CHUYEN DE TINH THE LONG

Do hình dạng thon dài của chúng, nên dưới những điều kiện thích hợp, các phân tử biểu hiện trật tự định hướng sao cho tất cả các trục thẳng hàng và hình thành nên cái gọi là tinh thể lỏn

Tài liệu phát hành tại:

Tập tài liệu chỉ cung cấp một số thông tin mang tính chất tham khảo Bạn đọc có thể biên tập lại theo mục đích sử dụng riêng của bạn

© hiepkhachquay

di chuyển ra xung quanh Vì vậy, chất lỏng không có một hình dạng rắn chắc, mà tràn vào các đường viền của bình chứa nó Giống như chất lỏng, chất khí không có hình dạng cố định, nhưng dễ bị nén hơn vì có đủ không gian trống cho các phân tử chuyển động đến gần nhau hơn Trong khi chất lỏng giữ trong một bình chứa sẽ hình thành nên một vũng tại đáy bình, thì chất khí sẽ giãn nở để lấp đầy bình chứa

Mặc dù ba loại trạng thái này dường như đã phân biệt rõ ràng, nhưng ranh giới giữa các trạng thái khác nhau không phải lúc nào cũng rõ ràng Ngoài ba trạng thái quen thuộc đó, còn tồn tại một số lượng lớn các pha trung gian khác Một thí dụ đơn giản là thể gel Gel không phải thể rắn, cũng chẳng phải thể lỏng Tinh thể lỏng là một pha trung gian quan trọng khác biểu hiện các đặc điểm của trạng thái rắn lẫn trạng thái lỏng Tinh thể lỏng có những tính chất trật tự của chất rắn nhưng không được nhận ra mãi cho đến thập niên 1880 Năm 1888, Friedrich Reinitzer (xem hình) được ghi nhận vì sự mô tả có hệ thống đầu tiên của pha tinh thể lỏng và đã công bố các quan sát của ông khi ông tạo ra cholesteryl benzoate, tinh thể lỏng đầu tiên

Friedrich Reinitzer Các chất lỏng bình thường về bản chất là đẳng hướng: chúng biểu hiện các tính chất quang, từ, điện, … như nhau theo mọi hướng trong không gian Mặc dù các phân tử cấu tạo nên chất lỏng thường không đồng đều về hình dạng, nhưng sự bất đẳng trục này thường giữ vai trò thứ yếu trong hành trạng vĩ mô của chất lỏng Tuy nhiên, có một họ lớn của các phân

tử bất đẳng hướng cao hành trạng khác thường, hấp dẫn, và có tiềm năng liên quan đến công nghệ Có nhiều ứng cử viên cho việc nghiên cứu như các polymer, micell, vi nhũ tương và các

chất có tầm quan trọng sinh học, như ADN và màng tế bào Mặc dù tất cả chúng đều rất hấp dẫn, nhưng bài giới thiệu này chỉ tập trung vào các tinh thể lỏng

Tinh thể lỏng gồm các phân tử hữu cơ kích cỡ vừa phải có xu hướng kéo thon dài, như một điếu xì gà Ở nhiệt độ cao, các phân tử sẽ định hướng tùy tiện, như biểu diễn trong hình bên dưới, hình thành nên một chất lỏng đẳng hướng Do hình dạng thon dài của chúng, nên dưới những điều kiện thích hợp, các phân tử biểu hiện trật tự định hướng sao cho tất cả các trục thẳng hàng và hình thành nên cái gọi là tinh thể lỏng nematic Các phân tử vẫn có thể chuyển động ra xung quanh trong chất lỏng, nhưng sự định hướng của chúng vẫn như cũ Không chỉ trật tự định hướng có thể xuất hiện, mà một trật tự về vị trí cũng có thể Tinh thể lỏng biểu hiện một số trật tự về vị trí được gọi là tinh thể lỏng smectic Trong smectic, khối tâm phân tử sắp xếp thành lớp và chuyển động chủ yếu bị hạn chế bên trong các lớp

Pha tinh thể lỏng nematic là pha quan trọng nhất đối với các ứng dụng Trong pha nematic, toàn bộ các phân tử sắp hàng gần như song song nhau Tại mỗi điểm, có thể định nghĩa một vector đơn vị, song song với hướng trung bình của trục dài của các phân tử trong vùng lân cận Vector này, gọi là vector đường chuẩn, không phải là hằng số trong toàn bộ môi trường, mà là hàm của không gian

Hình bên dưới biểu diễn cấu trúc phân tử của một phân tử tinh thể lỏng kiểu que tiêu biểu Nó gồm hai hoặc nhiều hệ vòng nối với nhau bằng một nhóm liên kết ở giữa

Hình dạng tiêu biểu của một phân tử tinh thể lỏng

Sự có mặt của các vòng mang lại các lực phân tử tầm ngắn cần thiết để hình thành pha nematic, nhưng còn ảnh hưởng đến các tính chất điện và đàn hồi Tính ổn định hóa học của tinh thể lỏng, tính cản trở của chúng với độ ẩm hoặc bức xạ cực tím chẳng hạn, phụ thuộc mạnh vào nhóm liên kết ở giữa Các hợp chất có liên kết đơn ở giữa nằm trong số những chất bền nhất Tại một phía của các vòng có một chuỗi bên dài ảnh hưởng mạnh đến hằng số đàn hồi và nhiệt độ chuyển tiếp của các pha tinh thể lỏng Tại đầu kia, một nhóm gốc gắn vào, xác định hằng số điện môi và tính bất dị hướng của nó Một vài thí dụ về các phân tử biểu hiện một pha tinh thể lỏng được cho bên dưới

