logo

logo

logo

logo

logo

البلورات السائلة

بلورات سايله

Liquid, crystals -

البلورات السائلة

يمن أتاسي

جزيئات البلورات السائلة

الترتيب في البلورات السائلة

أطوار البلورات السائلة

تطبيقات البلورات السائلة

 

البلورات السائلة (Liquid Crystals (LC هي حالة وسط للمادة تختلط فيها خواص الحالة الصلبة البلورية المنتظمة والحالة السائلة. فالبلورات السائلة -مثل السوائل- تتدفق في حين أنه لا يمكن للمواد الصلبة أن تتدفق، والبلورات الصلبة تتمتع ببنية منتظمة، وفي بنية البلورات السائلة بعض الانتظام الذي يميز البلورات.

كان عالم النبات النمساوي راينتزر Reientzer عام 1888 أول من شاهد بالمجهر الضوئي طور حالة سائلة بلورية. إذ لاحظ وجود ظاهرة غريبة عندما أراد تحديد درجة انصهار كحول كان قد اصطنعه، وأطلق عليه اسم الكولستريل cholesteryl، فلاحظ وجود درجتي انصهار للمادة؛ إذ انصهرت تلك المادة عند الدرجة 145.5ºس لتشكل سائلاً عكراً، وبازدياد درجة الحرارة صار السائل صافياً عند الدرجة 178.5ºس.

كما وجد أن هذا التغير قابل للعكس بالتبريد؛ وبالتالي فإن لهذه المادة طوراً جديداً أو حالة جديدة. ثم تبين وجود مواد كثيرة أخرى تنحو هذا النحو، فأطلق على ذلك الحالة البلورية السائلة.

سائل بلورات سائلة الصلب

وليس لجميع جزيئات المواد بلورات سائلة. فجزيئات الماء -على سبيل المثال- تنصهر متحولة مباشرة من الثلج الصلب إلى الماء العادي السائل. والجزيئات المكونة للبلورات السائلة التي درست دراسة مستفيضة هي الجزيئات التي على هيئة قضيب ومتطاولة مثل حبات الرز(ولكن حجمها أصغر بكثير منها) مثل جزيء
بارا-آزوكسي أنيزول (PAA)P- Azoxy Anisole:

إن الخاصة الأكثر تميزاً للبلورات السائلة هي قدرة جزيئاتها أن تترتب بحسب اتجاه مشترك وفق محور (يسمى محور التوجه)، مع إمكان تغيّره، وهذا لا يصادف في الطور السائل الذي لا يتصف بأي ترتيب متأصل فيه، كما لا تصادف سهولة تغيير هذا المحور الدال على الترتيب في الطور الصلب. ومن ثم؛ فإن صفة الترتيب التوجيهي التي هي بين الطورين الصلب والسائل هي الأساس في تسمية طور البلورات السائلة بالحالة المولّدة للطور الوسطي mesogenic state، وكذلك تسمية الجزيئات (الكبيرة عادة) المكوّنة له الجزيئات المولدة للطور الوسطي (الميزوجيني) mesogens، وتعزى الخواص الضوئية الفريدة للبلورات السائلة إلى الطبيعة اللامتناحية التي تتصف بها هذه البلورات والتي جرى استغلالها في التطبيقات الهندسية المختلفة.

جزيئات البلورات السائلة

يتكون جزيء البلورة السائلة من جزء جاسئ amphiphilic وأجزاء أخرى أكثر مرونة، يسمح الجزء الجاسئ باصطفاف الجزيئات وفق منحى وحيد؛ في حين تساعد الأجزاء المرنة على التدفق في البلورة السائلة. يشار إلى الجزء الجاسئ بالمولد للطور الوسطي، وهو يؤدي دوراً مهماً في الجزيء. ويُعدّ التوازن بين هذين الجزأين أساسياً لتكوين مادة بلورية سائلة. لذلك تسمى البلورات السائلة أحياناً باسم الجزيء كما في تسمية البلورة السائلة الكولسترولية. وتأتي تسمية الكولسترولية من كون كثير من مشتقات الكولسترول (وليس الكولسترول نفسه) من هذا النوع من البلورات السائلة. وفي البلورة السائلة الكالاميتيه calamitic يكون الجزء المولد للطور الوسطي ذا بنية تشبه القضيب ومكوناً من حلقتين عطريتين أو أليفاتيتين أو أكثر، مرتبطة بعضها مع بعض وفق منحى موحد. أما في البلورة السائلة القرصية discotic؛ فتُعرَّف النواة العطرية ذات الشكل المسطح التي تجعل الجزيئات يتطبق بعضها فوق بعض وفق منحى واحد على أنها ميزوجينية.

