Я – исследователь
Оптические свойства холестерических кристаллов,
Или Почему машинка меняет цвет
Мякотин Егор,
Ученик 1В класса
МБОУ СОШ № 7 г. Белгорода
Г.
Содержание
| 1. | Введение | |
| 2. | Глава 1 Жидкокристаллическое состояние вещества | |
| 3. | Глава 2 Свет и цвет | |
| 4. | Заключение | |
| 5. | Список литературы |
Введение
Несколько лет назад у меня появилась машинка, которая изменяла свой цвет при изменении температуры: когда машинку окунали в холодную воду, она из жёлтой превращалась в синюю, а при нагревании исходный жёлтый цвет восстанавливался.
Я не мог понять, почему это происходит, и выдвинул гипотезу, что при изменении температуры в машинке появляются другие молекулы. Верна ли была моя гипотеза, я не знал, поэтому я поставил цель – выяснить, почему же машинка меняет цвет.
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
1. Определить, из каких материалов изготовлена машинка.
2. Выяснить, что такое цвет и что влияет на его изменение.
3. Познакомиться с понятием «жидкий кристалл».
4. Узнать, почему жидкие кристаллы способны изменять цвет под воздействием температуры.
Актуальность: Применение жидких кристаллов раскрывает колоссальные перспективы в совершенствовании современных технологий и возможности делать их более практичными и экономичными. Кроме того, жидкие кристаллы могут выступать в роли заменителей энергоёмких и труднодоступных материалов.
В основе работы лежат труды Ф. Рейнитцера, О. Лемана, И. Ньютона и др.
Объектом исследования стали жидкие кристаллы, а предметом – их некоторые оптические свойства.
Были выбраны следующие методы исследования:
1. Теоретический (изучение и анализ литературы по теме).
2. Эмпирический (наблюдение и эксперимент).
В работе рассматриваются:
1. Понятия «агрегатное состояние вещества», «кристаллическая решётка», «оптические свойства», «длина световой волны», «преломление, отражение и поглощение световой волны».
2. Даётся определение понятию «жидкий кристалл».
3. Рассматривается классификация жидких кристаллов.
4.Изучается зависимость оптических свойств холестерических кристаллов от температуры тела.
5. Рассматривается практическое использование жидких кристаллов.
6. В приложениях даны иллюстрирующие работу материалы.
Глава 1
Жидкокристаллическое состояние вещества.
Для производства машинок-хамелеонов чаще всего используют металл и пластик, а покрывают их специальной термочувствительной краской, которая способна менять цвет при изменении температуры. В состав такой краски входят жидкие кристаллы.
Человеку всегда было трудно выйти за пределы трёх понятий, описывающих, как казалось, все состояния материи: газ, жидкость, твёрдое тело. Однако оказалось, что свойства кристалла и жидкости могут совместиться в одном веществе – жидком кристалле.
Открытие промежуточного жидкокристаллического состояния вещества приписывается австрийскому ботанику Фридриху Рейнитцеру, который получил эфир холестерина 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 (рис. 1). Эти наблюдения показали, что у холестерилбензоата имеются три различные фазы: твердая, жидкокристаллическая и жидкая.
(рис. 1)
Немецкий физик Отто Леман показал, что мутная промежуточная фаза – это кристаллоподобная структура и предложил для нее термин «жидкий кристалл» – Flussige Kristalle.
Чем же жидкий кристалл отличается от жидкости и обычного кристалла и чем похож на них? Подобно обычной жидкости, жидкий кристалл обладает текучестью и принимает форму сосуда, в который он помещен. Этим он отличается от известных всем кристаллов.
Однако, несмотря на это свойство, объединяющее его с жидкостью, он обладает свойством, характерным для кристаллов. Это – наличие порядка пространственной ориентации молекул. Такой порядок в ориентации может проявляться, например, в том, что все длинные оси молекул в жидкокристаллическом образце ориентированы одинаково. Эти молекулы должны обладать вытянутой формой.
В зависимости от вида упорядочения осей молекул жидкие кристаллы разделяются на три разновидности: нематические, смектические и холестерические.
Нематические жидкие кристаллы ("нема" — по-гречески нить) характеризуются наличием структур в виде нитей. Ориентация осей молекул в этих кристаллах параллельна, однако они не образуют отдельные слои. Длинные оси молекул лежат вдоль линий, параллельных определенному направлению, а их центры размещены хаотично (рис. 2). Нематические жидкие кристаллы называются также нематиками.
(рис. 2)
Смектическое состояние впервые наблюдалось в мылах ("смегма" — по-гречески мыло). В таких кристаллах вытянутые молекулы в форме сигар или веретен расположены параллельно своими длинными осями и образуют слои (рис. 3).
(рис. 3)
Эти, так называемые смектические слои лежат один над другим на одинаковом расстоянии, они могут легко скользить один по одному, обусловливая текучесть жидкого кристалла. Смектические жидкие кристаллы часто называют смектиками.