MBBA

MHPOBC

Ngoài các thí dụ đơn giản này, còn có những cách sắp xếp phức tạp hơn, làm phát sinh nhiều loại tinh thể lỏng khác Các phân tử thuận một bên, các phân tử không có đối xứng gương, có thể phát triển thành các chuỗi xoắn chứa các pha tinh thể lỏng cholesteric Trong các tinh thể lỏng chứa sắt hoặc không chứa sắt, các lớp smectic có một sự phân cực vĩnh cửu không đổi hoặc biến thiên giữa các lớp liên tiếp Ngoài các phân tử kiểu que, còn có các tinh thể lỏng hình dạng tiên tiến hơn như tinh thể lỏng hình đĩa hoặc hình quả chuối có thể hình thành nên những loại trật tự khác Tinh thể lỏng hình đĩa có thể chất đống thành một pha dạng cột, hình bên dưới minh họa khả năng sắp xếp các tinh thể lỏng hình quả chuối

Tinh thể lỏng hình đĩa

Tinh thể lỏng hình quả chuối Thí dụ về các phân tử phát triển thành các pha tinh thể lỏng hình đĩa và hình quả chuối được cho dưới đây

Phân tử tinh thể lỏng hình đĩa

Phân tử tinh thể lỏng hình quả chuối Một loại phân tử tinh thể lỏng có thể biểu hiện nhiều pha tinh thể lỏng khác nhau Pha trong đó một tinh thể lỏng nguyên chất (với chỉ một loại phân tử) tồn tại phụ thuộc vào nhiệt

độ Tinh thể lỏng nguyên chất, hoặc hỗn hợp của chúng, trong đó pha được điều khiển bởi nhiệt độ, được gọi là tinh thể lỏng hướng nhiệt Chuyển động Brown của các phân tử tăng lên theo nhiệt độ, làm giảm sự trật tự trong chất liệu Ở nhiệt độ cao, trật tự định hướng bị mất và chất liệu biến đổi sang pha đẳng hướng Khi giảm nhiệt độ, chất biến đổi sang pha nematic Nhiệt độ tại đó sự chuyển pha xảy ra, đặc trưng đối với từng chất, và được gọi là nhiệt độ chuyển pha nematic-đẳng hướng hay điểm lọc Bằng cách hạ thêm nhiệt độ, pha đó có thể biến đổi sang pha smectic A, smectic C và cuối cùng là trạng thái rắn Mỗi sự chuyển pha xảy

ra tại một nhiệt độ nhất định, nhưng phụ thuộc vào chất liệu, các pha khác nữa có thể xuất hiện hoặc một số có thể bị thiếu

Ngoài tinh thể lỏng hướng nhiệt, còn có một họ tinh thể lỏng khác gọi là lyotropic Đây là hỗn hợp các phân tử kiểu que trong một dung môi đẳng hướng và nồng độ dung dịch là nguyên nhân chính cho sự xuất hiện pha Tinh thể lỏng lyotropic chủ yếu hấp dẫn trong các ứng dụng sinh học và biểu hiện một số lượng lớn pha khác nhau

Trật tự của các phân tử tinh thể lỏng có lẽ trông thật lạ, nhưng trong môi trường hàng ngày của chúng ta, các sắp xếp quen thuộc có nhiều tương đồng với chúng Hãy xem phần ảnh phụ lục ở cuối tập sách này

Tại sao tinh thể lỏng hấp dẫn như vậy ?

Môi trường tinh thể lỏng nematic có đối xứng một trục, nghĩa là trong một môi trường tinh thể lỏng đồng nhất, chuyển động quay xung quanh một hướng không gây ra sự biến đổi nào Khối trật tự có ảnh hưởng rõ lên cách thức ánh sáng và điện trường hành xử trong chất liệu Tính dị hướng một trục mang lại các thông số điện và quang khác nhau nếu xét dọc theo vector đường chuẩn hoặc trong một mặt phẳng vuông góc với nó Điều này mang lại những tiềm năng công nghệ hấp dẫn Hai hiện tượng lạ được trình bày sau đây: sự định hướng lại của các phân tử trong điện trường và sự lưỡng chiết quang của các phân tử

Sự định hướng lại của các phân tử trong điện trường

Là kết quả của tính dị hướng một trục, điện trường chịu một hằng số điện môi khác nhau khi dao động theo hướng song song hoặc vuông góc với vector đường chuẩn Sự khác

biệt đó gọi là tính dị hướng điện môi Nếu hằng số điện môi dọc theo vector đường chuẩn lớn hơn theo hướng vuông góc với nó, thì người ta nói nó có tính dị hướng dương

Do tính dị hướng, độ dịch lưỡng cực và mômen lưỡng cực cảm ứng không song song với điện trường, trừ khi vector đường chuẩn song song hoặc vuông góc với điện trường Kết quả là một mômen quay tác dụng lên vector đường chuẩn Đối với các chất có tính dị hướng dương, vector đường chuẩn ưa sắp hàng song song với điện trường Tinh thể lỏng có tính dị hướng âm thì có xu hướng tự định hướng chúng vuông góc với điện trường

