151473 (Свойства жидких кристаллов)

Пояснительная записка

Элективный курс «Жидкие кристаллы и их настоящее» предназначен для углубленного изучения свойств и применения ЖК, учащимися 11 класса. Все чаще мы стали встречаться с термином «жидкие кристаллы». Мы все часто с ними общаемся, и они играют немаловажную роль в нашей жизни. Многие современные приборы и устройства работают на них. К ним относятся часы, термометры дисплеи, мониторы и прочие устройства. Что же это за вещества с таким парадоксальным названием «жидкие кристаллы» и почему к ним проявляется столь значительный интерес? В наше время наука стала производительной силой, и поэтому, как правило, повышенный научный интерес к тому или иному явлению или объекту означает, что это явление или объект представляет интерес для материального производства. В этом отношении не являются исключением и жидкие кристаллы. Интерес к ним, прежде всего, обусловлен возможностями их эффективного применения в ряде отраслей производственной деятельности. Внедрение «жидких кристаллов» означает экономическую эффективность, простоту и удобство.

Цель курса:

- формирование интереса и положительной мотивации к продолжению образования и сознательному выбору профессиональной деятельности;

- формировать положительную мотивацию обучения на уроках физики;

- познакомить учащихся с ведущими разработками в области ЖК;

- активизировать познавательную деятельность школьников;

Задачи:

1. Ознакомить учащихся с основами теории жидких кристаллов;

2. повысить информационную компетентность учащихся;

3. Ознакомить с основами применения жидких кристаллов в практической деятельности человека;

4. Активизировать познавательную деятельность школьников;

Программа рассчитана на 12 часов, для физико-математического профиля. В содержание курса входят темы:

I. История ЖК

Рассказ об истории открытия этого удивительного состояния вещества. О том как о нем забыли практически на век. А так же о триумфальном возвращении.

II. Жидкие кристаллы их виды и эффекты

Здесь мы расскажем о видах и некоторых свойствах ЖК. Просмотрим научно-популярный фильм «Жидкие кристаллы».

III. Физический принцип действия устройств на жидких кристаллах.
В данном разделе будут приведены примеры подробного физического принципа действия некоторых приборов на ЖК.

IV. Жидкие кристаллы сегодня и завтра.

Здесь мы рассмотрим несколько технических идей применения жидких кристаллов, которые пока что не реализованы, но возможно в ближайшие несколько лет послужат основой создания устройств, которые станут для нас такими же привычными, какими сейчас являются транзисторные приемники.

Данный курс наиболее эффективен и необходим при освоении углубленного изучения физики. В то же время структура курса включает отдельные темы, изучаемой программы, например «физика твердого тела» «свойства жидкостей».

Содержание курса и его организационно-методическое обеспечение выстраивается таким образом, чтобы предмет учебной деятельности стимулировал развитие ряда компетентностей и формирования универсальных способностей учащихся. Ожидаемый положительный педагогический эффект курса связан с успешной самореализацией школьников в учебной деятельности и возможностью обоснованной профессиональной ориентации.

Основные формы организации учебных занятий:

- лекция учителя;

- самостоятельная работа над реферативной и теоретической частью;

- консультация с учителем;

- групповая работа по решению проблемы;

- защита работы.

Дополнительные формы обучения и учения связаны с работой над творческим проектом; самостоятельной работой с источниками в библиотеке, интернете.

Формы контроля достижений учащихся.

Работа в рамках курса оценивается комплексно. Во-первых, по форме и содержанию представленных материалов, как в письменном, так и вербальном варианте. Во-вторых, большая часть учебной деятельности происходит при непосредственном соучастии учителя, и это позволяет вести мониторинг личностного роста ученика в ходе занятий. В-третьих, групповая работа позволяет ученикам оценить друг друга при коллективно-распределенной деятельности.

Формы контроля должны быть разнообразными, чтобы можно было учесть индивидуальные учебные стили учеников и их способности.

Учебно-тематический план

Предлагается следующая последовательность изложения учебного материала:

I. Об история ЖК (2 часа).

1. История развития представления о жидких кристаллах

Исследования австрийского ученого-ботаника Рейнитцера.

