Jak se vyrábí tekuté krystaly?

Tekutý krystal je fázový stav, během kterého má látka současně vlastnosti kapalin i vlastnosti krystalů. To znamená, že mají tekutost a zároveň se vyznačují anizotropií – rozdílem ve vlastnostech daného prostředí v závislosti na směru v něm (například index lomu, rychlost zvuku nebo tepelná vodivost).

Kapalné krystaly mají strukturu viskózních kapalin, která se skládá z molekul ve tvaru disku. Orientace těchto molekul se může měnit při interakci s elektrickými poli.

Historie objevu

V roce 1888 rakouský botanik Friederich Reinitzer objevil, že některé typy krystalů mají dvě teploty tání, což znamená, že existují dvě různá kapalná skupenství, z nichž jedno je průhledné a druhé zakalené.

A přestože v roce 1904 poskytl německý fyzik Otto Lehmann ve své stejnojmenné knize řadu vědeckých důkazů ve prospěch tekutých krystalů, dlouho nebyly tekuté krystaly uznávány jako samostatné stavy hmoty. V roce 1963 našel americký vynálezce James Ferguson uplatnění pro jednu z vlastností LCD – změnu barvy v závislosti na teplotě. Jeden Američan získal patent na vynález, který dokáže detekovat tepelná pole okem neviditelná. S tím začala růst obliba tekutých krystalů.

Skupiny tekutých krystalů a jejich vlastnosti

Tekuté krystaly se obvykle dělí do dvou skupin:

řády různých termotropních kapalných krystalů

Smektické – takové tekuté krystaly mají vrstvenou strukturu, jejíž vrstvy se mohou vůči sobě pohybovat. Hustota vrstvy se může při přibližování k povrchu měnit. Kromě toho mají „smectics“ relativně vysokou viskozitu. Nejrozsáhlejší třída LCD.
Nematic – nemají vrstvenou strukturu a jejich podlouhlé molekuly nepřetržitě klouzají podél jejich dlouhých os a přitom se kolem nich otáčejí. Takové tekuté krystaly jsou podobné kapalinám. Tohoto stavu agregace mohou dosáhnout pouze ty látky, jejichž molekuly mají formu, ve které se neliší od svého zrcadlového obrazu.
Holistický – tvoří se ve sloučeninách různých steroidů, jako je cholesterol. V mnoha ohledech jsou podobné nematickým tekutým krystalům, s výjimkou uspořádání molekul. Dlouhé osy molekul cholesterických FA jsou vůči sobě natočeny tak, že molekuly tvoří spirály. Hlavním znakem tohoto typu tekutých krystalů je, že jeho molekuly jsou přecitlivělé na jakoukoliv změnu teploty a v závislosti na ní mění svou orientaci, potažmo i spirálu samotnou. Je pozoruhodné, že v závislosti na stoupání šroubovice mění cholesterické LC také svou barvu. Díky těmto dvěma vlastnostem našly takové tekuté krystaly široké uplatnění v různých oblastech lidské činnosti.

Tři typy termotropních tekutých krystalů

Lyotropní – vznikají ve směsích skládajících se z tyčovitých molekul dané látky a polárních rozpouštědel (například vody).

Aplikace tekutých krystalů

LCD displeje

Nejprve je třeba poznamenat, že ne nejužitečnější, ale nejznámější aplikací LCD jsou displeje z tekutých krystalů. Někdy se jim říká LCD displeje, což je zkratka anglického „displeje z tekutých krystalů“. Ve věku gadgetů jsou takové displeje přítomny téměř v každém elektronickém zařízení: televizory, počítačové monitory, digitální fotoaparáty, navigátory, kalkulačky, elektronické čtečky, tablety, telefony, elektronické hodinky, přehrávače atd.

Konstrukce LCD displejů je poměrně složitá, ale obecně se jedná o sadu skleněných desek, mezi kterými jsou tekuté krystaly (LCD matrice), a mnoho světelných zdrojů. Pixel matice LCD obsahuje dvojici průhledných elektrod, které umožňují měnit orientaci molekul tekutých krystalů, dále dvojici polarizačních filtrů, které regulují stupeň průhlednosti atd.

Struktura displeje z tekutých krystalů

Termografie

Méně oblíbenou, ale důležitější aplikací LCD je termografie. Termografie umožňuje získat tepelný obraz předmětu jako výsledek záznamu infračerveného záření – tepla. Infračervené přístroje pro noční vidění používají hasiči v případě kouře v místnosti k detekci obětí požáru. Uplatnění našly také v bezpečnostních a vojenských službách.

Termovize umožňuje detekovat horká místa, poruchy izolace nebo jiné nouzové oblasti během údržby nebo výstavby elektrického vedení.

Aplikace termografie při údržbě elektrického vedení

Termografie se také používá v lékařském zobrazování, hlavně pro sledování mléčných žláz. To umožňuje odhalit různé druhy rakoviny, například rakovinu prsu.

Počítačová termografie v medicíně

Elektronické indikátory

Elektronické indikátory vytvořené pomocí tekutých krystalů reagují na různé teploty, v důsledku čehož mohou informovat o poruchách a nesrovnalostech v elektronice. Například LCD ve formě filmu se aplikuje na desky plošných spojů a integrované obvody a také na tranzistory. Vadné elektronické segmenty lze pomocí takového indikátoru snadno identifikovat.

Kromě toho LCD indikátory umístěné na kůži pacienta umožňují detekovat záněty a nádory u lidí.

Indikátory z tekutých krystalů se také používají k detekci výparů různých škodlivých chemických sloučenin a také k detekci ultrafialového a gama záření. Ultrazvukové detektory a tlakoměry jsou vyvíjeny pomocí LCD.

Alkohol tester na bázi indikátoru par z tekutých krystalů

Kromě přímé aplikace tekutých krystalů ve výše uvedených oblastech je třeba poznamenat, že tekuté krystaly jsou v mnoha ohledech podobné některým buněčným strukturám a někdy se v nich vyskytují. Díky svým dielektrickým vlastnostem regulují tekuté krystaly vztahy uvnitř buňky, mezi buňkami a tkáněmi a mezi buňkou a prostředím. Studium povahy a chování tekutých krystalů tak může přispět k molekulární biologii.