Tác dụng của điện trường lên một môi trường tinh thể lỏng có tính dị hướng dương được minh họa trong hình bên dưới Ban đầu, sự định hướng hầu như nằm ngang Khi một điện trường với hướng dọc theo mũi tên màu xanh được đặt vào, thì một mômen quay (biểu diễn màu xanh lá cây) phát sinh từ tính dị hướng điện môi, tác dụng lên phân tử Mômen quay

có xu hướng sắp phân tử song song với điện trường Khi cường độ điện trường tăng lên, phân

tử sẽ định hướng lại song song với trường

Định hướng bình thường Tình huống trong điện trường

Kết quả trong điện trường Kết quả trong điện trường mạnh

Tầm quan trọng kĩ thuật của sự định hướng lại thật rõ ràng: nó mang lại một môi trường có thể bật mở dễ dàng bằng cách làm biến thiên điện trường đặt vào trong môi trường tinh thể lỏng Trong đa số các ứng dụng, tinh thể lỏng thường nằm trong một lớp mỏng giữa hai bề mặt thủy tinh Để phát ra điện trường, các lớp điện cực mỏng được cho lắng lên đáy và/hoặc trên bề mặt thủy tinh Đối với các dụng cụ quang, người ta sử dụng các điện cực trong suốt, chế tạo từ indium thiếc oxide (ITO) Nếu điện trường sinh ra đủ mạnh, thì các phân tử sẽ định hướng lại theo hướng của nó

Lưỡng chiết quang

Ứng dụng của tinh thể lỏng hầu như luôn có liên quan đến quang học Sóng quang học cũng liên quan đến điện trường, nhưng tần số cao hơn nhiều so với tần số của điện trường phát sinh bởi điện áp đặt vào Do đó, hằng số điện môi, phát sinh từ phản ứng điện tử của các phân

tử với trường ngoài đặt vào, khác đi Để phân biệt, đối với sóng quang người ta sử dụng khái niệm chiết suất thay cho hằng số điện môi

Sóng quang học cũng có thể làm định hướng lại đường chuẩn tinh thể lỏng theo kiểu tương tự như điện trường đặt vào Trong màn hiển thị, điều này có thể bỏ qua, vì cả tính dị hướng điện môi và cường độ của trường quang học thông thường nhỏ hơn nhiều so với trong trường hợp tĩnh Do đó, sự truyền quang học chủ yếu độc lập với các tính toán đường chuẩn

Để tìm hiểu ảnh hưởng của sự lưỡng chiết lên sự truyền ánh sáng qua một tinh thể lỏng, ánh sáng phải được biểu diễn bằng một điện trường Điện trường này được mô tả bằng một vector sóng tại mỗi điểm Tại một thời điểm và vị trí nhất định, hướng và độ dài của vector này tương ứng với hướng và độ lớn của điện trường Đối với một sóng phẳng truyền theo một hướng nhất định, vector điện trường trong một môi trường đẳng hướng vẽ nên một elip trong mặt phẳng vuông góc với hướng truyền Elip này biểu diễn cho sự phân cực của ánh sáng Một số trường hợp đặc biệt là phân cực thẳng và phân cực tròn trong đó elip này bị biến dạng một thành một đường thẳng hoặc một vòng tròn hoàn hảo Nói chung, mỗi trạng thái phân cực hình elip có thể tách ra là sự chồng chất của hai sự phân cực thẳng theo hai trục vuông góc Trong một môi trường đẳng hướng, cả hai sự phân cực thẳng chuyển động với cùng tốc độ Tốc độ của sóng được xác định bởi chiết suất của môi trường

Sự truyền ánh sáng trong môi trường đẳng hướngĐối với môi trường tinh thể lỏng một trục, điện trường cảm thấy một chiết suất khác nhau khi nó dao động trong mặt phẳng vuông góc với đường chuẩn hoặc dọc theo đường chuẩn Tính dị hướng một trục này của chiết suất được gọi là lưỡng chiết Lưỡng chiết cho phép thao tác với sự phân cực của ánh sáng truyền qua môi trường

Trạng thái phân cực elip của ánh sáng đi vào một môi trường tinh thể lỏng phải tách ra thành hai trạng thái phân cực thẳng gọi là mode thường và mode bất thường Theo hai hướng

này, hai mode phân cực thẳng cảm thấy một chiết suất khác nhau Vì thế, chúng truyền qua tinh thể lỏng với tốc độ khác nhau như minh họa trong hình bên dưới

Sự truyền ánh sáng trong môi trường lưỡng chiết Trong môi trường đẳng hướng, hai phần đó truyền qua với cùng tốc độ Kết hợp chúng trở lại với nhau sẽ mang lại trạng thái phân cực elip như ban đầu Trong môi trường lưỡng chiết, tốc độ khác nhau của sóng thường và sóng bất thường mang lại một sự lệch pha giữa hai mode (= trễ pha) Tại đầu cuối của môi trường, sự lệch pha này giữa hai dao động sẽ mang lại một elip phân cực khác

Lưỡng chiết biến đổi

Để quan sát tác động của lưỡng chiết, phải sử dụng ánh sáng phân cực Đa số nguồn sáng như bóng đèn hoặc đèn huỳnh quang phát ra ánh sáng không phân cực Các ứng dụng quang học thường yêu cầu ánh sáng phân cực với hướng dao động đã biết của ánh sáng Để thu được ánh sáng phân cực, có thể sử dụng các nguồn sáng bình thường kết hợp các bộ lọc phân cực

