137

Κεφάλαιο 7 – Η επίδραση των ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων

στους υγρούς κρυστάλλους

Σύνοψη

Στο κεφάλαιο αυτό, παρουσιάζεται η επίδραση των ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων, καταρχάς σε

μεμονωμένα υγροκρυσταλλικά μόρια, και, στη συνέχεια, σε μεγάλο αριθμό μορίων που απαρτίζουν τα

υγροκρυσταλλικά υλικά που μελετώνται για εφαρμογές. Κατόπιν, αναπτύσσονται οι παραμορφώσεις της

υγροκρυσταλλικής δομής στους νηματικούς και χειρόμορφους νηματικούς, τα διηλεκτρικά φαινόμενα με τις

τεχνικές που εφαρμόζονται για τη διευθέτηση των υλικών αυτών πάνω σε επιφάνειες και σε συνδυασμό με

την επίδραση πεδίων, προκειμένου να κατασκευαστούν πρότυπες υγροκρυσταλλικές κυψελίδες. Τέλος,

παρουσιάζονται ορισμένες καινοτόμες εφαρμογές που βασίζονται στη μεταβολή της μικροδομής των

χοληστερικών με την επίδραση πάντα των πεδίων.

Προαπαιτούμενη γνώση

Φυσικοχημεία (καταστάσεις της ύλης). Φυσική (Ηλεκτρισμός, Οπτική).

7.1 Ανισοτροπία των υγρών κρυστάλλων

Στερεά, υγρά και αέρια υλικά, ακόμα και όταν βρεθούν σε ισχυρά ηλεκτρικά ή μαγνητικά πεδία,

επηρεάζονται πολύ λίγο. Αντίθετα, οι υγροί κρύσταλλοι, όταν εκτεθούν ακόμα και σε ασθενή ηλεκτρικά ή

μαγνητικά πεδία, υφίστανται έντονες μεταβολές στη δομή τους. Η συμπεριφορά αυτή είναι πολύ σημαντική

όπως θα δούμε στη συνέχεια, επειδή καθορίζει τις εφαρμογές τους.

Εάν στον όγκο ενός υγρού ή αερίου μετρήσουμε μία ιδιότητα προς μία καθορισμένη διεύθυνση, τότε θα

διαπιστώσουμε ότι έχει την ίδια τιμή ακόμα και αν αλλάξουμε κατεύθυνση. Εάν π.χ. μετρήσουμε τη μείωση

της έντασης ενός ήχου κατά μήκος διαφορετικών διευθύνσεων μέσα σε ένα υγρό η αέριο θα παρατηρήσουμε

ότι δεν εμφανίζεται καμία διαφορά. Το φαινόμενο που εμφανίζουν τα υλικά να διατηρούν τις ιδιότητές τους

σταθερές προς οποιαδήποτε κατεύθυνση του όγκου τους ονομάζεται ισοτροπία και οι φάσεις που έχουν

αυτήν την ιδιότητα ονομάζονται ισοτροπικές (ισότροπες) φάσεις. Τα υγρά και τα αέρια είναι ισοτροπικές

φάσεις. Επαναλαμβάνοντας το ίδιο πείραμα στους υγρούς κρυστάλλους, θα παρατηρήσουμε ότι υπάρχουν

διαφορές στην ένταση του ήχου, οι οποίες εξαρτώνται από την κάθε διεύθυνση διάδοσης. Η ιδιότητα αυτή

των υγρών κρυστάλλων ονομάζεται ανισοτροπία, και οι φάσεις που έχουν αυτήν την ιδιότητα ανισοτροπικές

(ανισότροπες) φάσεις. Οι υγροί κρύσταλλοι είναι μία ανισότροπη φάση. Τα στερεά είναι επίσης μία

ανισότροπη φάση (έχουν όμως παρατηρηθεί και ισότροπα στερεά).

Οι υγροί κρύσταλλοι αποτελούν μια κατηγορία χαρακτηριστικών ρευστών που εμφανίζουν πολλές

ανισότροπες καταστάσεις. Από τους απλούς οργανικούς υγρούς κρυστάλλους έως τα πολύπλοκα μείγματα

αυτών, οι μεσοφάσεις παρουσιάζουν ανισοτροπία με διάφορες φυσικές ιδιότητες. Η ανισοτροπία στις

υγροκρυσταλλικές φάσεις εξαρτάται από τη γεωμετρία των μορίων και τη δομή των μεσοφάσεων. Γενικά, οι

φυσικές ιδιότητες ενός υλικού δεν είναι ίδιες κατά μήκος του κατευθυντή �⃗� και κάθετα προς αυτόν. Αν οι

υγροί κρύσταλλοι εκτεθούν σε ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία, η επίδραση που δέχονται εξαρτάται από τη

διεύθυνση διάδοσης και την ένταση των πεδίων αυτών. Άλλη είναι η επίδραση αν τα πεδία εφαρμόζονται

κατά μήκος του άξονα συμμετρίας του υγρού κρυστάλλου (που είναι και ο κατευθυντής του υγρού

κρυστάλλου) και άλλη αν εφαρμόζονται με κάποια γωνία ως προς αυτόν τον άξονα. Χαρακτηριστικό

παράδειγμα αποτελεί η αλληλεπίδραση του φωτός, σαν ηλεκτρομαγνητικό κύμα, που όταν προσπέσει σε έναν

υγρό κρύσταλλο το αποτέλεσμα το οποίο θα προκαλέσει εξαρτάται από την γωνία πρόσπτωσης ως προς τον

άξονα του κρυστάλλου (κατευθυντή). Ανάλογη με την οπτική, ανισοτροπική συμπεριφορά εμφανίζουν και

άλλες ιδιότητες όπως οι μηχανικές, η ηλεκτρική, η θερμική αγωγιμότητα, το ιξώδες κ.ά.

138

7.2 Οπτική ανισοτροπία στους νηματικούς υγρούς κρυστάλλους

Στις νηματικές μεσοφάσεις, η οπτική ανισοτροπία καθορίζεται από τις διαφορετικές τιμές του δείκτη

διάθλασης που σχετίζεται με τη διάδοση του φωτός κατά μήκος του οπτικού άξονα (κατευθυντή): nӏӏ και

κάθετα σ’ αυτόν, n⊥. Οι περισσότερες νηματικές και σμηκτικές φάσης είναι οπτικά θετικές: nӏӏ > n⊥. Η οπτική

ανισοτροπία γενικεύεται από τη δείκτρια, που θεωρείται ένα ελλειψοειδές εκ περιστροφής, όπου ο

μεγαλύτερος και ο μικρότερος άξονας αντιστοιχούν στους nӏӏ και n⊥ δείκτες διάθλασης. Για ένα οπτικά

αρνητικό μέσο ισχύει, nӏӏ < n⊥, όπως φαίνεται στο Σχήμα 7.1α.

Σχήμα 7.1 Οπτική ανισοτροπία. (α) Σχηματική απεικόνιση οπτικά θετικού και οπτικά αρνητικού δείγματος. (β) Διάδοση

του φωτός διαμέσου ενός ανισότροπου δείγματος, αποδίδοντας τον τακτικό δείκτη διάθλασης no και τον έκτακτο δείκτη

διάθλασης ne.