Холестерические жидкие кристаллы, или холестерики (от названия вещества холестерина), состоят из хиральных молекул. К ним относятся, главным образом, производные холестерина.
В холестерических жидких кристаллах молекулы расположены в слоях, как и в смектиках, однако длинные оси молекул параллельны плоскости слоев, а их расположение в пределах слоя напоминает скорее нематик (рис. 4).
(рис. 4)
Оси этих параллельных друг другу слоёв развёрнуты на некоторый угол (рис. 5).
(рис. 5)
Расстояние, через которое повторяется ориентация молекул в пространстве, принято называть шагом спирали (рис. 6).
(рис. 6)
Так устроены жидкие кристаллы. Но почему же они могут изменять цвет?
Глава 2
Свет и цвет
Для того, чтобы понять, почему жидкие кристаллы при изменении температуры меняют цвет, необходимо выяснить, что такое цвет и что влияет на его изменение.
Яркий солнечный свет кажется нам чисто белым, то есть бесцветным. Но тут мы заблуждаемся, так как белый свет состоит из многих цветов. Они бывают видны, когда лучи солнца освещают дождевые капли, и мы наблюдаем радугу. Разноцветная полоса образуется и тогда, когда солнечный свет отражается от скошенного края зеркала или проходит через стеклянное украшение, либо сосуд. Эта полоса называется световым спектром. Начинается он с красного цвета и, постепенно меняясь, заканчивается на противоположном конце фиолетовым.
В 60х годах ХVII столетия Исаак Ньютон проводил эксперименты со светом. Чтобы разложить свет на составляющие и получить спектр, он использовал трехгранную стеклянную призму (рис. 7). Ученый обнаружил, что, собрав раздробленный луч с помощью второй призмы, можно опять получить белый свет. Так он доказал, что белый свет является смесью разных цветов.
(рис. 7)
Преломление света называется рефракцией, а разложение белого света на разные цвета – дисперсией.
Именно свет делает цвет видимым — но почему?
Цвет как таковой не является атрибутом предмета в отличие от формы. Однако физические тела обладают способностью поглощать или отражать свет определенной частоты. Мы видим только цвета, соответствующие длинам волн отраженного излучения. Когда белый свет встречается с предметом, возможен один из следующих вариантов:
· Все излучение поглощается. В этом случае мы видим предмет черным.
· Все излучение отражается. В этом случае мы видим предмет белым.
· Все излучение проходит через предмет. В этом случае мы видим предмет прозрачным.
· Часть излучения поглощается, а остальная часть отражается. В этом случае мы видим цвет, оттенок которого зависит от того, какие частоты поглощаются, а какие отражаются.
· Часть излучения поглощается, а остальная часть проходит через предмет. Мы видим цвет, оттенок которого зависит от того, какие частоты поглощаются, а какие пропускаются.
· Часть излучения отражается, а остальная часть пропускается. Цвет отраженного света и проходящего света меняется соответственно.
Какой из этих вариантов реализуется, зависит от свойств освещаемого предмета.
Свет, отражаемый или пропускаемый предметом, улавливается нашими глазами и преобразуется в электрические сигналы, которые перемещаются по нервным клеткам к мозгу, где они идентифицируются в качестве цветов (рис. 8).
(рис. 8)
Таким образом, цвет – это отражённая от предмета световая волна определённой длины и частоты (рис. 9).
(рис. 9)
Что же происходит в жидком кристалле при изменении температуры? При нагревании или охлаждении шаг спирали уменьшается или увеличивается и, соответственно, отражает световые волны различной длинны, изменяя таким образом цвет предмета (рис. 10).
(рис. 10)
Заключение
Уникальные оптические свойства жидких кристаллов позволили использовать их в качестве термоиндикаторов:
· в пищевой промышленности – для изготовление упаковок и этикеток, информирующих о сроке годности продукта и о целостности упаковки.
· в медицине для диагностики воспалительных процессов,
· в технике – для контроля работы приборов и оборудования.
Мне бы хотелось создать напольный комнатный термометр для детских садов, чтобы воспитатели видели, какая температура на полу и могли оценить, не холодно ли детям играть на ковре.
Таким образом, можно сделать следующие выводы:
1. Цвет предмета зависит от величины шага спирали.
2. Моя гипотеза об образовании в предмете молекул под воздействием температуры не нашла подтверждения.
Источники информации
1. Е. Качур Увлекательная физика. - М.: Манн, Иванов и Фербер, 2013 – 79с.
2. Большая иллюстрированная энциклопедия эрудита. – М.: Махаон, 2012 – 487с.
3. https://www.mug.ru/board/index.php?showtopic=1739
4. https://youwonder.ru/inventions/kruzhka-hameleon-menyayushhaya-cvet-pri-nagrevanii/
5. https://color-city.com.ua/Termohromnye-kraski-2.html
6. https://ubuntovod.ru/partner/kraska-reagiruyushhaya-izmeneniem-cveta-na-temperaturu.html