بلور مايع؛ اين ماده شگفت انگيز!

بيشتر قطعات الكترونيكي مانند ديود، ترانزيستور و... از بلورها ساخته مي شوند، همچنين به دليل گسترش روزافزون وسايل الكترونيكي و ساختن ريز تراشه هاي رايانه اي، بلورها توجه زيادي را به خود جلب كرده اند. بلور مايع حالتي از ماده است كه از لحاظ نظم ساختاري، بين جامد و مايع قرار دارد. بلورهاي مايع ناهمسانگرد هستند؛ يعني در جهت هاي مختلف خواص متفاوتي از خود نشان مي دهند. از بلورهاي مايع در صفحات نمايش ماشين حساب، ساعت ديجيتالي، صفحات LCD، دماسنج هاي بلور مايع و حسگرهاي شيميايي استفاده مي شود. اين مقاله به بررسي اين ماده شگفت انگيز مي پردازد
در جامدات بلورين، ذره هاي تشكيل دهنده به نحوي كاملاً منظم در كنار هم قرار گرفته اند. آرايش ذره ها از آن جهت منظم است كه آنها در فواصلي منظم و تكراري در هر سه بعد قرار گرفته اند. ساختار يك مايع در مقايسه با يك جامد نظم كمتري دارد. مايعات، گازها و جامدات غير بلورين همسانگرد هستند، به اين معني كه خواص فيزيكي آنها در همه جهت ها يكسان است. چون خواص فيزيكي جامدات بلورين در همه جهت ها يكسان نيست، آنها را ناهمسانگرد مي نامند. بعضي از مواد جامد مي توانند نظم بلوري خود را در دماي ذوب از دست بدهند. در دماي معين بالاتر، نظم باقي مانده نيز از بين مي رود. بين اين دو دماي تبديل، اين مواد تا حدي نظم خود را حفظ مي كنند. اين مواد بينابيني را "بلور مايع" (Liquid Crystal) مي نامند. اگر نظم آنها در دو بعد حفظ شود، آنها را مواد دو بعدي مي نامند و چنان چه نظم آنها فقط در يك بعد حفظ شود، آنها را مواد يك بعدي مي نامند.

بلورهاي مايع
 

بلور مايع در 1881 ميلادي توسط "فردريش رين تيزر" هنگام مطالعه و بررسي كلسترول در گياهان كشف شد؛ وي نه تنها خودِ كاشفِ آن از ماهيت آن چه مشاهده كرده بود كاملاً بي اطلاع بود، بلكه تا همين دهه اخير به صورت يك پديده جالب توجه به آن نگاه مي كردند.
بلورهاي مايع از مولكول هاي بلند ميله مانند كه به موازات يكديگر آرايش يافته اند، تشكيل شده اند. وقتي با به كار بردن انرژي بر نيروهاي جاذبه بين لايه هاي مولكول ها غلبه مي كنيم، يك ماده دو بعدي حاصل مي شود كه در آن، لايه ها دست نخورده باقي مي مانند. چنان چه انرژي بر نيروهاي جاذبه بين لايه ها و نيروي جاذبه سر به سر غلبه كند، فقط جهت يابي موازي باقي مي ماند؛ در آن صورت يك ماده تك بعدي داريم. در بيشتر موارد، مولكول هاي تشكيل دهنده فازهاي بلور مايع دو ويژگي دارند: شكل ميله اي دارند و ساختاري كه اجازة بر هم كنش هاي بين مولكولي را از طريق نيروي پاشيدگي (لاندوني)(4)، نيروهاي دو قطبي- دوقطبي و پيوند هيدروژني مي دهد، اما از منظم شدن كامل جلوگيري مي كند. برحسب آرايش مولكول ها نسبت به هم، بلورهاي مايع را به سه دسته اصلي تقسيم بندي مي كنند:
الف) نماتي: مولكول ها هم جهت هستند اما يك راستا نيستند.
ب) كلستري: مولكول ها در لايه هاي مارپيچي آرايش يافته اند
ج) سمكتي: مولكول ها هم جهت و يك راستا هستند.

كاربردهاي بلور مايع
 

مولكول هاي تشكيل دهنده بلورهاي نماتي و سمكتي، به دليل شكل ميله اي شان، در برابر نور و ميدان هاي الكتريكي و مغناطيسي پاسخي ناهمسانگرد دارند؛ بنابراين مي توان از ميدان الكتريكي براي كنترل آنها استفاده كرد. استفاده از اين اثر در صفحات نمايشي بلور مايع در ماشين هاي حساب، ساعت ديجيتالي و تلويزيون هاي مينياتوري رايج است. ساختار مارپيچي مشخصه بلورهاي مايع كلستري به عنوان توري براي نور مرئي قابل استفاده است.