Οι μονοαξονικές νηματικές φάσεις χαρακτηρίζονται από έναν κύριο οπτικό άξονα (οπτικά

μονοαξονικές), ενώ οι διαξονικές φάσεις έχουν δύο κύριους άξονες (οπτικά διαξονικές). Κατά τη διάδοση του

φωτός υπό μια γωνία φ ως προς τον οπτικό άξονα, το φώς αλληλεπιδρά με τον τακτικό δείκτη διάθλασης no

και τον έκτακτο δείκτη διάθλασης ne, όπως φαίνεται στο Σχήμα 7.1β. Όταν η πόλωση είναι κάθετη στον

οπτικό άξονα, τότε το φώς αλληλεπιδρά με τον τακτικό δείκτη διάθλασης no. Αντίστοιχα, όταν η πόλωση

είναι παράλληλη με τον οπτικό άξονα, τότε το φως αλληλεπιδρά με τον έκτακτο δείκτη ne. Αυτό φαίνεται στο

Σχήμα 7.1β.

Οι δείκτες διάθλασης που αντιστοιχούν στις τακτικές και έκτακτες συνιστώσες σχετίζονται με τους

δείκτες nӏӏ και n⊥ μέσα από τη σχετική γωνία φ:

ne =n∥n⊥

√n∥2cos2φ+n⊥

2 sin2φ (7.1)

𝑛𝑜 = 𝑛⊥ (7.2)

Κατά συνέπεια, η τακτική και έκτακτη ακτίνα θα διαδίδονται μέσω του υλικού με διαφορετικές

ταχύτητες, έχοντας ως αποτέλεσμα τη διαφορά φάσης μέσα στο δείγμα οπτικής απόστασης d:

δ =2π

λ (ne − no)d (7.3)

όπου λ είναι το μήκος κύματος διάδοσης της δέσμης στο κενό. Η διαφορά των δύο δεικτών διάθλασης

ορίζεται ως οπτική διπλοδιαθλαστικότητα:

Δn = ne − no (7.4)

Το γραμμικά πολωμένο φως, κατά τη διάδοσή του σε έναν ΥΚ που βρίσκεται μεταξύ πολωτή και

αναλυτή, μετατρέπεται σε ελλειπτικά πολωμένο φως. Η ένταση του φωτός που εξέρχεται από τον αναλυτή

δίνεται από τη σχέση:

139

I = Iosin22φsin2 δ

2 (7.5)

όπου I0 είναι η ένταση του φωτός μετά τον πρώτο πολωτή και φ η γωνία μεταξύ του αναλυτή και την

προβολή του οπτικού άξονα στο επίπεδο του δείγματος Ο πρώτος όρος της σχέσης (7.5) ποσοτικοποιεί την

ένταση της ακτίνας που διέρχεται μεταξύ των διασταυρωμένων πολωτών σε ένα δείγμα που περιστρέφεται,

και ο δεύτερος όρος είναι υπεύθυνος για την εμφάνιση των διπλοδιαθλαστικών χρωμάτων σε λεπτά νηματικά

επιστρώματα.

7.3 Υγροκρυσταλλικά μόρια σε ηλεκτρικά πεδία

Τα περισσότερα μόρια των υγρών κρυστάλλων δεν φέρουν ηλεκτρικά φορτία. Παρόλα αυτά, ορισμένες

φορές οι χημικοί δεσμοί μεταξύ των ατόμων αναπτύσσουν τοπικά σε ένα τμήμα του μορίου ένα ασθενές

θετικό φορτίο και σε κάποιο άλλο τμήμα ένα αρνητικό φορτίο. Στην περίπτωση αυτή, το μόριο του ΥΚ

δημιουργεί τοπικά ένα «μόνιμο ηλεκτρικό δίπολο», το οποίο, όταν δεν βρίσκεται υπό την επίδραση ενός

ηλεκτρικού πεδίου, τότε έχει τυχαίο προσανατολισμό. Η κατάσταση όμως αλλάζει όταν το μόριο που

αποτελεί ένα μόνιμο ηλεκτρικό δίπολο βρεθεί μέσα σε ένα ηλεκτρικό πεδίο. Στο Σχήμα 7.2 φαίνονται δύο

μόρια που σχηματίζουν μόνιμα ηλεκτρικά δίπολα και βρίσκονται μέσα σε ηλεκτρικό πεδίο Ε.

(α) (β)

Σχήμα 7.2 Διευθέτηση ενός ηλεκτρικού διπόλου με την επίδραση ηλεκτρικού πεδίου: (α) το δίπολο τείνει να στραφεί

παράλληλα προς την ένταση του πεδίου, (β) το δίπολο τείνει να στραφεί κάθετα προς την ένταση του πεδίου.

Παρατηρούμε ότι οι φορτισμένες θέσεις του μορίου δημιουργούν δύο αντίθετες δυνάμεις. Οι

δυνάμεις αυτές δεν προσανατολίζουν το μόριο προς μία διεύθυνση, αλλά τείνουν να περιστρέψουν το μόριο

προς μία παράλληλη (α) και μία κάθετη θέση (β) ως προς τις δυναμικές γραμμές του ηλεκτρικού πεδίου.

Επίσης, παρατηρούμε ότι η τελική θέση του μορίου (παράλληλη ή κάθετη προς τις δυναμικές γραμμές του

πεδίου) εξαρτάται από τη θέση στην οποία βρίσκονται τα θετικά και αρνητικά φορτία στο μόριο. Επίσης,

διαπιστώνεται ότι όσο η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου αυξάνεται, τόσο και η δύναμη που τείνει να

κατευθύνει το μόριο αυξάνεται.

Τα υγροκρυσταλλικά μόρια στα οποία οι δεσμοί μεταξύ των ατόμων δεν δημιουργούν δίπολα

συμπεριφέρονται διαφορετικά. Συχνά τα εξωτερικά ηλεκτρικά πεδία που επιδρούν στα «ατομικά φορτία»

αυτών των μορίων (δηλαδή στους θετικούς πυρήνες και στα αρνητικά ηλεκτρόνια) «μετατοπίζουν» τα θετικά

φορτία προς μία διεύθυνση και τα αρνητικά φορτία προς την αντίθετη διεύθυνση. Δημιουργείται έτσι ένα

ηλεκτρικό δίπολο που ισχύει μόνο μέσα σε ηλεκτρικό πεδίο. Τέτοια δίπολα ονομάζονται «επαγωγικά

ηλεκτρικά δίπολα» και, συνήθως, είναι ασθενέστερα από τα μόνιμα ηλεκτρικά δίπολα. Γενικά, μπορούμε να

διατυπώσουμε την άποψη ότι τα υγροκρυσταλλικά μόρια μπορούν να δημιουργήσουν μόνιμα και επαγωγικά

ηλεκτρικά δίπολα κατά μήκος του μεγάλου ή του μικρού άξονα του μορίου. Ο προσανατολισμός των δίπολων

εξαρτάται από τη δομή των μορίων.