Образование специфического агрегатного состояния – жидкокристаллического (плавления кристаллов некоторых веществ).

2. О формах и видах ЖК/ Структурные формы и формулы

II. Жидкие кристаллы их виды и основные свойства(6 часа).

1. Нематическая жидкость

2. Холестерическая жидкость

3.Смектическая жидкость. Просмотр фильма «»Жидкие кристаллы»

4. Работы В.К. Фредерикса и В.Н. Цветкова

5. Явления двулучепреломления - типично кристаллический эффект, состоящий в том, что скорость света в кристалле зависит от ориентации поляризации света.

Оптическая активность жидких кристаллов и их структурные свойства.

6. Групповая работа «Эффективность технических приложений жидких
кристаллов» (по работам И.Г. Чистякова, А.П. Капустина, С.А.
Бразовокого, С.А. Пикина, Л.М. Блинова и других исследователей).

III. Физический принцип действия устройств на ЖК (2 часа).

1.Жидкокристаллические телевизоры.

В микроэлектронике жидкие кристаллы привлекательны тем, что потребляют минимальную энергию, жидко - кристаллические пленки занимают миниатюрный объем.

2. Термография.

Дополнительный материал «Перстень настроения».

Секрет перстня настроения связан удивительными оптическими свойствами. Цвет камешка перстня следовал за настроением владельца, пробегая все цвета радуги от красного до фиолетового, в зависимости от изменения температуры кожи человека

IV. О перспективах применениях жидких кристаллов(3 часа).

1. Пространственно - временные модуляторы света.

Оптический микрофон.

Жидкие кристаллы, уменьшающие трение почти до нуля.

2. Обсуждение и оценивание проектов, выполненных учащимися.
Примерные темы:

- Как сделать стереотелевизор.

- Очки для космонавтов.

- Фотоаппарат, содержащий жидко - кристаллические устройства.
3. Итоговая конференция, обсуждение основных вопросов курса.

Содержание изучаемого курса

Глава I. Об- история ЖК

1. История развития представления о жидких кристаллах

Cо времени проведения первой Международной конференции по жидким кристаллам (ЖК), которая состоялась в 1965 г. в Кентском университете (США), связь этих систем с различными аспектами лазерной, дисплейной техники, информационных оптических технологий, термооптики, медицины, др. стала предметом оживленной полемики. Действительно, ЖК, являясь уникальной мезоморфной фазой вещества, сочетают в себе свойства как твердых тел (наличие дальнего ориентационного порядка и проявление брэгговской дифракции), так и жидкостей (проявление текучести, вязкости).

С точки зрения истории вопроса интересно, что само открытие промежуточного жидкокристаллического состояния вещества приписывается австрийскому ботанику Фридриху Рейнитцеру, который получил эфир холестерина – холестерилбензоат и обнаружил, что у этого соединения имеются две точки плавления, при которых происходят фазовые переходы разного характера. При 145.5°С структура твердого холестерилбензоата разрушалась, он превращался в мутную жидкость (теперь мы говорим - жидкий кристалл), которая при дальнейшем нагревании до 178.5 становилась прозрачной. Эти наблюдения показали, что у холестерилбензоата имеются три различные фазы: твердая, жидкокристаллическая и жидкая. Рейнитцер описал свой эксперимент в статье, опубликованной в, одном их химических журналов в 1888 г. Обращает на себя внимание необыкновенно деликатный слог письма, которое Рейнитцер написал немецкому физику Отто Леману: «Осмелюсь просить Вас исследовать более тщательно физическую изомерию двух прилагаемых веществ. Изучая эти вещества, удается наблюдать такие замечательные и прекрасные явления, что, я надеюсь, они окажутся в высшей степени интересными и для Вас…». Вскоре Леман провел систематическое исследование органических соединений и нашел, что они по своим свойствам похожи на холестерилбензоат. Каждое из соединений вело себя как жидкость по своим механическим свойствам и как кристаллическое твердое тело – по оптическим свойствам. Леман показал, что мутная промежуточная фаза – это кристаллоподобная структура и предложил для нее термин «жидкий кристалл» – Flussige Kristalle.

