البلورات السائلة

البلورات السائلة

LQUID CRYSTALS

البلورات السائلة هي حالة من حالات المادة ولكن قد يكون هذا التعبير (البلورات السائلة) غريبا نوعا ما عند الذين يعرفون ان الماده تتواجد في ثلاث حالات فقط  (صلب سائل غاز)

فكيف يتبلور السائل؟
البلورات السائلة هي مواد لها مظهر السائل ولكن جزيئاتها تكون مرتبة في مستويات معينة مثل البلورات , وقد يكون الوصف المناسب لها هو حدوث تحول في الماده  واعادة ترتيب الجزيئات في نفس الحالة.

ان العديد من المواد يمكنها التواجد في أكثر من حالة  من حالات المادة مثال ذلك الماء فهو  يوجد في الحالة الصلبة (ثلج) أو السائلة او الغازية (بخار ماء)
هذه الحالات الثلاث تعتمد على درجة  حرارة الماء  فتحت درجة الصفر المئوي يتواجد الماء في الحالة الصلبة  وأذا تم رفع درجة الحرارة اعلى من الصفر فأن الثلج  يبدأ بالذوبان ويتحول الي ماء سائل وبأرتفاع درجة الحرارة فوق 100 درجة مئوية  فإن الماء السائل سوف يتبخر كليا.

ولكن هناك بعض المواد تستطيع التواجد في حالات  اخرى بالاظافة الي الحالات السابقة (صلب , سائل , غاز) مثال ذلك
ميرستات الكوليسترول  cholesterol myristate) ‎) ‏(وهو أحد مشتقات الكولسترول) هذا المركب صلب متبلور تحت71C⁰ وعندما يتم رفع درجة حرارة هذا الصلب الي 71C⁰ يتحول الي سائل عكر أو غائم  acoludy liquid ‎‏ وعندما يسخن هذا الأخير الي 86C⁰ يبدأ بالتحول الي سائل رائق clear liquid ‎‏ ‏

اذا فميرستات الكوليسترول يتحول من الحالة الصلبة الي حالة وسطية The intermedite state ‎‏ عند 71C⁰ وهو السائل العكر ومن الحالة الوسطية الي الحالة السائلة  عند 86C⁰ . ولأن  الحالة الوسطية تتواجد بين الحالة الصلبة المتبلورة والحالة السائلة لذا فإنها تدعى بالحالة السائلة البلورية liquid crystal state
كذلك فإن البلورة السائلة تمتلك ترتيب معين للجزيئات في هذه الحاله(غالبا ماتكون على شكل مستطيل بشكل قضيب)

يوضح الشكل التالي  الحالة الصلبة المتبلوره والذي تكون فية الجزيئات منتظمة وتشكل نماذج تتكرر في كل اتجاة هذه الجزيئات تكون ممسوكة في مواقع محددة ثابتة بواسطة قوى  الترابط بين الجزيئات Intermolecular forces ‎‏

وعند رفع درجة حرارة المادة تبدء  الجزيئات بالاهتزاز  وتزداد هذه الاهتزازات وفي النهايه تتغلب  على القوى التي تمسك الجزيئات في أماكنها وتبدأ الجزيئات في الحركة.

 وفي الحالة السائلة تتغلب هذه الحركة على قوى التداخل بين  الجزيئات  التي  تبقي او تحافظ على الحالة السائلة مما يؤدي الي تحرك الجزيئات الي مواقع عشوائية ولا تأخذ نموذج او نمط محدد في المكان او الاتجاة وهذا مايوضحه الشكل 2

اما المواد التي تكون البلورات السائلة تكون فيها قوى التداخل بين الجزيئات في الصلب البلوري ليست متساوية في كل الاتجاهات ففي بعض الاتجاهات تكون القوى أضعف مقارنة باتجاهات اخرى , ومثل كل المواد فإن تسخينها يزيد حركة الجزيئات Molecular motion ‎‏ ويبدا التغلب على القوى الاضعف اولا , ولكن  الجزيئات تبقى مرتبطة بقوى قوية هذا ينتج عنه ترتيب الجزيئات عشوائيا في نفس الاتجاه وبإنتظام ويوضح الشكل (3) ترتيب الجزيئات ذات النوع الواحد في البلورات السائلة.

حيث تبقى الجزيئات في شكل  طبقات لكن  ترتيب هذة الجزيئات خلال كل طبقة يكون في اماكن عشوائيا  

بالرغم من ذلك يكون هناك تشابه كبير  او قليل  بين الطبقة والاخرى كما أن الجزيئات  خلال هذه الطبقات تستطيع الانزلاق على بعضها البعض , كذلك تستطيع ايضا الطبقات ان تنزلق الواحده على الاخرى . تحرك هذه الجزيئات ينتج خاصية المرونة أو الميوعة للسائل The fluidity charactaristic of a liquid 

هناك العديد من انواع البلورات السائله والتي تختلف باختلاف  ترتيب جزيئاتها والعديد منها ذات أهمية تكنلوجية واكثرها اهمية هي التي تمتلك الترتيب  الذي يوضحه الشكل التالي  وتعرف البلورات السائلة في هذا الترتيب بـ (Twistic nematic liquid crystal ‎‏ )‏ البلورات السائلة ذات النوع الدوار الملتوي وتختصر ب TN ‎‏ 