الترتيب في البلورات السائلة

يوصف الترتيب في البلورات السائلة بوسطاء إضافة إلى وسطاء الترتيب البلوري الصلب، فيوجد:

- موسِّط الترتيب

بغية إعطاء قيمة لدرجة الترتيب في مادة جرى تعريف موسِّط الترتيب order parameter، ويرمز له بالرمز، ويعطى بالعلاقة:

حيث الزاوية بين محور التوجه والمحور الطويل لكل جزيء (الشكل 1- أ)، ويعني القوس المتوسط مأخوذاً على جزيئات الوسط جميعها، في الحالة السائلة يكون ، وفي حالة بلورة مثالية يكون . وتكون القيم النموذجية لـS في حالة البلورات السائلة بين 0.3 و0.9، وهي تابعة لدرجة الحرارة كما هو موضح في الشكل (1- ب) لنوع من البلورات السائلة (الخيطية nematic).

يُميز بين نوعين من الترتيب في البلورات السائلة:

- الترتيب الموضعي المكاني local positional order: يشير إلى المدى الذي يُظْهر فيه جزيء أو مجموعة من الجزيئات تناظراً انسحابياً (مثل البلورة المثالية).

- الترتيب التوجيهي orientational order: يشير إلى ميل الجزيئات إلى التوجه وفق محور على مجال واسع منها.

ويمكن أن يكون الترتيب قصير المدى من مرتبة بضعة أطوال جزيئية، أو طويل المدى من مرتبة جهرية تساوي بضع عشرات المكرومترات.

الشكل (1): آ- الزاوية بين محور التوجه والمحور الطويل للجزيء
ب- تغيّر موسِّط الترتيب مع درجة الحرارة.

أطوار البلورات السائلة

يمكن تقسيم حالات البلورات السائلة إلى أطوار متحولة حرارياً (ثرموتروبية) thermotropic وأخرى متحولة مذيبياً (ليوتروبية) lyotropic.

أ- البلورات السائلة المتحوّلة حرارياً

تبدي البلورات السائلة المتحولة حرارياً انتقالاً طورياً نحو طور البلورات السائلة مع تغير درجة الحرارة، أي يمكن الوصول إلى حالة البلورة السائلة إما برفع درجة حرارة الجسم الصلب؛ وإما بتبريد السائل. وتصنف البلورات السائلة الثرموتروبية في صنفين:

وحيدة التحول (مونوتروبية)، وفيها يتم التوصل إلى الحالة البلورية السائلة إما بتبريد السائل وإما بتسخين الجسم الصلب؛ ومتعددة التحول، هي التي تسمح بالوصول إلى حالة البلورات السائلة بإخضاع مزيج من الصلب والمحل لمعالجة حرارية تكون للسائل المحل بمنزلة تبريد وللجسم الصلب بمنزلة تسخين، في حين تبدي البلورات السائلة المتحولة مذيبياً انتقالات طورية كتابع لتركيز جزيئات البلورات السائلة ضمن مذيب (هو- نموذجياً- الماء).

تُبدي معظم البلورات السائلة المتحولة حرارياً طوراً متماثل المناحي عند درجة حرارة عالية؛ أي إن التسخين يدفع البلورات السائلة إلى الطور السائل التقليدي المتميز بغياب الانتظام على المدى الطويل، وعند تخفيض درجة الحرارة تأخذ البلورات السائلة أطوراً ذات بنى شديدة اللاتناحي وذات انتظام قصير المدى مع بقاء إمكانية التدفق. فعلى سبيل المثال، يمكن لنوع خاص من جزيئات البلورة السائلة الوسطية (الميزوجينية) أن تبدي أطوراً هدبية (صابونية، سمكتية) smectic وخيطية (نيماتية) nematic عند ارتفاع درجة الحرارة. ويعود تكون هذه الأطوار الوسطية إلى قوى التشتت اللامتماثلة المناحي وإلى التأثيرات الناجمة عن التكدس الجزيئي.

الطور الخيطي (النيماتي) nematic phase: تأتي هذه التسمية من اليونانية، وتعني الخيط. يُعدّ هذا الطور من أكثر أطوار البلورات السائلة شيوعاً. وفي هذا الطور لا يكون للجزيئات العضوية ذات الشكل القضيبي أي ترتيب مكاني موضعي؛ ولكنها تنتظم ذاتياً بحيث يكون لها ترتيب توجيهي طويل المدى، وتتوازى تقريباً محاورها الطويلة (الشكل 2). وهكذا تكون هذه الجزيئات حرة التدفق؛ ولكن تبقى محافظة على انتظام توجيهي طويل المدى.

ففي المركب 4- سيانو -بنتيل - بفنيل على سبيل المثال:

تتكون بلوراته السائلة الخيطية في المجال 24-35 ºس.

الشكل (2) الانتظام الخيطي (النيماتي).

الأطوار الهدبية (السمكتية): وتشتق هذه التسمية من اليونانية؛ وتعني الصابون. توجد الأطوار السمكتية عند درجات حرارة أخفض من النيماتية، وهي تشكل طبقات معرفة جيداً يمكنها الانزلاق بعضها فوق بعض. وبهذا تكون المواد السمكتية منتظمة موضعياً على طول منحى معيّن، وهي بذلك تبدي درجة من الترتيب الانسحابي غير موجودة في الجزيئات النيماتية. كما تحافظ الجزيئات في الطور السمكتي على ترتيب التوجيه العام الموجود في الطور النيماتي مع اصطفاف للجزيئات في طبقات أو مستويات. فالجزيئات في الطبقة الواحدة تبقى موجهة، ولا تتحرك فيما بين الطبقات؛ ولكن تتحرك داخلها. يوجد العديد من الأطوار السمكتية (12 طوراً)، وجميعها تمتاز بدرجات مختلفة من الترتيب المكاني الموضعي والتوجيهي. ففي الطور السمكتي A تكون الجزيئات موجهة على طول الناظم على الطبقة السمكتية، ولا يوجد أي ترتيب موضعي في الطبقة، وفي الطور السمكتي B يكون الموجه (محور التوجه المشترك) عمودياً على الطبقة السمكتية؛ ولكن تكون الجزيئات مرتبة في شبكة من المسدسات ضمن الطبقة، في حين تكون الجزيئات في الطور السمكتي C مائلة على الطبقات (الشكل 3).

الشكل (3) طوران صابونيان سمكتيان A ,C.

الأطوار اللاانطباقية (الكيرالية): يمكن للجزيئات الكيرالية (البيدوانية) chiralectic (أي تلك التي تفتقر إلى مركز تناظر) فقط أن تعطي أطواراً لاانطباقية (كيرالية). ففي حالة الطور النيماتي الكيرالي (ويسمى أيضاً بالطور الكولسترولي)- سُمي كذلك لأنه شوهد للمرة الأولى في مشتقات الكولسترول- تميل المراكز الكيرالية إلى اصطفاف الجزيئات بحيث تصنع زوايا صغيرة فيما بينها، وهذا يقود إلى تشكل طبقات متكدسة مشابهة في كل منها للطور النيماتي ببعدين وبحيث يصنع الموجه لكل طبقة زاوية فتل بالنسبة إلى الطبقات التي فوقه وتحته. في هذه الحالة ترسم الموجهات بدورانها حلزوناً (الشكل 4).

الشكل (4) الطور النيماتي الكيرالي.

ويبدي الطور السمكتي طوراً كيرالياً يسمى الطور السمكتي (الشكل 5). وفي هذه الحالة تدور زاوية الانحراف التي يصنعها الموجه مع الناظم على المستوى السمكتي بحيث ترسم حلزوناً الشكل (4). يطلق اسم خطوة pitch على المسافة التي يحتاج إليها الموجِّه حتى يدور دورة كاملة في الحلزون. تتغير الخطوة مع تغير درجة الحرارة كما تتغير بإضافة جزيئات أخرى إلى البلورات السائلة المضيفة؛ ما يسمح بتوليف الخطوة بحسب الطلب.

الأطوار الزرقاء: تظهر هذه البلورات السائلة في مجال درجات الحرارة بين الطور النيماتي الكيرالي والطور السائل المتناحي. ولها تطبيقات في المعدِّلات الضوئية السريعة والبلورات الفوتونية.

الشكل (5) الطور السمكتي .

الأطوار القرصية discotic phases: يمكن لجزيئات البلورات السائلة القرصية الشكل أن تنتظم بطريقة طبقية كما هو الحال في الطور النيماتي القرصي. وإذا انتظمت أكوام الأقراص عمودياً؛ سمي الطور بالعمودي القرصي discotic columnar (الشكل 6).