140

Έτσι, η ηλεκτρική και μαγνητική επιδεκτικότητα των υγρών κρυστάλλων είναι ανισότροπη στον

χώρο. Η διηλεκτρική ανισοτροπία (Δε) των υγρών κρυστάλλων ορίζεται ως θετική, όταν η διηλεκτρική

σταθερά τους σε διεύθυνση παράλληλη προς τον μεγάλο άξονα του μορίου (ε║) είναι μεγαλύτερη από εκείνη

σε κάθετη διεύθυνση προς αυτόν (ε┴), δηλαδή ε║> ε┴, στην αντίθετη περίπτωση έχουμε αρνητική διηλεκτρική

ανισοτροπία (Σχήμα 7.3). Ανάλογα ορίζεται και η μαγνητική ανισοτροπία, ως θετική, όταν για τη

μαγνητική επιδεκτικότητα ισχύει: χ║ > χ┴ και ως αρνητική στην αντίθετη περίπτωση.

Σχήμα 7.3 Ορισμός της θετικής και αρνητικής διηλεκτρικής ανισοτροπίας.

7.4 Υγροί κρύσταλλοι σε ηλεκτρικά πεδία

Γνωρίζοντας πώς συμπεριφέρονται τα υγροκρυσταλλικά μόρια όταν βρίσκονται σε ηλεκτρικά πεδία,

μπορούμε να κατανοήσουμε πώς συμπεριφέρονται στο σύνολό τους σε ένα υγροκρυσταλλικό υλικό. Αν το

υγροκρυσταλλικό μόριο τείνει να προσανατολίσει τον μεγάλο του άξονα προς μία συγκεκριμένη διεύθυνση

π.χ. παράλληλα προς τις δυναμικές γραμμές ενός ηλεκτρικού πεδίου, τότε όλα τα μόρια του

υγροκρυσταλλικού υλικού τείνουν να προσανατολιστούν προς την ίδια συγκεκριμένη διεύθυνση.

Η παράμετρος τάξης των υγροκρυσταλλικών μορίων δεν μεταβάλλεται από την επίδραση του

ηλεκτρικού πεδίου. Αυτό που συμβαίνει είναι ότι το ηλεκτρικό πεδίο τείνει να προσανατολίσει τον

κατευθυντή του υγρού κρυστάλλου προς μία συγκεκριμένη διεύθυνση. Το μέγεθος της έντασης του

ηλεκτρικού πεδίου που απαιτείται για να προσανατολίσει τον κατευθυντή του είναι πολύ μικρό. Έχει

ενδιαφέρον να συγκριθεί αυτή η συμπεριφορά των υγρών κρυστάλλων με τη συμπεριφορά των στερεών και

υγρών μέσα σε ηλεκτρικό πεδίο. Στα υγρά, εξαιτίας της άτακτης κίνησης των μορίων τους, είναι πολύ

δύσκολο να προσανατολιστούν προς μία διεύθυνση. Στα στερεά οι δεσμοί μεταξύ των μορίων είναι αρκετά

ισχυροί έτσι ώστε τα ηλεκτρικά πεδία να μην μπορούν να αλλάξουν τον προσανατολισμό τους.

Η ευελιξία των υγροκρυσταλλικών μορίων να αλλάζουν προσανατολισμό (όπως τα υγρά), αλλά να

το κάνουν ενώ διατηρούν την παράμετρο τάξης τους (όπως τα στερεά), δημιουργεί αυτήν την ιδιαίτερη

συμπεριφορά όταν βρεθούν μέσα σε ηλεκτρικά πεδία. Ας θεωρήσουμε μία ποσότητα ραβδόμορφων

υγροκρυσταλλικών μορίων, που είναι λιγότερο ή περισσότερο προσανατολισμένα, με το θετικό φορτίο στο

ένα άκρο και το αρνητικό στο άλλο άκρο. Έτσι, στο ένα άκρο υπερισχύουν τα θετικά φορτία, ενώ στο άλλο

τα αρνητικά. Η ποσότητα αυτή των ραβδόμορφων υγροκρυσταλλικών μορίων συμπεριφέρεται σαν ένα

μεγάλο ηλεκτρικό δίπολο. Επειδή η ένταση του ηλεκτρικού δίπολου εξαρτάται από το μέγεθος του δείγματος,

έχει επικρατήσει ο όρος «ηλεκτρική πολικότητα» που αναφέρεται στο ηλεκτρικό δίπολο ανά μονάδα όγκου.

7.5 Υγροκρυσταλλικά μόρια σε μαγνητικά πεδία

Οι δυνάμεις μεταξύ φορτίων γίνονται πλέον σύνθετες όταν τα φορτία κινούνται. Στην περίπτωση αυτή, όπως

είναι γνωστό, η κίνηση ηλεκτρικού φορτίου αναπτύσσει μαγνητικό πεδίο και μια πρόσθετη δύναμη, τη

141

μαγνητική δύναμη. Αν υποθέσουμε ότι ένα φορτίο κινείται, τότε θα δημιουργηθεί ένα μαγνητικό πεδίο. Αν

μέσα από το μαγνητικό αυτό πεδίο περάσει ένα άλλο κινούμενο φορτίο, τότε θα δημιουργηθεί μία νέα

μαγνητική δύναμη. Ο ηλεκτρισμός και ο μαγνητισμός είναι φαινόμενα στενά συνδεδεμένα μεταξύ τους

εφόσον τα δημιουργούν φορτία. Όπως ακριβώς υπάρχουν δύο αντίθετα φορτία στον ηλεκτρισμό, έτσι

υπάρχουν και δύο αντίθετα φορτία στον μαγνητισμό (θετικός και αρνητικός πόλος).

Υπάρχει όμως μία σημαντική διαφορά μεταξύ ηλεκτρισμού και μαγνητισμού. Η παραγωγή ενός

μαγνητικού πεδίου που να διατηρείται για κάποιο χρονικό διάστημα προϋποθέτει ότι κάποιο φορτίο πρέπει να

κινείται για ένα αντίστοιχο χρονικό διάστημα. Η διατήρηση της κίνησης απαιτεί το φορτίο να έχει τροχιά

κλειστής καμπύλης, που να υποστηρίζεται από κάποια «συσκευή», που υπάρχει στο σύστημα, γεγονός που

δεν ισχύει στον ηλεκτρισμό. Όπως παρουσιάζεται στο Σχήμα 7.4α, υπάρχουν μαγνητικές δυνάμεις σε

διαφορετικά σημεία της κλειστής καμπύλης (στη συγκεκριμένη περίπτωση κύκλος), αλλά, αν προστεθούν,

αλληλοαναιρούνται, με αποτέλεσμα η συνισταμένη τους να μηδενιστεί.

Αν η τροχιά βρίσκεται σε επίπεδο κάθετο προς την ένταση του μαγνητικού πεδίου (Σχήμα 7.4 α),

έχουμε αλληλοεξουδετέρωση των δυνάμεων (μηδενική συνισταμένη δύναμη). Αν η τροχιά δεν είναι σε

επίπεδο κάθετο προς την ένταση του μαγνητικού πεδίου (Σχήμα7.4β), τότε οι δυνάμεις δεν

αλληλοεξουδετερώνονται, και τείνουν να προσανατολίσουν το επίπεδο που κινείται το φορτίο κάθετα προς τη

διεύθυνση της έντασης του μαγνητικού πεδίου.