وفيه الطبقات تستمر على المحاور الطولانية للجزيئات كما ان  المحاور الطولانيه تدور بزاوية صغيره من الطبقه الي التي تليها. هذا النوع من البلورات السائلة (TN) اُستخدم في صناعة حساسات درجة الحرارة التي يتغير لونها بتغير درجة الحرارة كما تعتبر من الانواع الشائعة التي تستخدم في شاشات البلورات السائلة ‎ LCD والتي تعرف بعارضات البلورات السائلة The liquid crystal displaysLCDs  والتي تتواجد في الآلات الحاسبة والساعات

وكلا من هذه التطبيقات  تعتمد على الطريقة التي  تتفاعل معها  البلورات السائلة مع الضؤ .

تطبيقات عارضات شاشات البلورات السائلة  

في البدايه استخدمت ‏ ‏LCD‎'‎s‏ في تصنيع شاشات  الآلات الحاسبة والساعات الرقميه  التي كانت  تحتوي على مجموعة قليله من البكسلات ذات الابيض والاسود اما في الوقت الحاضر  ومع التفدم في العلم والتكنلوجيا اصبحت  تستخدم في العديد من التطبيقات مثل شاشات العرض المسطحة  لأجهزة الكمبيوتر المحمولة والمكتبية  وكذلك شاشات التلفاز  والهواتف المحمولة واجهزة العرض 
وتوضح الصورة ادناه بعض الأمثلة على الاجهزة التي تستخدم تقنية  LCD‎'‎s‏

فكرة استخدام البلورات السائلة كحساسات لدرجة الحرارة

عندما يصطدم الضؤ على البلورات السائلة  ذات النوع الدوار الملتوي  فإن جزء منه ينعكس  وهو ذلك الجزء من الضوء الذي يكون طو لة الموجي مساويا للمسافة بين الطبقات  ذات التوجيه المتشابة  لذا فإن انعكاس الضؤ  سوف يظهر لون . 
وعند تغير درجة الحرارة  يتسبب ذلك في تغير  المسافة بين  طبقات  السائل البلوري هذا التغير  في المسافات  يغير الطول الموجي للضوء المنعكس  ويظهر لون آخر ، وطبقا لذلك  فإن لون الضؤ المنعكس  يكون دليل  على درجة حرارة السائل البلوري .

المواد المختلفة التي تكون البلورات السائلة ذات النوع الدوار الملتوي تمتلك كلا منها  مدى مختلف لدرجة الحرارة  ، لذا فإنه يمكن تغطية مدى واسع لدرجة الحرارة بإستخدام مواد عديده منها .  

فكرة عمل شاشات أو عارضات البلورات السائلة  liquid crystal displays‎

يرجع استخدام البلورات السائلة في تصنيع شاشات العرض الي قدرتها عل استقطاب الضوء وتدوير الضوء المستقطب

وهناك اربعة حقائق يجب ان تتوفر لانتاج شاشات عرض من البلورات السائلة.

• الحقيقة الأولى ظاهرة استقطاب الضوء.
• الحقيقة الثانية ان البلورات السائلة تسمح بمرور الضوء وتغير من استقطابه.
• الحقيقة الثالثة طبيعة تركيب البلورات السائلة تتغير بتغير التيار الكهربي.
• 
  

  • لحقيقة الرابعة وجود مواد شفافة موصلة للكهرباء.

    

  شرح مبسط على ظاهرة استقطاب الضوء اضغط على الزر

شاشات البلورات السائلة LCD هي عبارة عن أداة تستخدم الحقائق الاربعة السابقة لتظهر الصورة!

 لتصنيع شاشة عرض من البلورات السائلة نستخدم لوحين من الزجاج المستقطب للضوء وهو عبارة عن مواد من البوليمر تحتوي على شرائح ميكروسكوبية (لا ترى بالعين المجردة) تغطي احد سطحي لوح الزجاج الذي لا يحتوي على شريحة الاستقطاب.  يتم ضبط الشرائح الميكروسكوبية لتكون في نفس اتجاه الاستقطاب الشريحة المثبتة على السطح المقابل.  تتم بعد ذلك اضافة طبقة رقيقة من البلورات السائلة ذات الطور الدوار.  تعمل طبقة الشرائح الميكروسكوبية على توجيه البلورات السائلة لتصطف في اتجاه تلك الشرائح.  يتم وضع الطبقة الأخرى من الزجاج ولكن مع التأكد ان شريحة الاستقطاب عمودية على اتجاه استقطاب الشريحة الأولي.  تترتب الطبقات المتعاقبة من البلورات السائلة ذات الطور الدوار الملتوي بعضها فوق بعض من بدوران تدريجي يصل إلى 90 درجة بالنسبة لترتيب الطلقة الأولى.