الشكل (6)

ب- البلورات السائلة المتحولة مذيبياً (الليوتروبية)

تسمى الجزيئات التي لها أجزاء أليفة للماء hydrophilic وأخرى كارهة للماء hydrophobic في الجزيء نفسه الجزيئات المتذبذبة الألفة amphiphilic molecule. تظهر الكثير من الجزيئات المتذبذبة الألفة طوراً بلورياً سائلاً ليوتروبياً lyotropic، وذلك بحسب التوازن بين حجمي الجزأين الأليف للماء والكاره له. ويُعدّ الصابون مثالاً شائعاً لهذا النوع من البلورات السائلة، حيث يجري تجمع أطوار مكروية من هذين المكونين غير المتوافقين.

لا تحصل الانتقالات إلى الحالة البلورية السائلة إلا بتأثير المذيبات، حيث تتجمع المكونات الوسطية (الميزوجينية) لتكون أطواراً ليوتروبية ذات بنى مجمعة ذاتياً self-assembled structures تسمى عادة المذيلات micelles أو الحويصلات vesicles.

إن المحتوى من الماء أو غيره من جزيئات المذيب من شأنه أن يغير من البنى المجمعة ذاتياً. فعند تراكيز منخفضة جداً من متذبذب الألفة؛ تتشتت الجزيئات عشوائياً من دون أي انتظام. وعند تراكيز عالية نسبياً تنتظم الجزيئات المتذبذبة تلقائياً في مذيلات الشكل (7) أو حويصلات الشكل (8).

الشكل (7) مقطع عرضي لمذيلة. الشكل (8) مقطع عرضي لحويصلة.

تطبيقات البلورات السائلة

تستعمل البلورات السائلة في شاشات (عارضات) البلورات السائلة Liquid Crystal Displays (LCD)، التي تعتمد على اختلاف الخواص الضوئية -مثل الامتصاص - لبعض المواد البلورية السائلة بوجود حقل كهربائي أو غيابه. ففي شاشة نموذجية تقع طبقة البلورة السائلة (بسماكة 10 مكرومتر نموذجياً) بين مقطبين متعامدين (الشكل9)؛ إذ يؤدي تطبيق حقل كهربائي إلى تغيير اتجاه الموجّه؛ ما يغير في تآثره مع الضوء المستقطب.

ويجري استعمال المرشحات القابلة للتوليف التي أساسها بلورات سائلة معتمدة على الاستقطاب؛ بصفتها تجهيزات كهرضوئية.

تستعمل البلورات السائلة الكيرالية المتحولة حرارياً التي تتغير خطوتها مع درجة الحرارة مقاييس لدرجة الحرارة؛ لأن لون المادة يتغير مع تغير الخطوة، ويُستثمر الانتقال اللوني البلوري السائل في أحواض تربية السمك (الأكواريوم) وأحواض السباحة.

الشكل (9) مقطع في شاشة بلورة سائلة.

وتوجد أنواع من البلورات السائلة يتغير لونها تحت تأثير الامتطاط أو الإجهاد، وهي تُستعمل صناعياً في قياس أنماط توزع الإجهاد، كما تستعمل البلورات السائلة ضمن أوساط الضخ في ليزرات البلورات السائلة على أنها آلية تغذية راجعة موزعة بدلاً من المرايا الخارجية، وإن الكثير من الموائع مثل الماء الصابوني هي في الواقع بلورات سائلة. إذ يكوِّن الصابون عدداً من أطوار البلورات السائلة، وذلك بحسب تركيزه في الماء.

مراجع للاستزادة:

-D. Andrienko, Introduction to Liquid Crystals, Internatiomal Max Planck Research School of Soft Matter, 2006.

- Hang Su, Hao Wang et al., Introduction to Liquid Crystals: Chemistry and Physics, Auris Reference Limited, 2018.

-S. Singh, Liquid Crystals, World Scientific Publishing Co., 2002.

- N. V. Usol’tseva, M. V. Smirnova et al., The Molecular Physics of Liquid Crystals, Auris Reference Limited, 2018.


التصنيف : الكيمياء والفيزياء
النوع : الكيمياء والفيزياء
المجلد: المجلد الخامس
رقم الصفحة ضمن المجلد : 0
مشاركة :

اترك تعليقك



آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

هل تعلم ؟؟

عدد الزوار حاليا : 1092
الكل : 45280475
اليوم : 62350