Αν το επίπεδο που κινείται το φορτίο δεν είναι κάθετο στην ένταση του μαγνητικού πεδίου, τότε οι

μαγνητικές δυνάμεις, στα διάφορα σημεία της καμπύλης τροχιάς, τείνουν να προσανατολίσουν το επίπεδο της

τροχιάς κάθετα προς την ένταση του μαγνητικού πεδίου. Ένα κινούμενο φορτίο σε κλειστή καμπύλη τροχιά

ονομάζεται μαγνητικό δίπολο. Στη φύση υπάρχουν τέτοια φορτία σε ατομική κλίμακα. Τα αρνητικά

φορτισμένα ηλεκτρόνια γύρω από τον πυρήνα ενός ατόμου μερικές φορές συμπεριφέρονται ως μαγνητικά

δίπολα. Τα άτομα που περιέχουν πολλά ηλεκτρόνια ενεργούν ως μαγνητικά δίπολα. Αυτού του είδους τα

άτομα δημιουργούν τους μόνιμους μαγνήτες.

Σχήμα 7.4 Δυνάμεις που παράγονται από φορτίο που κινείται σε κυκλική τροχιά σε μαγνητικό πεδίο. Η διεύθυνση του

φορτίου (θετικό) παριστάνεται με ένα βέλος.

Συνήθως, τα άτομα των υγροκρυσταλλικών μορίων δεν ανήκουν σ’ αυτήν την κατηγορία, αλλά όπως

στην περίπτωση της επίδρασης των ηλεκτρικών πεδίων, ορισμένα φορτία που υπάρχουν στο μόριο, όταν

βρεθούν σε μαγνητικό πεδίο θα εξαναγκαστούν να κινηθούν σε κλειστές καμπύλες τροχιές. Σ’ αυτήν την

περίπτωση σχηματίζονται τα επαγωγικά μαγνητικά δίπολα που τείνουν να αποκτήσουν διεύθυνση κατά

μήκος του μαγνητικού πεδίου.

7.6 Παραμορφώσεις των υγρών κρυστάλλων

Ο κατευθυντής των υγρών κρυστάλλων είναι ελεύθερος να προσανατολιστεί σε οποιαδήποτε διεύθυνση.

Υπάρχουν όμως περιπτώσεις όπου αυτό δεν ισχύει.

142

Πριν από αρκετά χρόνια επιστήμονες παρατήρησαν ότι μερικά υλικά που έρχονταν σε επαφή με

υγρούς κρυστάλλους ανάγκαζαν τον κατευθυντή να προσανατολιστεί. Για παράδειγμα, μία γυάλινη επιφάνεια

αν επεξεργαστεί κατάλληλα μπορεί να προσανατολίσει (κατευθύνει) παράλληλα τα υγροκρυσταλλικά μόρια

που θα τοποθετηθούν πάνω σ’ αυτήν. Ο κατευθυντής κοντά στη γυάλινη επιφάνεια θα παραμείνει

παράλληλος προς αυτήν ακόμα και όταν εφαρμοστεί, στο σύστημα γυαλί - υγρός κρύσταλλος, ηλεκτρικό ή

μαγνητικό πεδίο. Τα μόρια που βρίσκονται σε απόσταση από την επιφάνεια δεν συμπεριφέρονται όμοια μ’

αυτά που είναι πολύ κοντά. Όταν εφαρμοστεί ένα πεδίο (ηλεκτρικό ή μαγνητικό), τα μόρια αυτά

αναγκάζονται να αλλάξουν κατεύθυνση και ο άξονας συμμετρίας προσανατολίζεται, όχι πλέον παράλληλα,

αλλά σχεδόν κάθετα προς τη γυάλινη επιφάνεια. Σ’ αυτήν την περίπτωση, τα αποτελέσματα της επίδρασης

της επιφάνειας και των πεδίων συναγωνίζονται, δημιουργώντας διάφορες παραμορφώσεις στους υγρούς

κρυστάλλους. Αναφέροντας τον όρο «παραμόρφωση των υγρών κρυστάλλων» εννοούμε την κατάσταση

διαμόρφωσης στους υγρούς κρυστάλλους όπου ο κατευθυντής αλλάζει από περιοχή σε περιοχή, λόγω

διαφόρων παραγόντων που επιδρούν σ’ αυτούς.

Πολλοί ερευνητές παρατήρησαν ότι όλες οι παραμορφώσεις μπορούν να περιγραφούν αν λάβουμε

υπόψη τις τρεις βασικές παραμορφώσεις που παρουσιάζονται στο Σχήμα 5.4 της παραγράφου 5.6.

Για να γίνει περισσότερο κατανοητό πώς ακριβώς παραμορφώνονται οι υγροί κρύσταλλοι κάτω από

διαφορετικές συνθήκες, είναι χρήσιμο να προσομοιωθεί ο υγρός κρύσταλλος με ένα ελατήριο. Όπως μία

εξωτερική δύναμη είναι αναγκαία για να πιεστεί το ελατήριο, έτσι είναι αναγκαία μία εξωτερική δύναμη για

να παραμορφωθούν οι υγροί κρύσταλλοι. Όταν η δύναμη αυτή σταματήσει να ενεργεί, τότε οι υγροί

κρύσταλλοι επανέρχονται στην αρχική τους θέση, όπως επανέρχεται το ελατήριο στο αρχικό του μήκος.

Η δύναμη που απαιτείται για να παραμορφωθεί ένας υγρός κρύσταλλος αυξάνεται όσο αυξάνεται και

το ποσοστό της παραμόρφωσης. Αυτός είναι ο λόγος που το ηλεκτρικό πεδίο πρέπει να «προσφέρει» τόση

δύναμη όση ακριβώς απαιτείται για να γίνει η συγκεκριμένη παραμόρφωση.

Η παραμόρφωση των μορίων των χειρόμορφων νηματικών υγρών κρυστάλλων αποτελεί μία

εξαίρεση. Τα μόρια εξασκούν δυνάμεις μεταξύ τους έτσι ώστε τα αναγκάζουν να δομούνται σε διαδοχικά

επίπεδα και υπό γωνία μεταξύ τους. Αυτή η διευθέτηση των μορίων αναγκάζει τον άξονα συμμετρίας να

περιστρέφεται, και έτσι ο υγρός κρύσταλλος να παρουσιάζει ελικοειδή δομή.

7.7 Υδροδυναμικές επιδράσεις των υγροκρυσταλλικών μορίων από ηλεκτρικά πεδία

Οι κινήσεις των υγροκρυσταλλικών μορίων λόγω επίδρασης ηλεκτρικών πεδίων είχαν παρατηρηθεί πριν από

πάρα πολλά χρόνια, αλλά μετά το 1960 έγινε κατανοητός ο μηχανισμός της κίνησης των μορίων τους. Τα

υγροκρυσταλλικά μόρια συνήθως δεν φέρουν φορτία, ως εκ τούτου δεν ασκούν δυνάμεις σε ένα ηλεκτρικό

πεδίο. Ένα ηλεκτρικό πεδίο μπορεί να προσανατολίσει τα υγροκρυσταλλικά μόρια, αλλά δεν προκαλεί κίνηση

στο σύνολο των μορίων ενός δείγματος προς μια συγκεκριμένη διεύθυνση.

