polymers: From Structures to Appli-

cations , Elsevier Applied Science, London and New York 1992.

[9] J. Żmija, J. Zieliński, J. Parka, E. Nowinowski-Kruszelnicki: Di-

spleje ciekłokrystaliczne , PWN, Warszawa 1993.

[10] J. Żmija, S. Kłosowicz, W. Borys: Cholesteryczne ciekłe kryształy

w detekcji promieniowania , WNT, Warszawa 1989.

[11] R. Sobkowski, M. Winter: Świat w płaskim wymiarze ,

http://www.opoka.org.pl/varia/internet/plaskiemonitory.html.

[12] http://www.opticsexcellence.org/SJ_TeamSite/pdfs/manuscrip-

trev2.pdf.

[13] J. L. Fergason: „Experiments with Cholesteric Liquid Crystals,”

Am. J. Phys. , 38 (1970) 425.

[14] http://www.pcword.pl/news/94037/100.html.

dr inż. KATARZYNA DOBROSZ-TEPEREK

Nauczyciel akademicki, starszy wykładowca

w Katedrze Chemii Wydziału Technologii Żywności SGGW

w Warszawie. Prowadzi badania nad doskonaleniem

metod dydaktycznych w szkole wyższej.

Rys. 6. Elektroniczna kurtyna

dr BEATA DASIEWICZ

Nauczyciel akademicki, adiunkt

w Katedrze Chemii Wydziału Technologii Żywności SGGW

w Warszawie. Specjalizuje się w analizie

związków organicznych w żywności.

Chemia w Szkole

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: