Ciekłe kryształy odkryte zostały ponad sto lat temu i nadal budzą ogromne zainteresowanie fizyków, chemików i elektroników na całym świecie.
W ostatnich latach, ciekłe kryształy stały się materiałami codziennego użytku. Stosuje się je w przedmiotach, bez których dzisiaj trudno byłoby wyobrazić sobie życie. Ciekłe kryształy znajdujemy w zegarkach cyfrowych, w monitorach komputerowych i telewizorach. Całkowitą powierzchnię wyświetlaczy ciekłokrystalicznych produkowanych co roku wyraża się już w kilometrach kwadratowych. Ten burzliwy rozwój nowych technologii nie byłby możliwy, gdyby nie poprzedziły go badania naukowe nad naturą ciekłych kryształów.
Trzy powszechnie znane stany skupienia materii: stały, ciekły i gazowy, cechują odmienne właściwości fizyczne.
W stanie stałym atomy bądź cząsteczki są rozmieszczone w regularnych odstępach tworząc trójwymiarowe uporządkowanie dalekiego zasięgu.
W kryształach anizotropowych uporządkowanie molekuł jest niesymetryczne, a mierzona wielkość fizyczna zależy od kierunku, w którym wykonujemy pomiar bądź też od kierunku działania czynnika wywołującego dane zjawisko. Ogrzewanie kryształu anizotropowego do temperatury jego topnienia powoduje przemianę fazową, kryształ przechodzi w ciecz izotropową. Molekuły nie posiadają uporządkowania dalekiego zasięgu, mogą swobodnie się poruszać i obracać.
W fazie izotropowej żadna wielkość fizyczna charakteryzująca ciecz lub gaz nie zależy od kierunku, w jakim jest mierzona. Dalsze zwiększenie temperatury powoduje przemianę ciecz – gaz. Nie wszystkie substancje podlegają takiemu właśnie schematowi (rys.1 i 2). Może występować w nich faza pośrednia charakteryzująca się typową dla cieczy płynnością, a jednocześnie wykazuje uporządkowanie dalekiego zasięgu — typowe dla krystalicznych ciał stałych, pociągające za sobą anizotropię niektórych właściwości fizycznych (dielektrycznych, optycznych). Fazę tę nazywamy fazą ciekłokrystaliczną lub mezofazą, od greckiego słowa „mezos” –pośredni.
Tak więc grupę związków (zazwyczaj organicznych), posiadającą zarówno stan stały (fazę krystaliczną), stan ciekły (fazę izotropową) oraz stan pośredni określa się terminem ciekłych kryształów.
Substancje ciekłokrystaliczne znalazły zastosowanie w wielu dziedzinach życia. Stosowane są w wyświetlaczach i ekranach LCD, różnego rodzaju wskaźnikach temperatury: termometry lekarskie, do akwarium i pokojowe, wskaźnikach na butelkach itp. Znalazły szerokie zastosowanie w medycynie do wytwarzania folii termograficznych, a także w przemyśle kosmetycznym jako dodatki do kremów.
Ze względu na stopień uporządkowania cząsteczek substancji ciekłokrystalicznych, ciekłe kryształy można podzielić na trzy zasadnicze typy: nematyczny, cholesteryczny i smektyczny. Wymienione fazy różnią się sposobem ułożenia cząsteczek oraz występowaniem struktur warstwowych.
W nematycznych ciekłych kryształach molekuły pozostają względem siebie równoległe i nie mają żadnych innych ograniczeń we wzajemnym przemieszczaniu się.
W smektycznych ciekłych kryształach molekuły są rozmieszczone w warstwach, zaś ich usytuowanie w warstwie jest równoległe lub odchylone o pewien kąt względem normalnej do warstwy.
W cholesterolowych ciekłych kryształach molekuły rozmieszczone są pseudowarstwowo, w taki sposób, że ich długie osie są równoległe do płaszczyzny pseudowarstw. Molekuły w warstwie następnej są skręcone o pewien stały kąt, względem molekuł leżących w warstwie poprzedniej.
Pojawianie się faz ciekłokrystalicznych (mezofaz) związane jest ze zmianą stężenia roztworu, a więc z oddziaływaniem substancji z rozpuszczalnikiem. Takie ciekłe kryształy nazwano liotropowymi. Termotropowe ciekłe kryształy można podzielić ze względu na kształt molekuł, z których się składają. Wyróżniamy tutaj ciekłe kryształy zbudowane z cząsteczek prętopodobnych (ang. rod-like) i walcowatych (calamitic liquid crystals), dyskopodobnych (ang. disc-like) oraz bananowych (ang. banana-shape).
Historia ciekłych kryształów
Pierwszym odkrytym ciekłym kryształem był benzoesan cholesterolu. W roku 1888 austriacki botanik Friedrich Reinitzer ogrzewając tę substancję stwierdził, że w temperaturze 145°C ulega ona stopieniu, przechodząc w mlecznobiałą ciecz, która pod wpływem dalszego ogrzewania w 179°C daje klarowną ciecz. Dalsze badania tego niezwykłego zjawiska podjął niemiecki fizyk Otto Lehmann, który wykazał, że ta ciekła substancja jest także dwójłomna jak kryształ. Tak więc Otto Lehmann stwierdził występowanie anizotropii optycznej, a dla nowo odkrytej fazy zaproponował nazwę Flűssige Kristalle czyli ciekły kryształ. Fazy ciekłokrystaliczne generowane zmianami temperatury przyjęto nazywać termotropowymi ciekłymi kryształami. Lehmann odkrył także, że faza mezomorficzna powstaje również podczas rozpuszczania niektórych substancji organicznych w rozpuszczalnikach nieorganicznych.