Kính phân cực là một loại lớp lưỡng chiết đặc biệt Sóng thường truyền mà không bị biến đổi qua môi trường, trong khi sóng bất thường bị hấp thụ trong môi trường Một sóng phân cực bất kì đi vào một môi trường như vậy sẽ mang lại một sóng phân cực thẳng ở phía sau môi trường Trong hình bên dưới, tác dụng của kính phân cực được minh họa đối với hai định hướng khác nhau của hướng hấp thụ

Kính phân cực với trục truyền qua thẳng đứng

Kính phân cực với trục truyền qua nằm ngang Nếu sử dụng hai kính phân cực có hướng hấp thụ trực giao, thì toàn bộ ánh sáng phát

ra bởi nguồn sáng bị hấp thụ hết Đây thường được gọi là bộ kính phân cực trực giao

Bộ kính phân cực trực giaoLưỡng chiết quan trọng đối với việc biến đổi và điều khiển trạng thái phân cực của ánh sáng truyền qua môi trường Một lớp tinh thể lỏng chèn giữa hai kính phân cực trực giao có thể làm thay đổi sự phân cực ánh sáng truyền qua, mang lại sự truyền ánh sáng sau bộ kính phân cực trực giao

Một lớp tinh thể lỏng giữa hai kính phân cực trực giao

Vì đường chuẩn có thể điều khiển bằng điện trường, nên tinh thể lỏng là một môi trường lưỡng chiết có thể điều khiển được Do đó, trạng thái phân cực của ánh sáng phía sau lớp tinh thể lỏng có thể biến đổi và từ đó cường độ sáng truyền qua bộ kính phân cực trực giao được điều chỉnh cho phù hợp

Chọn hướng ưu tiên của các phân tử

Trong bình thủy tinh, một tinh thể lỏng trông như một chất lỏng dạng sữa mở đục Sự biến thiên ngẫu nhiên của đường chuẩn trong chất ở cấp độ micromet là nguyên nhân chính gây ra sự tán xạ ánh sáng

Trong các ứng dụng, điều quan trọng là thu được một vùng không có khiếm khuyết với một phân bố đường chuẩn đã biết Vì thế, tinh thể lỏng thường được xử lí trong những lớp mỏng giữa hai chất Việc điều khiển đường chuẩn tại bề mặt cho phép những sự định hướng đường chuẩn phong phú như minh họa bên dưới Hướng cố định của đường chuẩn bề mặt buộc đường chuẩn trong khối chất tuân theo hướng này Hai loại sắp hàng được sử dụng phổ biến là sắp hàng phẳng và sắp hàng rào đứng Trong sắp hàng phẳng, đường chuẩn mặt định hướng song song với bề mặt, trong sắp hàng rào thẳng đứng nó định hướng vuông góc với bề mặt

Một quá trình đơn giản khác và được sử dụng rộng rãi để thu được sự sắp hàng phẳng

là cọ xát Một lớp polymer (ví dụ polyimide, nylon hoặc polyvinylalcohol) được cho lắng trên một bề mặt và cọ xát với một miếng thấm mềm Tinh thể lỏng lắng trên bề mặt polymer cọ xát

sẽ biểu hiện một đường chuẩn mặt song song với hướng cọ xát Người ta có thể nói rằng các rãnh vi mô tạo ra trong bề mặt sắp thành đường chuẩn Hướng ma sát và đường chuẩn bề mặt thu được được biểu diễn dưới đây

Sắp hàng theo hướng cọ xát

Sự sắp thẳng hàng với bề mặt không hoản hảo, có một góc nhỏ 1 hoặc 2 độ giữa bề mặt và đường chuẩn phân tử gọi là góc nghiêng trước Góc nghiêng trước phụ thuộc vào cường độ chà xát

Nghiêng do quá trình cọ xát Tinh thể lỏng thường dùng trong các lớp mỏng nằm giữa hai chất thủy tinh đặt song song Khoảng cách, giữa chất bên trên và bên dưới trong tế bào tinh thể lỏng thường biến thiên từ 1 đến 100 µm, tùy thuộc vào loại tinh thể lỏng sử dụng và ứng dụng dự kiến Hai chất được giữ song song ở một khoảng cách không đổi bằng các miếng đệm: các quả cầu hoặc que

vi mô cấu tạo từ polymer hoặc thủy tinh Các miếng đệm trộn lẫn trong chất keo giữ hai chất nền lại với nhau và nếu cần thiết còn phân tán trên toàn bộ bề mặt chất nền bằng cách quay tròn

Hình bên dưới thể hiện ba thí dụ của các lớp tinh thể lỏng kẹp giữa hai chất nền Trên các bề mặt tiếp xúc với tinh thể lỏng, người ta cho lắng các lớp sắp thẳng hàng do ma sát Trong hình bên trái, các lớp sắp thẳng hàng của cả hai bề mặt bị cọ xát theo cùng một hướng Đây gọi là tế bào Π hay tế boa xòe Sự phân bố đường chuẩn thu được không đồng đều và biểu hiện một sự méo dạng xòe ra

Một phân bố đường chuẩn đồng đều thu được khi chất nền bên trên và bên dưới được

cọ xát theo hướng ngược nhau như minh họa trong hình ở giữa Góc 90 độ giữa sự cọ xát ở chất nền bên trên và bên dưới mang lại một biến thể thẳng của góc xoắn theo pháp tuyến bề mặt Đây được xem là tế bào nematic xoắn

Tính mẫu đường chuẩn trong môi trường tinh thể lỏng

Môi trường tinh thể lỏng thích có một phân bố đường chuẩn đồng đều Một sự biến đổi của đường chuẩn trong không gian làm cảm ứng một sự tăng năng lượng tự do Theo lí thuyết

đàn hồi đối với tinh thể lỏng, năng lượng đàn hồi liên hệ với độ biến thiên của đường chuẩn

„n‟ trong không gian có thể viết là

Oseen-Các phép tính phân bố đường chuẩn cân bằng liên quan đến việc giảm tối thiểu tổng năng lượng tự do của thể tích đó Tổng năng lượng của tinh thể lỏng gồm ba thành phần: mật

độ năng lượng đàn hồi (như mô tả ở trên), năng lượng tiếp xúc

liên quan đến sự sắp thẳng hàng của đường chuẩn tại bề mặt của vùng thể tích xem xét và mật

độ năng lượng điện

0

12

d

f   E E liên quan đến tương tác của điện trường đặt vào và đường chuẩn của phân tử tinh thể lỏng

Làm thế nào chúng ta có thể chế tạo một màn hiển thị với tinh thể lỏng ?

Tất cả những đặc tính hấp dẫn giải thích trong các phần trước khiến cho tinh thể lỏng thật cuốn hút cho khoa học tìm kiếm những ứng dụng hữu ích Một ứng dụng nổi tiếng của tinh thể lỏng là màn hiển thị tinh thể lỏng có mặt khắp nơi, ngày nay cấu thành một nền công nghiệp toàn cẩu hàng tỉ đô la Toàn bộ các thành phần cần thiết cho việc chế tạo Màn Hiển thị Tinh thể Lỏng (LCD) được xem xét và phần này sẽ chú yếu giải thích cách thức LCD hoạt động

Cấu trúc của màn hiển thị tinh thể lỏng

Hình dưới làn giản đồ của một LCD Màn hiển thị gồm một lớp tinh thể lỏng mỏng (bề dày ± 5 µm) kẹp giữa hai chất nền thủy tinh Để điều khiển sự định hướng lại của đường chuẩn, người ta cho lắng các điện cực trong suốt trên chất nền thủy tinh (màu trắng và đỏ) Trong hình, người ta sử dụng cái gọi là ma trận thụ động Trên chất nền phía trên và phía dưới, các điện cực hàng và cột được cho lắng theo thứ tự Sự chồng lấn giữa một điện cực cột

và một điện cực hàng hình thành nên một ảnh điểm (=nguyên tố ảnh) của màn hiển thị Trong thí dụ đơn giản này, 1 điện cực hàng được sử dụng kết hợp với 2 điện cực cột Kết hợp này

cho chúng ta một màn hiển thị hai ảnh điểm

Điện cực cột bên trái ở cùng mức điện thế như điện cực hàng Với điện cực cột bên phải (màu đỏ), người ta đặt vào một điện áp khác Theo cách này, điện trường phát sinh trong ảnh điểm bên phải định hướng vuông góc với các mặt thủy tinh

Trên hình, người ta có thể thấy hướng ma sát của các lớp sắp thẳng hàng (màu xanh lá) trên chất nền phía trên và phía dưới được chọn vuông góc với nhau Do sự chọn lựa này, đường chuẩn trong ảnh điểm bên trái thực hiện một bước xoay chuyển 90o

đều đặn từ phía dưới lên trên Vì thế, loại LCD được gọi là „LCD nematic xoắn‟ (TN-LCD) Nếu đặt một điện áp vào điện cực, thì đường chuẩn định hướng lại trở nên vuông góc với các mặt (ảnh điểm bên phải)

Để điều khiển cường độ của ánh sáng truyền qua, toàn bộ các lớp được kẹp giữa bộ kính phân cực trực giao (màu vàng) Nếu ánh sáng chưa phân cực đi vào cấu trúc từ phía dưới lên, thì ánh sáng trở thành phân cực thẳng tại kính phân cực phía dưới Ánh sáng đi vào lớp tinh thể lỏng với hướng phân cực song song với đường chuẩn bên dưới Người ta có thể chứng minh rằng nếu bề dày của lớp đó và các thông số tinh thể lỏng được chọn lựa thích hợp, thì

sự phân cực thẳng của ánh sáng đi vào đại khái sẽ tuân theo chuyển động quay của đường chuẩn (= chế độ Mauguin) Kết quả là ánh sáng truyền qua bộ phân cực phía trên và ảnh điểm

ở trạng thái sáng của nó

Nếu chúng ta đặt một điện áp giữa hai lớp điện cực, thì đường chuẩn tinh thể lỏng định hướng lại và sự phân cực của ánh sáng sẽ không còn quay qua lớp tinh thể lỏng Kết quả là ánh sáng bị hấp thụ tại bộ phân cực (= bộ phân tích) phía trên và ảnh điểm trở thành tối

Thêm các bộ lọc màu thích hợp tạo ra một màn hiển thị màu hoàn toàn đầy đủ như sử dụng trong nhiều màn hiển thị tinh thể lỏng ngày nay Mỗi ảnh điểm ở vào vòng biến đổi của

nó chia nhỏ thành ba ảnh điểm nhằm điều khiển tương ứng các thành phần đỏ, lục và lam của ánh sáng

Tất nhiên đây chỉ là một trong các khả năng chế tạo LCD Nhiều cấu hình khác hiện

có sử dụng các loại tinh thể lỏng khác, các định hướng phân tử khác hoặc những cách khác chuyển mạch các phân tử Loại thông dụng nhất là „LCD nematic siêu xoắn‟ (với sự quay đường chuẩn trong lớp đó > 90o) và „LCD đảo mạch đồng phẳng‟ (các phân tử quay song song với mặt thủy tinh do một điện trường nằm ngang)

Ứng dụng của tinh thể lỏng

Ban đầu, LCD được sử dụng trong máy tính bỏ túi hoặc đồng hồ đeo tay kĩ thuật số và chỉ có một vài ảnh điểm đen trắng Ngày nay, LCD có mặt khắp nơi trong mọi loại ứng dụng như màn hình phẳng cho ứng dụng desktop và laptop, điện thoại di động, máy chiếu… Một vài ví dụ các thiết bị sử dụng công nghệ LCD minh họa trong hình dưới đây

Các ứng dụng hấp dẫn khác ?

Tất nhiên, tinh thể lỏng không chỉ có các ứng dụng hiển thị Các nhà nghiên cứu còn nghiên cứu những ứng dụng mới và kì lạ hơn của tinh thể Sử dụng của các tính chất phi tuyến của các môi trường tinh thể lỏng (các thông số chất liệu không chỉ phụ thuộc hướng, mà còn

phụ thuộc cường độ của ánh sáng đi vào và bước sóng), người ta đã thử đi tìm những ứng dụng mới Ví dụ:

 Sự truyền sóng soliton trong tinh thể lỏng

Một chùm laser cường độ cao chiếu vào một tinh thể lỏng có thể tạo ra một sự định hướng cục bộ của các phân tử dẫn hướng Theo cách này, ánh sáng tạo ra sóng mang riêng của nó

và ánh sáng laser sẽ không nhiễu xạ mà vẫn giới hạn trong một chùm hẹp Ứng dụng soliton có thể dẫn đến một sóng mang tinh thể lỏng có thể xử lí để chuyển mạch ánh sáng giữa một vài sợi quang

 Sợi quang tinh thể lỏng rỗng ruột

Sợi quang rỗng ruột tỏ ra có công dụng của nó Nếu chúng ta đổ đầy tinh thể lỏng vào chúng thì làm cho chúng có thể mang lại hành trạng hấp dẫn có thể điều khiển cho các sợi quang

 Màn hiển thị tinh thể lỏng quang điều khiển

Trong màn hiển thị tinh thể lỏng quang xử lí, điện trường mạnh của bước sóng không nhìn thấy với cường độ cao được sử dụng để chuyển đảo các phân tử thay cho một điện áp ngoài đặt vào

 Pin Mặt trời tinh thể lỏng

Một ứng dụng mới và đầy hứa hẹn sử dụng tinh thể lỏng là chất bán dẫn tinh thể lỏng Tinh thể lỏng là các phân tử hữu cơ tương tự như polymer Trong các polymer chứa các hệ liên hợp (xen kẽ các liên kết đơn và liên kết đôi), sự tạo thành liên kết pi cao hơn hoặc thấp hơn đưa đến sự tạo thành một dải khe giống như các chất bán dẫn Việc

sử dụng một tinh thể lỏng như vậy trong một thiết bị tương tự như tế bào Grätzel có thể đưa đến những loại pin Mặt trời mới

 I.-C Khoo, "Liquid Crystals : Physical Properties and Nonlinear Optical

Phenomena", Wiley-Interscience Publication, John Wiley & Sonc inc., 1995

 P Yeh, C Gu, "Optics of Liquid Crystal Displays", Wiley-Interscience Publication, John Wiley & Sonc inc., 1999

 E Leuder, "Liquid Crystal Displays: addressing schemes and electro-optical effects", John Wiley & Sonc inc., 2001

 L M Blinov and V.G Chigrinov, "Electrooptic Effects in Liquid Crystal Materials,

Partially Ordered Systems", Springer-Verlag, New York, 1996

Tinh thể lỏng – trạng thái kì diệu của vật chất

Nghiên cứu tinh thể lỏng bắt đầu năm 1888 khi một nhà thực vật học người Áo tên là Friedrich Reinitzer quan sát thấy một chất gọi là cholesteryl benzoate có hai điểm tan chảy riêng biệt Trong các thí nghiệm của ông, Reinitzer làm tăng nhiệt độ của mẫu chất rắn và quan sát tinh thể đó biến đổi thành một chất lỏng mờ đục Khi ông tăng nhiệt độ lên nữa, chất liệu một lần nữa biến đổi thành một chất lỏng trong suốt, rõ ràng Vì công trình nghiên cứu sơ

khai này, Reinitzer thường được ghi nhận đã khám phá ra một pha mới của vật chất – pha tinh

thể lỏng

Các chất tinh thể lỏng là độc nhất vô nhị ở các tính chất và công dụng của chúng Khi nghiên cứu về lĩnh vực này tiếp tục và khi các ứng dụng mới được phát triển, tinh thể lỏng vẫn giữ vai trò quan trọng trong công nghệ hiện đại Bài viết này cung cấp một sự giới thiệu về cơ

sở khoa học và các ứng dụng của các chất liệu này

Tinh thể lỏng là gì ?