Τι προκαλεί λοιπόν την κίνηση;

Η απάντηση βρίσκεται στην παρουσία ενός μικρού συνόλου από φορτισμένα πρόσθετα (impurity)

ιόντα. Το ηλεκτρικό πεδίο αναγκάζει τα ιόντα να κινηθούν από το ένα ηλεκτρόδιο προς το άλλο. Αυτή η

κίνηση των ιόντων είναι εντονότερη παράλληλα προς τη διεύθυνση του μεγάλου άξονα των μορίων από ό, τι

κάθετα προς αυτήν. Σε ορισμένες συνθήκες μπορεί η εν λόγω κίνηση να προσανατολίσει τα υγροκρυσταλλικά

μόρια κατά μήκος του ηλεκτρικού πεδίου, ακόμα και αν ο προσανατολισμός αυτών των μορίων, χωρίς την

ύπαρξη του πεδίου, ήταν κάθετος στο ηλεκτρικό πεδίο.

Η δημιουργία, μέσα στους υγρούς κρυστάλλους, σκοτεινών και φωτεινών περιοχών (περιοχές

Williams) είναι μία άλλη υδροδυναμική επίδραση. Η περίπτωση αυτή είναι περισσότερο περίπλοκη, επειδή η

αλληλεπίδραση μεταξύ της κίνησης των ιόντων και των υγροκρυσταλλικών μορίων παράγει έναν διαχωρισμό

των κινουμένων θετικών και αρνητικών φορτίων. Όπως παρουσιάζονται στο Σχήμα 7.5, τα φορτία κινούνται,

και έτσι αλλάζει η διεύθυνση του άξονα συμμετρίας των υγροκρυσταλλικών μορίων. Το αποτέλεσμα είναι σε

ορισμένες περιοχές να εστιάζει το φως και σε άλλες να μην εστιάζει, έτσι ώστε να παράγονται φωτεινές και

σκοτεινές περιοχές.

Αν το ηλεκτρικό πεδίο είναι αρκετά ισχυρό, η κίνηση των μορίων γίνεται στροβιλώδης. Αυτή η βίαιη

κίνηση των μορίων προκαλεί τη διάχυση του φωτός έτσι ώστε τα δείγματα να παρουσιάζονται λευκά

φωτεινά. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται «δυναμικός σκεδασμός» (Dynamic Scattering) και παρατηρήθηκε

143

το 1968 από ερευνητές της RCA (Σχήμα 7.6). Το φαινόμενο αυτό παίζει τον σπουδαιότερο ρόλο στις

ηλεκτροπτικές εφαρμογές στα συστήματα απεικόνισης (display systems) και σ’ αυτό οφείλονται πολλές

τεχνολογικές εφαρμογές των υγρών κρυστάλλων.

Σχήμα 7.5 Η δημιουργία περιοχών Williams σε ένα υγροκρυσταλλικό κελί. Η κίνηση των φορτισμένων πρόσθετων

σωματιδίων (κύκλοι) προκαλεί την κυκλοφορία των υγροκρυσταλλικών μορίων (βέλη). Αυτή η κυκλοφορία προκαλεί

παραμόρφωση της διαμόρφωσης του κατευθυντή (διακεκομμένη γραμμή), η οποία εστιάζει το φως διαμέσου του δείγματος

σε εναλλασσόμενες φωτεινές και σκοτεινές ταινίες.

Σχήμα 7.6 Το φαινόμενο του δυναμικού σκεδασμού (DS) σε νηματικό δοκίμιο πάχους 10µm. (α) Νηματική διάταξη μη

διαταραγμένη (0V). (β) Ημιτονοειδείς παραμορφώσεις µε την επίδραση πεδίου (5V). (γ) Διάταξη που παρουσιάζει δυναμικό

σκεδασμό, αποτελούμενη από περιοχές που αλλάζουν συνεχώς µε βεβιασμένες κινήσεις ( 20V).

7.8 Διηλεκτρικά φαινόμενα

Τα διηλεκτρικά φαινόμενα είναι ανάλογα με τις παραμορφώσεις που προκαλούνται από την επίδραση

μαγνητικών πεδίων. Δεν απαιτούν τη ροή ηλεκτρικού ρεύματος και είναι πολύ σημαντικά, λόγω των

εφαρμογών που βρίσκουν σε συστήματα απεικόνισης. Έχουν παρατηρηθεί τρεις βασικές περιπτώσεις τέτοιων

φαινομένων, που διαφέρουν ως προς τη γεωμετρία του δοκιμίου και το πρόσημο της διηλεκτρικής

ανισοτροπίας της χρησιμοποιούμενης υγροκρυσταλλικής ένωσης.

144

Η μελέτη των υγρών κρυστάλλων απαιτεί συχνά την τοποθέτηση του δείγματος ανάμεσα σε δύο

γυαλιά (καλυπτρίδες) μικροσκοπίου. Μ’ αυτόν τον τρόπο, αφενός διατηρείται ο υγρός κρύσταλλος σταθερά

σε μία θέση, ενώ συγχρόνως επιτρέπεται στο φως να εισέλθει και να εξέλθει εύκολα από το δείγμα, αφετέρου

γίνεται εύκολος ο προσανατολισμός του κατευθυντή του υγρού κρυστάλλου. Ο προσανατολισμός αυτός

μπορεί να γίνει με ένα απλό τρίψιμο (προς μία διεύθυνση) του γυαλιού με ένα κομμάτι ύφασμα ή με την

απόθεση ορισμένων χημικών ουσιών στην επιφάνεια των γυαλιών, πριν γίνει η επίστρωση με τους υγρούς

κρυστάλλους. Έτσι επιτυγχάνεται εύκολος προσανατολισμός τους προς οποιαδήποτε διεύθυνση.

Ενδιαφέρον παρουσιάζουν δύο περιπτώσεις προσανατολισμού του κατευθυντή, το να είναι

παράλληλος ή κάθετος προς την επιφάνεια των γυαλιών. Τα υγροκρυσταλλικά μόρια που βρίσκονται κοντά

στο γυαλί μπορούν να διευθετηθούν παράλληλα προς αυτό, αν όμως γίνει κάποια προετοιμασία όπως

αναφέρθηκε, παρασύρουν όλα τα μόρια που βρίσκονται μεταξύ των γυάλινων επιφανειών, ώστε να

προσανατολιστούν και αυτά παράλληλα. Αυτή η μορφή της διευθέτησης των μορίων ονομάζεται ομοιογενής

δομή, και παρουσιάζεται στο Σχήμα 7.7α.