نمايشگرهاي بلور مايع (LCD)
 

امروزه LCDها در صفحات نمايشگر ماشين حساب ها، ساعت هاي ديجيتالي، تلفن هاي همراه، نمايشگر رايانه ها و موارد متعدد ديگر به كار برده مي شوند. بلورهاي مايع نقش اصلي را در LCDها بر عهده دارند. از آن -(پارا- متوكسي بنزيليدين)- پارا- بوتيل آنيلين (MBBA) براي تهيه بلور مايع استفاده مي شود. اين مولكول ها با صف بندي موازي شبيه به يك دسته ماهي، بلور مايع ايجاد مي كنند. وقتي كه بلور مايع در يك ميدان الكتريكي قوي قرار داده مي شود، ماهي مولكول ها به حركت در مي آيند و مانند گرداب مي پيچند. در حالت عادي، بلور مايع مانند آب شفاف است؛ ولي در صورت اغتشاش الكتريكي كدر مي شود و نور را به شكلي پخش مي كند كه گويي گردابي گل آلود و يا ابري از غبار در پرتو آفتاب است. در ساخت صفحه هاي نمايش ماشين حساب ها و ساعت ها، صفحه ها را با لايه نازكي از بلور مايع مي پوشانند. الكترودهاي شفاف را به شكل اعداد 0 تا 9 زير اين لايه قرار مي دهند. كدري ايجاد شده در نزديكي الكترودهاي اتصال يافته، باعث ظاهر شدن يك عدد بر صفحه مي شود. اخيراً از نور براي ايجاد برآشفتگي موضعي در دسته هاي ماهي- مولكول ها استفاده مي شود. نماي نزديك عدد 2 روي صفحه نمايش ماشين حساب اين موضوع را بهتر نشان مي دهد. فاز بلور مايع شامل لايه هاي نماتي قرار گرفته بين صفحه هاي نازك شيشه اي است كه الكترودهاي شفاف را دربر مي گيرد. از طريق يك فرايند پوششي ويژه، محور طولي مولكولي موازي با صفحه هاي شيشه اي قرار مي گيرد. فاصله بين صفحه ها 6 تا 8 ميكرومتر انتخاب شده است به طوري كه محور مولكولي داخل هر لايه را مي پيچاند تا جهت مولكولي نسبت به صفحه بالايي 90 درجه شود. در بالا و پايين اين صفحه ها، فيلترهاي قطبندة نازكي قرار دارد كه عبور امواج نوري جهت گيري شده را فقط در يك جهت اجازه مي دهند. فيلترها دريك آرايش متقاطع قرار مي گيرند، به طوري كه نور عبور كننده از فيلتر بالايي بايد 90 درجه بپيچد تا بتواند از فيلتر بالايي عبور كند. جهت گيري و خواص نوري مولكول ها، جهت نور را تا اين مقدار به طور دقق مي پيچاند. اين گروه كامل از صفحه ها، فيلترها و فاز بلوري مايع روي يك آينه قرار مي گيرند. جريان توليد شده توسط باتري ساعت، جهت مولكول ها را درون فاز كنترل مي كند. با برقراري جريان در يك ناحيه از صفحه نمايش، مولكول ها به سوي ميدان جهت گيري مي كنند. بنابراين نور، عبور كرده و به فيلتر پايين مي رسد و آن ناحيه تاريك به نظر مي رسد. با قطع جريان در ناحيه ديگر، نور پس از عبور از مولكول ها و فيلتر پاييني به آينه رسيده برمي گردد به طوري كه آن ناحيه روشن به نظر مي رسد.

دماسنج هاي بلور مايع
 

بعضي بلورها در يك گستره دما طول موج هاي معيني از نور سفيد را منعكس كرده، بقيه طول موج ها را از خود عبور مي دهند. در گستره ديگري از دما، بلورهاي ديگر ساير رنگ هاي نور سفيد را عبور داده يا منعكس مي كنند. در نتيجه، اين بلورها با تغيير دما رنگين مي شوند. از اين تغيير خاصيت براي نشان دادن دما استفاده مي شود.