Các chất tinh thể lỏng nói chung có một vài đặc tính chung Trong số này là một cấu trúc phân tử kiểu que, tính cứng của trục dài, và các lưỡng cực mạnh và/hoặc các thuộc tính

dễ phân cực

Đặc điểm nổi bật của trạng thái kết tinh lỏng là khuynh hướng của các phân tử

(mesogen) hướng theo một trục chung, gọi là đường chuẩn Tính chất này trái với các phân tử

ở pha lỏng, chúng không có một trật tự nội tại nào Ở trạng thái rắn, các phân tử có trật tự cao

và có ít sự tự do tịnh tiến Trật tự định hướng đặc trưng của trạng thái tinh thể lỏng nằm giữa pha rắn và pha lỏng thông thường và đây là nguồn gốc của tên gọi trạng thái mesogenic, được dùng đồng nghĩa với trạng thái tinh thể lỏng Chú ý sự sắp hàng trung bình của các phân tử trong từng pha trong biểu đồ sau

Đôi khi, thật khó xác định một chất là ở trạng thái tinh thể hay ở trạng thái tinh thể lỏng Các chất kết tinh biểu hiện trật tự tuần hoàn phạm vi lớn trong ba chiều kích thước Theo định nghĩa, chất lỏng đẳng hướng không có trật tự định hướng nào Các chất không có trật tự như chất rắn, nhưng có một sự sắp hàng nào đó được gọi là hợp thức là tinh thể lỏng

Để định lượng mức độ trật tự có mặt trong một chất, người ta định nghĩa một thông số

trật tự (S) Thông thường, thông số trật tự được cho như sau:

Khuynh hướng của các phân tử tinh thể lỏng hướng theo đường chuẩn đưa đến một

tinh thế gọi là tính dị hướng Thuật ngữ này nghĩa là các tính chất của chất phụ thuộc vào

hướng mà chúng được đo Ví dụ, người ta dễ cắt một khối gỗ dọc theo thớ của nó hơn là cắt ngang qua thớ Bản chất dị hướng của tinh thể lỏng là nguyên nhân gây ra những tính chất quang độc nhất vô nhị đã được khai thác bởi các nhà khoa học và kĩ sư trong nhiều ứng dụng

đa dạng

Mô tả đặc trưng các tinh thể lỏng

Các thông số sau đây mô tả cấu trúc tinh thể lỏng:

 Trật tự vị trí

 Trật tự định hướng

 Trật tự định hướng liên kết

Mỗi một thông số này mô tả phạm vi mà mẫu tinh thể lỏng có được sự trật tự Trật tự

vị trí ám chỉ trường hợp một phân tử hoặc nhóm phân tử trung bình biểu hiện sự đối xứng tịnh tiến (như chất kết tinh biểu hiện) Trật tự định hướng, như trình bày ở trên, biểu diễn một số

đo của khuynh hướng của các phân tử sắp thẳng hàng theo đường chuẩn trên cơ sở tầm rộng Trật tự định hướng liên kết mô tả một đường nối các tâm của các phân tử gần nhau nhất mà không yêu cầu một khoảng cách đều đặn dọc theo đường đó Như vậy, một trật tự tương đối

xa đối với các đường nối các khối tâm nhưng chỉ là trật tự vị trí gần dọc theo đường đó

Đa số hợp chất tinh thể lỏng biểu hiện sự thù hình, hay một tình trạng trong đó có nhiều hơn một pha được quan sát thấy ở trạng thái kết tinh lỏng Thuật ngữ meso pha được sử dụng để mô tả “pha con” của các chất tinh thể lỏng Các meso pha hình thành bởi sự thay đổi lượng trật tự trong chất, hoặc bằng cách áp đặt trật tự trong chỉ một hoặc hai chiều, hoặc bằng cách cho phép các phân tử có một mức độ chuyển động tịnh tiến Phần sau đây mô tả các meso pha của tinh thể lỏng một cách cụ thể hơn

Các pha tinh thể lỏng

Trạng thái tinh thể lỏng là một pha riêng biệt của vật chất quan sát thấy giữa trạng thái kết tinh (rắn) và trạng thái đẳng hướng (lỏng) Có nhiều loại trạng thái tinh thể lỏng, tùy thuộc vào lượng trật tự ở trong chất Phần này sẽ giải thích hành trạng pha của các chất tinh thể lỏng

Pha nematic

Pha tinh thể lỏng nematic được đặc trưng bởi các phân tử không có trật tự vị trí nhưng

có xu hướng hướng theo một hướng (dọc theo đường chuẩn) Trong giản đồ bên dưới, hãy chú

ý là các phân tử hướng thẳng đứng nhưng không sắp xếp với một trật tự đặc biệt nào cả

Tinh thể lỏng là các chất dị hướng, và các tính chất vật lí của hệ biến thiên theo sự sắp thẳng hàng trung bình với đường chuẩn Nếu sự sắp thẳng hàng là lớn, thì chất đó rất dị hướng Tương tự, nếu sự sắp thẳng hàng là nhỏ, thì chất hầu như đẳng hướng

