Kas ir nemātiskais šķidrais kristāls?

Šķidrie kristāli ir starpposma kušanas stadija starp cieto un šķidro stāvokli. 1888. gadā austriešu zinātnieks Freidrihs Reinicers atklāja valsti, veicot eksperimentus ar vielu, ko sauc par holesterīna benzoātu. Reinicers pamanīja, ka vielai ir divi atšķirīgi kušanas punkti. Pirmajā tas kļuva duļķains šķidrums, bet otrajā kļuva caurspīdīgs. Reinicera novērojumi ietvēra jēdzienus, ka duļķains vai kristāliskais stāvoklis mainīja caur to ejošo gaismas viļņu polaritāti, kas ir jēdziens LCD attīstībā.

Reinicers nekad nav izstrādājis praktiskus šķidro kristālu tehnoloģijas pielietojumus, un kristālisko stāvokļu pētījumi lielā mērā tika atmesti 20. gadsimta sākumā. 1969. gadā zinātnieks Hanss Kellers veiksmīgi izveidoja vielu, kas istabas temperatūrā nematiski kristalizētos. Šis atklājums noveda pie spējas komercializēt produktu, un nematiskie kristāli kļuva ārkārtīgi noderīgi ekrāna tehnoloģijā.

Trīs matērijas stāvokļi, par kuriem lielākā daļa cilvēku uzzina dabaszinātņu stundās, ir šķidrums, gāze un ciets. Šķidrie kristāli ir ceturtais stāvoklis, kas atrodas kaut kur starp šķidrumiem un cietām vielām, un caur to ļauj iziet cauri dažām matērijas formām. Tāpat kā šķidrām vielām, šķidro kristālu molekulām nav nekādas pozicionālās secības, taču tāpat kā cietai vielai šķidro kristālu molekulām var būt organizatoriskā secība, kas nozīmē, ka laika gaitā tās mēdz norādīt uz vienu virzienu. Nematiskie šķidrie kristāli ir kristalizācijas procesa augstas temperatūras fāze, kurā molekulām ir liela attāluma organizatoriskā kārtība.

Gaismas viļņi no dabīgiem vai mākslīgiem gaismas avotiem vibrē daudzos virzienos. Ja lielākā daļa vibrāciju tiecas noteiktā virzienā, tiek uzskatīts, ka gaisma ir polarizēta. Palaižot gaismas viļņus cauri nemātiskiem šķidrajiem kristāliem, polarizācija mainās, parasti pagriežot par 90 grādiem. Ja kristāla šķīdumam pievieno elektrisko lauku, polarizācijas virzienu un apjomu var kontrolēt ar elektrības spriegumu.

LCD ekrāna izveidē tiek izmantoti divi polarizēti stikla gabali, no kuriem viens ir ar plānu nematisku šķidro kristālu filtru. Pēc tam stikls tiek piestiprināts pie diviem elektrodiem, kas var nodrošināt elektrisko lādiņu. Palaižot kontrolētus lādiņus caur stiklu, nematiskais šķidrais kristāls griezīsies un atvērsies, ļaujot iziet cauri tikai elektriski pieprasītajām gaismas zonām. Ekrāni, kuros izmantoti savīti nemātiskie šķidrie kristāli, ir izplatītas mūsdienu tehnoloģiju iezīmes, ko izmanto klēpjdatoros un digitālajos pulksteņos.