حسگرهاي شيميايي
 

اين حسگرها براي تشخيص تماس با آفت كش هاي محلي، گازهاي اعصاب و... استفاده مي شوند. حسگرهاي ياد شده شامل يك فيلم (لايه) نازك چين خورده طلا هستند كه با برآمدگي هاي گيرنده هاي حساس شيميايي كه به طور ضعيفي بلورهاي مايع را در موقعيت هاي تعريف شده در سطح فيلم نگه مي دارند، نقطه گذاري مي شوند. با اين حال وقتي اين گيرنده ها در عرض ماده شيميايي قرار مي گيرند، با آن پيوندي قوي تر از بلور مايع برقرار مي كنند. در نتيجه اين عمل، مواد شيميايي هدف، بلور مايع را از گيرنده ها جدا مي كنند و بلور مايع به موقعيتي كه تابع بافت سطح است تغيير موقعيت مي دهد. اين تغيير موقعيت براي چشم غير مسلح به صورت تغيير رنگ قابل تشخيص است.

بلورهاي مايع در سيستم هاي زيستي
 

ضميمه غشاي هر سلول بدن، رشته هاي عضله و رشته هاي عصب، خواص بلور مايع را از خود نشان مي دهند. در بسياري از سيستم هاي زيستي، فازهاي نماتي و كلستري وجود دارند. يكي از اين مثال ها، صف بندي ذرات ويروس درون مايع برگ تنباكوي آلوده شده به ويروس موازييك تنباكو است. هر سلول عضله اي اختياري، ظاهر خط دار خود را از رشته هاي مولكول هاي پروتئين هاي اكتين و ميوسين پلاسما به دست مي آورد. غشاي هر سلول شامل بخش هاي بزرگي از لايه دوگانه طويل و نازك مولكول هاي قطبي چربي است كه به طور نماتي آرايش يافته اند. عوامل زيستي و شيميايي مي تواند اين‌ آرايش را بر هم زند و سبب شكسته شدن و نقص عملكرد سلول شود.

ساخت LCD
 

براي ساخت LCD به جز بلور مايع، به دو قطعه شيشه پلارويد يا قطبشگر هم نياز است. اگر دو قطعه از اين شيشه ها را روي هم قرار دهيد، نور به راحتي از آن عبور مي كند؛ اما وقتي يكي از آنها را 90 درجه نسبت به ديگري بچرخانيم، ديگر نور رد نمي شود. اين اتفاق به اين دليل رخ مي دهد كه هر شيشه نور را فقط در جهت خاص محور خود عبور مي دهد. ساخت LCD بسيار ساده تر از آن است كه به نظر مي رسد. براي اين منظور، ابتدا به روي شيشه اي لايه هاي شفاف جايگزين مي شود. به واسطه شفافيت بالا و هدايت الكترونيكي نسبتاً خوب، از اكسيداينديم- قلع (ITO) به عنوان الكترود براي قطعات LCD استفاده مي شود. پس از طي مراحل مختلف فتوليتوگرافي، طرح مورد نظر بر روي دو زيرلايه ظاهر مي شود و با استفاده از خورنده مناسب، خوردگي روي لايه شفاف انجام مي شود و طرح مورد نظر بر روي آنها به دست مي آيد. سپس لايه خط كننده پليمري (پلي وينيل الكل) بر روي زيرلايه ها نشانده و توسط مالش دادن با پارچه مخمل مخصوص، شيارهاي ميكروني بر روي آن در يك راستا ايجاد مي شود تا مولكول هاي بلور مايع در اين جهت به خط شوند. اين فرايندها بر روي هر دو زير لايه انجام مي شود و سپس اين دو به هم چسبانيده مي شوند. بعد از سخت شدن چسب، سلول بر روي صفحه داغ قرار مي گيرد و تا دماي 45 درجه سانتي گراد حرارت داده مي شود. سپس ماده بلور مايع در اين دما به سلول تزريق مي شود و سلول به آرامي سرد مي شود تا به دماي محيط برسد. در انتها نيز سلول به طور كامل چسبانيده، و دو فيلتر پلارويد با زاويه 90 درجه در دو طرف آن قرار داده مي شود. پس از اعمال ولتاژ به الكترودها، طرح ايجاد شده بر روي سلول نمايان مي شود و با قطع ولتاژ از صفحه محو مي شود.

پي‌نوشت‌ها:
 

1 و 3- عضو هيئت علمي گروه شيمي دانشگاه آزاد اسلامي، واحد تويسركان
2- مدرس و مسئول آزمايشگاه هاي شيمي دانشگاه آزاد اسلامي، واحد تويسركان
4- ضعيف ترين نيروي بين مولكولي
 

منبع:نشريه دانشمند شماره 549