Một họ đặc biệt của các tinh thể lỏng nematic gọi là nematic thuận một bên Sự thuận một bên ý nói đến khả năng độc đáo là phản xạ có chọn lọc một thành phần của ánh sáng phân cực tròn Thuật ngữ nematic thuận một bên được sử dụng thay thế bởi cholesteric Xem phần tinh thể lỏng cholesteric để có thêm thông tin về meso pha này

Pha smectic

Tên gọi “smectic” xuất xứ từ tiếng Hi Lạp gọi xà phòng Nguồn gốc xuất xứ có vẻ mơ

hồ này được giải thích bởi thực tế thì chất liệu dày, trơn thường tìm thấy dưới đáy đĩa xà phòng thật ra là một loại tinh thể lỏng smectic

Trạng thái smectic là một meso pha riêng biệt khác của các chất tinh thể lỏng Các phân tử trong pha này biểu hiện một mức độ trật tự tịnh tiến không có mặt ở pha nematic Trong trạng thái smectic, các phân tử vẫn duy trì sự trật tự định hướng chung của nematic, nhưng đồng thời còn có xu hướng tự sắp thẳng hàng chúng theo các lớp hay mặt phẳng Chuyển động bị hạn chế bên trong các mặt phẳng này, và các mặt phẳng tách rời được quan sát thấy chảy qua nhau Trật tự tăng thêm có nghĩa là trạng thái smectic “giống chất rắn” hơn trạng thái nematic

Ảnh chụp một pha smectic (bằng kính hiển vi phân cực) Người ta đã quan sát thấy nhiều hợp chất hình thành nhiều hơn một pha smectic Có đến 12 biến thể này đã được nhận dạng, tuy nhiên chỉ các pha nổi bật nhất mới được trình bày

ở đây

Trong meso pha smectic-A, đường chuẩn vuông góc với mặt phẳng smectic, và không

có một trật tự vị trí đặc biệt nào trong lớp Tương tự, meso pha smectic-B định hướng hướng với đường chuẩn vuông góc với mặt phẳng smectic, nhưng các phân tử sắp xếp thành một mạng hình lục giác bên trong lớp Trong meso pha smectic-C, các phân tử sắp xếp như ở meso pha smectic-A, nhưng đường chuẩn nghiêng đi một góc không đổi đo theo phương pháp tuyến với mặt phẳng smectic

Hình vẽ pha smectic A Ảnh chụp pha smectic A

(bằng kính hiển vi phân cực)

Hình vẽ pha smectic C Ảnh chụp pha smectic C

(bằng kính hiển vi phân cực) Như trong pha nematic, meso pha smectic-C có một trạng thái thuận một bên kí hiệu là C* Phù hợp với smectic-C, đường chuẩn tạo ra một góc nghiêng so với lớp smectic Sự khác biệt là góc này quay từ lớp này sang lớp kia hình thành nên một xoắn ốc Nói cách khác, đường chuẩn của meso pha smectic-C* không song song hay vuông góc với các lớp, và nó quay từ lớp này sang lớp tiếp theo Lưu ý sự xoắn của đường chuần, biểu diễn bằng các mũi tên màu xanh, trong từng lớp trong giản đồ dưới đây

Giản đồ minh họa pha smectic C* (hình trái), và một ảnh nhìn cùng pha đó, nhưng hướng theo trục (hình phải)

Trong một số meso pha smectic, các phân tử bị ảnh hưởng bởi các lớp khác nhau bên trên và bên dưới chúng Do đó, một lượng nhỏ của trật tự ba chiều được quan sát thấy Smectic-G là một ví dụ chứng minh loại sắp xếp này

Pha cholesteric

Pha tinh thể lỏng cholesteric (hay nematic thuận một bên) thường gồm các phân tử nematic mesogenic chứa một tâm thuận một bên tạo ra các lực liên phân tử thiên về sự sắp xếp giữa các phân tử ở một góc hơi nghiêng so với nhau Điều này dẫn đến sự hình thành của một cấu trúc có thể hình dung là một chồng gồm các lớp kiểu nematic 2D với đường chuẩn trong từng lớp xoắn so với đường chuẩn lớp ở trên và ở dưới trong cấu trúc này, các đường chuẩn thật sự hình thành một kiểu xoắn ốc liên tục xung quanh pháp tuyến lớp như minh họa bằng mũi tên màu đen trong hình bên dưới

Một đặc điểm quan trọng của meso pha cholesteric là bước xoắn Bước xoắn, p, được

định nghĩa là khoảng cách cần thiết cho đường chuẩn quay trọn một vòng theo hình xoắn ốc như minh họa trong hình ở trên Một sản phẩm phụ của cấu trúc xoắn ốc của pha nematic thuận một bên là khả năng của nó phản xạ có chọn lọc ánh sáng có bước sóng bằng với bước xoắn, cho nên một màu sẽ bị phản xạ khi bước xoắn bằng với bước sóng tương ứng của ánh sáng trong phổ khả kiến Hiệu ứng hoạt động trên cơ sở sự phụ thuộc nhiệt độ của sự biến đổi đều trong định hướng đường chuẩn giữa các lớp liên tiếp (minh họa ở trên), làm biến đổi bước xoắn mang lại sự thay đổi bước sóng của ánh sáng bị phản xạ theo nhiệt độ Góc mà đường