عندما يسقط الضوء على الشريحة الزجاجية الأولي فإنها تعمل على استقطاب الضوء، ومن ثم تعمل جزيئات البلورات السائلة في كل طبقة على توجيه الضوء إلى الطبقة التي تليها مع تغير مستوى استقطاب الضوء. وعندما يصل الضوء للطبقة الأخيرة من طبقات البلورات السائلة فإنه يكون مستقطب في نفس اتجاء جزيئات تلك الطبقة وبالتالي ينفذ الضوء منها.

عند تطبيق مجال كهربي على جزيئات البلورات السائلة فإنها لا تلتوي وبالتالي فإن الضوء لا يمكن ان ينفذ من الجهة الأخرى. 

• Light Waves شعاع ضوئي.
• Polarized Panels طبقة الزجاج المغطي بشريحة رقيقة من مواد مستقطبة للضوء.
• Electrods طبقة رقيقة من مادة شفافة موصلة للتيار الكهربي.
• Liquid Crystals طبقات جزيئات البلورات السائلة.

 الزر على اليسار يعمل على تطبيق مجال كهربي على البلورات السائلة، ففي حالة وجود مجال كهربي لايخرج الضوء ولكن عند فصل المجال الكهربي ينفذ الضوء

بعد ان فهمنا الفكرة الفيزيائية لعلم  شاشات العرض التي تعتمد على البلورات السائلة والتي تتلخص في تمرير الضوء وحجبه عن طريق التحكم في ترتيب البلورات السائلة من خلال مجال كهربي.  اذا كيف يمكن ان نصنع شاشة بلورات سائلة.

نبدأ بتوفير شريحتين متقابلتين من الزجاج بينهما طبقة من البلورات السائلة ويضاف إليهما طبقتين من مادة شفافة موصلة للكهرباء electrodes.  وتكون ترتيب الطبقات كما هو موضح في الشكل التالي:

الطبقة A  عبارة عن القاعدة او الطبقة الخلفية وهي مرآة عاكسة لضوء.

الطبقة B عبارة عن طبقة من الزجاج عليه طبقة رقيقة تعمل على استقطاب الضوء.

الطبقة C عبارة عن طبقة شفافة موصلة من مادة indium-tin oxide لتوصيل التيار الكهربي.

الطبقة D عبارة عن طبفة البلورات السائلة وتكون فوق الطبقة الموصلة تماماً.

الطبفة E طبقة من الزجاج وعليه ايضا طبقة رقيقة من مادة مستقطبة للضوء ولكن في اتجاه عمودي على محور استقطاب الطبقة الأولى.

يوصل الالكترود بمصدر تيار كهربي مثل بطارية وعندما لا يمر تيار فإن الضوء يعبر من الطبقة الاول لشاشة البلورات السائلة سيصل إلى المرآة وينعكس عنها.  ولكن عندما يمر التيار الكهربي من خلال الالكترود فإن البلورات السائلة الموجودة بين الالكترود والجهة المقابلة لها والتي تشكل مستطيل ستمنع الضوء من الوصول الى المرآة مما يظهر منطقة معتمة على شاشة العرض.

 لاحظ أن شاشة البلورات السائلة LCD تتطلب مصدر ضوء خارجي.  حيث أن مادة البلورات السائلة لاتصدر الضوء بنفسها.  الشاشات الصغير في الأغلب تكون عاكسة بمعنى انها تعرض الصورة من خلال انعكاس ضوء من مصدر خارجي.  فمثلا لو نظرنا إلى شاشة بلورات سائلة في ساعة اليد الرقمية فإن الأرقام تظهر عندما يمر تيار كهربي من خلال الإلكترود إلى مجموعة معينة من البلورات السائلة فتلتف لتعمل على حجب الضوء فتظهر منطقة معتمة تعطينا صورة الرقم كما في الشكل الموضح أدناه.

أما في شاشات الكمبيوتر المحمول أو الشاشات الحديثة من نوع الـ LCD فإنها تستخدم مصابيح فلوريسنت فوقها أو على الجوانب أو في خلف الشاشة نفسها.  وتعمل لوحة تشتيت للضوء مثبتة خلف شاشة البلورات السائلة لضمان توزيع منتظم لشدة الضوء على مساحة شاشة العرض.  وحيث أن الطبقات التي تأتي فوق المصدر الضوئي هي عبارة عن شاشة البلورات السائلة بما تحتويه من طبقات مختلفة مثل طبقة الالكترود وطبقة البلورات السائلة نفسها وغيرها يعمل على امتصاص كمية كبيرة من ضوء المصدر الضوئي قد تصل إلى 50%!

ان المواد التي تشكل  تركيب  البلورات السائلة شائعة فتقريبا حوالي0.5% من مركبات الكربون المعروفة تمتلك الحالة السائلة البلورية . لاسيما تلك التراكيب الشائعة في الأعضاء الحية  فجدران الخلايا تتركب من جزيئات ترتيبها مشابهه لترتيب  جزيئات البلورات.

المصادر :
http://scifun.chem.wisc.edu/chemweek/pdf/liquid_crystals.pdf
http://lcp.elis.ugent.be/tutorials/lc/lc3
http://www.hazemsakeek.com/QandA/LCD/LiquidCrystals.htm

http://barrett-group.mcgill.ca/tutorials/liquid_crystal/LC02.htm