Ας υποτεθεί ένα ηλεκτρικό ή μαγνητικό πεδίο που επιδρά κάθετα προς τις γυάλινες επιφάνειες και

τείνει να προσανατολίσει τον κατευθυντή των υγροκρυσταλλικών μορίων παράλληλα προς το πεδίο (κάθετα

προς τις γυάλινες επιφάνειες). Τα μόρια που βρίσκονται πολύ κοντά στις γυάλινες επιφάνειες παραμένουν

διευθετημένα παράλληλα όπως ήταν, ενώ τα μόρια που βρίσκονται ενδιάμεσα στις γυάλινες επιφάνειες είναι

αρκετά ελεύθερα να αλλάξουν προσανατολισμό στον κατευθυντή τους, όπως παρουσιάζεται στο Σχήμα 7.7β.

Η πλέον ενδιαφέρουσα παρατήρηση είναι ότι η μορφή (β) του Σχήματος 7.7 δεν παρουσιάζεται

σταδιακά με την αύξηση της έντασης του πεδίου (ηλεκτρικού ή μαγνητικού), αλλά, σε κάποια συγκεκριμένη

τιμή της έντασης του πεδίου, η παραμόρφωση (που στη συγκεκριμένη περίπτωση είναι του τύπου διασπορά

και κάμψη), αρχίζει και μεγαλώνει όσο η ένταση του πεδίου μεγαλώνει.

Το φαινόμενο αυτό παρατήρησαν πρώτοι οι V. Fréedericksz και C. Repiewa (1927). Μπορεί, με

διαφορετική επεξεργασία των επιφανειών και εφαρμογής του πεδίου με διαφορετική φορά ως προς αυτές, να

προκύψουν τρεις διαφορετικές παραμορφώσεις (σε σχέση με τις παραμορφώσεις της στρέψης, κάμψης και

διάτασης) και ονομάζονται μετατροπές Fréedericksz (Fréedericksz transitions). Οι παραμορφώσεις αυτές

δεν είναι μετατροπές φάσης (σε κάθε σημείο του υγρού κρυστάλλου η παράμετρος τάξης των μορίων

παραμένει σταθερή).

Off On

(α) (β)

Σχήμα 7.7 Μετατροπή Freedericks στη γεωμετρία κάμψης και διάτασης. Η επεξεργασία του γυαλιού προσανατολίζει τους

υγρούς κρυστάλλους παράλληλα προς τις επιφάνειες, ενώ με εφαρμογή ηλεκτρικού πεδίου ο κατευθυντής στρέφεται και

τείνει να προσανατολιστεί κάθετα προς τις γυάλινες επιφάνειες. Η κατάσταση που επικρατεί όταν το πεδίο είναι κάτω και

πάνω από την οριακή τιμή φαίνεται στις περιπτώσεις (α) και (β) αντίστοιχα.

Η μετατροπή Freedericksz του Σχήματος 7.7 ονομάζεται «παράλληλος προσανατολισμός», η

διηλεκτρική ανισοτροπία του υγρού κρυστάλλου πρέπει να είναι θετική (Δε > 0). Με την επίδραση του

ηλεκτρικού πεδίου δημιουργούνται δύο αντίθετες δράσεις που πρέπει να λάβουμε υπόψη:

145

1. Λόγω της θετικής διηλεκτρικής ανισοτροπίας, το ηλεκτρικό πεδίο ασκεί ροπή στρέψης σε κάθε

στοιχειώδη όγκο του δοκιμίου, προσπαθώντας να ευθυγραμμίσει τον κατευθυντή παράλληλα

προς αυτό και κάθετα προς τις επιφάνειες.

2. Η αλληλεπίδραση με τα τοιχώματα της επιφάνειας δημιουργεί ελαστικές ροπές, που προσπαθούν

να διατηρήσουν την αρχική κατάσταση.

Κάτω από μια κρίσιμη οριακή τάση U0 , οι ελαστικές ροπές διατήρησης της αρχικής διάταξης είναι

μεγαλύτερες από τις ηλεκτρικές ροπές, έτσι δεν παρατηρείται καμία παραμόρφωση και μόνο για τιμές

μεγαλύτερες δημιουργούνται παραμορφώσεις και συγκεκριμένα ο παράλληλος προσανατολισμός.

Η U0 δίνεται από τη σχέση:

U𝑜 = 𝜋√𝛫11

𝜊𝛥𝜀 (7.6)

Όπου, Κ11 είναι η σταθερά της ελαστικής παραμόρφωσης διάτασης, εο είναι μία σταθερά διαστάσεων.

Η οριακή τάση U0 συνήθως κυμαίνεται μεταξύ 3-6 V. Εφαρμόζοντας μια τάση U>U0, η γωνία μεταξύ

του κατευθυντή και του εφαρμοζόμενου πεδίου είναι συνάρτηση των U και z, όπου z είναι η συνισταμένη

κάθετη στις επιφάνειες (ηλεκτρόδια). Για τιμή της U αρκετά μεγάλη, ο κατευθυντής προσανατολίζεται

κάθετα στις επιφάνειες. Επίσης ο Freedericksz βρήκε ότι η απαιτούμενη ισχύς του πεδίου είναι αντιστρόφως

ανάλογη του πάχους του δοκιμίου. Το φαινόμενο αυτό βρήκε πολλές εφαρμογές στις απεικονίσεις.

Μία άλλη διαφορετική μετατροπή Freedericksz είναι εκείνη του «κάθετου προσανατολισμού» όπου

τα υγροκρυσταλλικά μόρια, μετά από κατάλληλη επεξεργασία της επιφάνειας, διευθετούνται κάθετα προς τις

γυάλινες επιφάνειες. Ο προσανατολισμός των μορίων παραμένει σταθερός (και στα μεσαία μόρια) όταν δεν

εφαρμόζεται ηλεκτρικό πεδίο. Αυτή ονομάζεται ομοιοτροπική δομή (ο κατευθυντής των υγρών κρυστάλλων

είναι κάθετος στις γυάλινες επιφάνειες) και παρουσιάζεται στο Σχήμα 7.8α.

Off On

(α) (β)

Σχήμα 7.8 Μετατροπή Freedericksz στη γεωμετρία κάμψης. Η επεξεργασία των γυαλιών προσανατολίζει τα μόρια του ΥΚ

κάθετα προς αυτά, ενώ το πεδίο τείνει να στρέψει τον κατευθυντή παράλληλα προς τις γυάλινες επιφάνειες. Οι καταστάσεις

κάτω και πάνω από την οριακή τιμή του πεδίου παρουσιάζονται στις περιπτώσεις (α) και (β) αντίστοιχα.

Όπως ακριβώς και στην προηγούμενη περίπτωση, δεν παρουσιάζεται και εδώ το φαινόμενο έως

κάποια συγκεκριμένη τιμή έντασης του αντίστοιχου (ηλεκτρικού ή μαγνητικού) πεδίου. Η τιμή αυτή, από

όπου αρχίζει η παραμόρφωση των υγροκρυσταλλικών μορίων, εξαρτάται από την ανισοτροπία και από το

πάχος του στρώματος των υγρών κρυστάλλων που βρίσκεται μεταξύ των γυάλινων επιφανειών. Στην

περίπτωση αυτήν παρουσιάζεται κάμψη των υγροκρυσταλλικών μορίων.