Затем Фридель указал, что название «жидкий кристалл» вводит в заблуждение, так как соответствующие вещества не являются ни реальными кристаллами, ни реальными жидкостями. Он предложил называть эти соединения мезоморфными и разделил их на три класса.

Соединения, имеющие свойства, схожие с мылами он назвал смектическими (толщина слоя в смектических ЖК порядка длины молекул и составляет 20 A), далее шли нематические структуры, схожие со смектиками по своим оптическим свойствам, а затем – холестерические системы (в холестерических ЖК молекулы уложены в слои толщиной около 2000A), поскольку к ним относилось большое число производных холестерина. Заметим, что сам Фридель не считал холестерические ЖК отдельным классом и рассматривал их как нематические ЖК. Так что же предсавляет из себя жидкий кристалл?

Жидкий кристалл - состояние вещества, промежуточное между жидким и твердым состояниями. В жидкости молекулы могут свободно вращаться и перемещаться в любых направлениях. В кристаллическом твердом теле они расположены по узлам правильной геометрической сетки, называемой кристаллической решеткой, и могут лишь вращаться в своих фиксированных позициях. В жидком кристалле имеется некоторая степень геометрической упорядоченности в расположении молекул, но допускается и некоторая свобода перемещения.

Рисунок I. Увеличенное изображение жидкого кристалла

Почти все жидкие кристаллы, обнаруженные на сегодняшний день, представляют собой органические соединения; примерно 50% всех известных органических соединений при нагревании образуют жидкие кристаллы. В литературе описаны также жидкие кристаллы некоторых гидроксидов (например, Fe2O3·xH2O).

Жидкие кристаллы, жидкокристаллическое состояние, мезоморфное состояние - состояние вещества, в котором оно обладает свойствами жидкости (текучестью) и некоторыми свойствами твёрдых кристаллов (анизотропией свойств). ЖК образуют вещества, молекулы которых имеют форму палочек или вытянутых пластинок. Различают термотропные и лиотропные ЖК. Первые — индивидуальные вещества, которые существуют в мезоморфном состоянии в определённом температурном интервале, ниже которого вещество является твёрдым кристаллом, выше — обычной жидкостью. Примеры:

параазоксианизол (в интервале температур 114—135°С), этиловый эфир азоксибензойной кислоты

(100—120°С), пропиловый эфир холестерина (102—116°С). Лиотропные ЖК — растворы некоторых веществ в определённых растворителях. Примеры: водные - бензил-L-глутамат)растворы мыльные растворы синтетических полипептидов (поли- в ряде органических растворителей (диоксан, дихлорэтан).[]

Сейчас известно уже около сотни тысяч органических веществ, которые могут находиться в ЖК - состоянии, и число таких соединений непрерывно растет. Если первые десятилетия после открытия жидких кристаллов основными представителями этих соединений являлись только вещества, состоящие из асимметрических молекул стержнеобразной формы, так называемые каламитики (от греч. "каламис" — тростник), то впоследствии было обнаружено, что в ЖК - состояние могут переходить самые разнообразные вещества, имеющие молекулы более сложной формы (диски, пластины и др.). Молекулы ЖК - соединений очень часто называют мезогенами, а группировки или фрагменты молеку, способствующие формированию ЖК- фазы, — мезогенными группами. В таблице 1 приведены примеры стержнеобразных мезогенов — каломитиков, а также химические формулы дискообразных (дискотики) и планкообразных мезогенов (санидики) (от греч. "санидис" — планка).

Среди мезогенных групп чаще всего встречаются бензольные кольца, связанные непосредственно друг с другом с помощью различных химических группировок( –CH=CH–, –CH=N–, –NH–CO и др.). Характерной особенностью всех ЖК - соединений является асимметричная форма молекул, обеспечивающая анизотропию поляризуемости и тенденцию к расположению молекул преимущественно параллельно друг другу вдоль их длинных (каламитики и санидики) и коротких (дискотики) осей.

Типичные примеры химических соединений, образующих ЖК - фазу.

Глава II. Жидкие кристаллы, их виды и эффекты