Το φαινόμενο αυτό που ονομάζεται και DAP (Deformation of Aligned Phases) ή ηλεκτρικά

ελεγχόμενη διπλή διάθλαση, είναι παρόμοιο με το προηγούμενο, και η διηλεκτρική ανισοτροπία του ΥΚ

πρέπει είναι αρνητική (Δε < 0).

146

Η ηλεκτρική αγωγιμότητα του υγρού κρυστάλλου πρέπει να είναι πολύ μικρή, ώστε να μην

δημιουργούνται ηλεκτροϋδροδυναμικά φαινόμενα. Στην περίπτωση αυτή, η οριακή τιμή της τάσης δίνεται

από τη σχέση:

U𝑜 = 𝜋√𝛫33

𝜊(−𝛥 ) (7.7)

Όπου: K33 είναι η σταθερά της ελαστικής παραμόρφωσης κάμψης. Το U0 κυμαίνεται από 3-6V.

Εφαρμόζοντας τάση U>U0, το δοκίμιο παραμορφώνεται.

Η καθυστέρηση μεταξύ των μετώπων της τακτικής και της έκτακτης ακτίνας διάθλασης του

διαδιδόμενου φωτός, μέσα από τον υγρό κρύσταλλο, εξαρτάται από την εφαρμοζόμενη τάση. Εάν εφαρμοστεί

τάση μικρότερη απ’ αυτή που δημιουργεί το φαινόμενο DAP, θα δημιουργηθεί η παραμόρφωση που φαίνεται

στο Σχήμα 7.9.

Με πρόσπτωση πολωμένου φωτός στο δοκίμιο δημιουργούνται αντιθέσεις (άσπρου-μαύρου), καθώς

και χρώματα συμβολής. Το φαινόμενο αυτό είναι σημαντικό, γιατί σ’ αυτό οφείλονται οι πρώτες απεικονίσεις

με τους νηματικούς υγρούς κρυστάλλους.

Off On

(α) (β)

Σχήμα 7.9 (α) Αρχική διάταξη των μορίων του ΥΚ, (β) Μερική παραμόρφωση των μορίων του ΥΚ.

Ας θεωρήσουμε τη διάταξη που παρουσιάζεται στο Σχήμα 7.10α, όπου οι γυάλινες επιφάνειες έχουν

επεξεργαστεί έτσι ώστε ο κατευθυντής των υγροκρυσταλλικών μορίων να είναι παράλληλος προς αυτές. Στην

περίπτωση αυτή το πεδίο εφαρμόζεται κάθετα στη σελίδα. Τα μόρια που βρίσκονται περίπου στο κέντρο του

στρώματος των υγρών κρυστάλλων τείνουν να πάρουν θέσεις κάθετες προς τη σελίδα (παράλληλες προς το

εφαρμοζόμενο πεδίο). Η παραμόρφωση αυτή είναι περιστροφική και παρουσιάζεται στο Σχήμα 7.10β.

Off On

(α) (β)

Σχήμα 7.10 Μετατροπή Freedericksz στη γεωμετρία στρέψης. Η επεξεργασία των γυαλιών προσανατολίζει τα μόρια του

ΥΚ παράλληλα προς τις επιφάνειές τους και στο επίπεδο της σελίδας, ενώ το ηλεκτρικό πεδίο τείνει να προσανατολίσει τον

κατευθυντή κάθετα προς τη σελίδα. Η κατάσταση, όταν το πεδίο είναι κάτω και πάνω από την οριακή τιμή, παρουσιάζονται

στις περιπτώσεις (α) και (β) αντίστοιχα.

147

Μια άλλη σημαντική μετατροπή, που παρατηρήθηκε από τους M.Schadt και W.Helfrich (1971), και

αναφέρεται ως φαινόμενο Twist-cell (στρεφόμενης κυψελίδας), εμφανίζεται στους νηματικούς ΥΚ. Αρχικά,

η κατεύθυνση προσανατολισμού των μορίων που έρχονται σε άμεση επαφή με τις γυάλινες επιφάνειες είναι

σε 90ο μεταξύ τους, λόγω επεξεργασίας της επιφάνειας (Σχήμα 7.11α). Η διηλεκτρική ανισοτροπία πρέπει να

είναι θετική (Δε > 0).

Η εφαρμογή ενός ηλεκτρικού πεδίου κάθετα στις γυάλινες επιφάνειες και πάνω από μια οριακή τάση

U0 δημιουργεί παραμόρφωση στη δομή του συστήματος. Η τιμή της οριακής τάσης δίνεται από τη σχέση:

U𝑜 = 𝜋√[Κ11+(Κ33−2Κ22)/4]

𝜊𝛥 (7.8)

όπου: Κ11, Κ22, Κ33 είναι οι σταθερές της ελαστικής καμπυλότητας των παραμορφώσεων, διάτασης

(splay), στρέψης (twist) και κάμψης (bend) αντίστοιχα.

Για τάση αρκετά μεγάλη, ο κατευθυντής του ΥΚ από παράλληλος στις επιφάνειες γίνεται κάθετος

προς αυτές (Σχήμα 7.11β). Το φαινόμενο αυτό έχει μια οριακή τάση U0 από 3-5 V και έχει βρει πολλές

ηλεκτροπτικές εφαρμογές. Σημαντική επίσης παρατήρηση είναι ότι οι τιμές των πεδίων για να ξεκινήσει το

φαινόμενο Freedericksz δεν είναι ιδιαίτερα μεγάλες. Η πραγματική τιμή σε ένα ηλεκτρικό πεδίο

δημιουργείται με μία τάση περίπου 1vοlt σε ηλεκτρόδια που εφαρμόζουν πάνω στις γυάλινες επιφάνειες.

Off On

(α) (β)

Σχήμα 7.11 (α) Αρχική διάταξη, η κατεύθυνση προσανατολισμού των μορίων του ΥΚ στις επιφάνειες είναι σε 90ο μεταξύ

τους, (β) Η εφαρμογή του πεδίου προσανατολίζει τα μόρια του ΥΚ κάθετα προς τις επιφάνειες.

7.9 Επίδραση των ηλεκτρικών πεδίων στους χοληστερικούς υγρούς κρυστάλλους

Στην περίπτωση των χοληστερικών ή χειρόμορφων νηματικών υγρών κρυστάλλων έχουν παρατηρηθεί τα

ακόλουθα ηλεκτρικά επαγόμενα φαινόμενα:

α. Χοληστερική - Νηματική μετατροπή (Ξετύλιγμα της έλικας)

Είναι δυνατόν με επίδραση ενός ηλεκτρικού πεδίου να μεταβάλλουμε το βήμα της χοληστερικής

μεσοφάσης. Με εφαρμογή μεγάλης τάσης, η παραμορφωμένη χοληστερική δομή μετατρέπεται σε νηματική

(Σχήμα 7.12). Η διηλεκτρική ανισοτροπία του υγρού κρυστάλλου θα πρέπει να είναι θετική (ε║>ε┴), το δε

εφαρμοζόμενο πεδίο να είναι κάθετο στον άξονα της έλικας και η συχνότητά του να είναι αρκετά μεγάλη,

ώστε να αποφευχθούν ηλεκτροϋδροδυναμικά φαινόμενα. Το φαινόμενο είναι καθαρά ηλεκτρικό χωρίς ροή

μάζας και έχει εξαιρετικά μικρούς χρόνους απόκρισης (μερικά μs). Τελευταία βρίσκει διαρκώς καινούριες

εφαρμογές.

β. Κωνική παραμόρφωση

Η κωνική παραμόρφωση προκαλείται σε στρώμα ΧΥΚ με επίδραση στην επίπεδη μικροδομή (planar

texture) (Σχήμα 8.2) και θετική διηλεκτρική ανισοτροπία. Εφαρμόζοντας ένα ηλεκτρικό πεδίο παράλληλο

προς τον άξονα της έλικας και κάθετα στον μεγάλο άξονα των μορίων, δημιουργούνται διάφορες ροπές, που

148

τείνουν να αλλάξουν τον προσανατολισμό των μορίων και να τα κατευθύνουν παράλληλα προς το ηλεκτρικό

πεδίο.

γ. Φαινόμενο αλλαγής της μικροδομής (Φαινόμενο μνήμης)

Το φαινόμενο αυτό παρατηρείται σε υγροκρυσταλλικά υλικά με αρνητική διηλεκτρική ανισοτροπία

(Δε<0). Όταν το στρώμα των χοληστερικών υγρών κρυστάλλων έχει επίπεδη μικροδομή (planar texture) είναι

τελείως διαφανές, στην περίπτωση που η εκλεκτικά ανακλώμενη ακτινοβολία δεν βρίσκεται στο ορατό

φάσμα. Με εφαρμογή συνεχούς ρεύματος ή πεδίου χαμηλής συχνότητας, το δείγμα αποκτά κωνική

εστιαζόμενη δευτερεύουσα δομή (focal conic texture) (βλ. Σχήμα 8.2). Έτσι ο υγρός κρύσταλλος αποτελείται

από πολλές περιοχές με τυχαίο προσανατολισμό, οπτικά ανισότροπες, που δρουν σαν κέντρα σκεδασμού του

ορατού φωτός, με αποτέλεσμα να εμφανίζει μία γαλακτόχρωμη εντύπωση. Το φαινόμενο αυτό είναι ανάλογο

με εκείνο του δυναμικού σκεδασμού που εμφανίζουν οι νηματικοί. Μετά την απομάκρυνση της τάσης, η

κατάσταση διατηρείται για ώρες, μέρες ή και εβδομάδες, ανάλογα με το υλικό. Έτσι έχουμε τη δυνατότητα

αποθήκευσης μίας πληροφορίας (μνήμη). Μπορούμε να επαναφέρουμε την αρχική κατάσταση εφαρμόζοντας

εναλλασσόμενο ρεύμα, που σβήνει την «αποθηκευμένη πληροφορία». Ο χρόνος διαγραφής εξαρτάται από

την εφαρμοζόμενη τάση. Συχνά χρησιμοποιούνται υψηλά πεδία για χρόνους μικρότερους από 1 sec.

Το φαινόμενο αυτό σε ορισμένες περιπτώσεις παρατηρείται και με επίδραση της θερμοκρασίας,

χρησιμοποιώντας μία υπέρυθρη ακτίνα laser για να θερμάνει ένα μικρό σημείο χοληστερικού στρώματος και

να μετατραπεί η δομή του σε κωνική εστιαζόμενη. Η αρχική κατάσταση και στην περίπτωση αυτή μπορεί να

επανέλθει, εφαρμόζοντας εναλλασσόμενο ρεύμα.

Σχήμα 7.12 Μετατροπή της χοληστερικής σε νηματική μεσοφάση με την επίδραση ηλεκτρικού πεδίου σε μείγμα

χοληστεριλοχλωριδίου και εννεανικού εστέρα της χοληστερόλης (1.8:1 κατά βάρος). Οι εικόνες είναι από παρατήρηση σε

πολωτικό μικροσκόπιο: a) 0V/cm, b) 3.000V/cm, c) 6.000V/cm, d) 10.000V/cm.

149

Βιβλιογραφία 7ου Κεφαλαίου

1. Gray. G.: “Molecular structure and the properties of liquid Crystals”, Acad. Press, London (1962).

2. Collings, Peter J, “Liquid Crystals: Nature’s Delicate Phase of Mater”, IOP Publ. Ltd (1990).

3. Collings, Peter J.; Hird, Michael, “Introduction to Liquid Crystals: Chemistry and Physics”. Taylor &

Francis Ltd. ISBN 0-7484-0643-3 (1997).

4. M. Born, E. Wolf, “Principles of Optics”, 6th edn., Pergamon Press, Oxford (1980).

5. I. Dierking, “Textures of Liquid Crystals”, Wiley, Weinheim (2003).

6. De Gennes, Pierre-Gilles, Prost, J., “The Physics of Liquid Crystals” (2nd ed.). Oxford University

Press. ISBN 0-19-851785-8 (1995).

7. Fréedericksz, V.; Repiewa, A. (1927). “Theoretisches und Experimentelles zur Frage nach der Natur

der anisotropen Flüssigkeiten”. Zeitschrift für Physik. 42 (7): 532–546.

Bibcode:1927ZPhy...42..532F. doi:10.1007/BF01397711 (1927).

8. Μeier, G., Sackmann, Ε., Gradmaier, J.: “Applications of Liquid Crystals” Springer Verlag, Berlin

(1975).

9. Fréedericksz, V.; Zolina, V., “Forces causing the orientation of an anisotropic liquid”. Trans. Faraday

Soc. 29 (140): 919–930. doi:10.1039/TF9332900919 (1933).

10. Priestley, E. B.; Wojtowicz, Peter J.; Sheng, Ping, “Introduction to Liquid Crystals”. Plenum Press.

ISBN 0-306-30858-4 (1975).

11. Zöcher, H., “The effect of a magnetic field on the nematic state”. Transactions of the Faraday Society.

29 (140): 945–957. doi:10.1039/TF9332900945 (1933).

12. I. Dierking, “Textures of Liquid Crystals”, Wiley, Weinheim (2003).

13. Collings, Peter J.; Hird, Michael, “Introduction to Liquid Crystals: Chemistry and Physics”. Taylor &

Francis Ltd. ISBN 0-7484-0643-3. (1997).

14. Bunning T.J, “Cholesteric liquid crystals: properties and applications” Journal Liquid Crystals Today,

Book Review, Volume 23, Issue 1 (2014).

15. Peter Medle Rupnik et al “Field-controlled structures in ferromagnetic cholesteric liquid crystals”

Science Advances, Crystal Structure, Vol. 3, no. 10, (2017).

16. Deng-KeYang,Shin-TsonWu, “Effect of Electic Fields on Liquid Crystals”, Fundamentals of Liquid

Crystal Devices, Second Edition, doi:10.1002/9781118751992.ch4, John Wiley & Sons, Ltd. (2014).

17. Μ. Κουή , «Υγροί Κρύσταλλοι», Σημειώσεις του Μαθήματος του 6ου εξ. ΧΜ, Έκδ. ΕΜΠ, 2017.