miniatura|300x300px|Textură de Schlieren a fazei nematice a unui cristal lichid Cristalele lichide (LCs) sunt o materie aflată într-o stare de agregare în care are proprietăți între cele ale lichidelor convenționale și cele ale cristalelor solide. De exemplu, un cristal lichid poate curge ca un lichid, dar moleculele pot fi orientate pe o anume direcție, ca într-un cristal. Există mai multe tipuri diferite de faze de cristal lichid, care pot fi distinse prin diferite proprietăți optice (cum ar fi birefringența). Atunci când este privit sub un microscop, folosind o sursă de lumină polarizată, diferitele faze ale cristalului lichid vor părea să aibă distincte. Zonele contrastante din texturi corespund cu domeniile în care moleculele de cristal lichid sunt orientate în direcții diferite. În interiorul unui domeniu, moleculele sunt însă bine ordonate. Materialele ce pot avea stări de cristal lichid pot să nu fie întotdeauna într-o fază de cristal lichid (la fel cum apa se poate transforma în gheață sau abur).
Cristalele lichide pot fi împărțite în faze , și metalotropice. Cristalele lichide termotrope și liotropice sunt formate în mare parte din molecule organice, deși sunt cunoscute și câteva minerale. Cristalele lichide termotrope prezintă o transformare de fază în faza de cristal lichid, la schimbarea temperaturii. Cele liotropice prezintă transformări de fază în funcție de temperatură și concentrația de molecule de cristal lichid într-un solvent (de obicei apa). Cele metalotropice sunt compuse din molecule organice și anorganice; transformarea lor către faza de cristal lichid depinde nu numai de temperatură și concentrație, ci și de raportul de compoziție între moleculele anorganice și cele organice.
Exemple de cristale lichide pot fi găsite atât în lumea naturală, cât și în aplicații tehnologice. Majoritatea contemporane folosesc cristale lichide. Fazele liotropice sunt abundente în sistemele vii, dar pot fi găsite și în lumea minerală. De exemplu, multe proteine și membrane celulare sunt cristale lichide. Alte exemple bine-cunoscute de cristale lichide sunt soluțiile de săpun și de diverși detergenți, precum și virusul mozaicului tutunului, și unele argile.
Istorie În 1888, fiziologul botanist austriac Friedrich Reinitzer, care lucra la Karl-Ferdinands-Universität, a examinat proprietățile fizico-chimice ale diferitelor derivate de colesterol, care acum fac parte din clasa materialelor cunoscute sub numele de cristale lichide colesterice. Anterior, alți cercetători au observat efecte distincte de culoare, atunci când se răcesc derivatele de colesterol până aproape de punctul de congelare, dar nu le asociaseră cu un fenomen nou. Reinitzer a înțeles că modificările de culoare din nu sunt cele mai neobișnuită trăsătură. miniatura|250x250px|Structura chimică a moleculei de El a constatat că benzoatul de colesteril nu se topește în același mod ca și alți compuși, ci are două puncte de topire. La 145.5 °C se topește într-un lichid tulbure, și la 178.5 °C se topește din nou și lichidul tulbure devine limpede. Fenomenul este reversibil. Căutând ajutorul unui fizician, pe 14 martie 1888, el i-a scris lui , la acel moment la Aachen. Au făcut schimb de scrisori și de probe. Lehmann a examinat lichidul tulbure intermediar și a văzut . Colegul vienez al lui Reinitzer, von Zepharovich, a indicat și el că lichidul intermediar este cristalin. Schimbul de scrisori cu Lehmann s-a încheiat pe 24 aprilie, multe întrebări rămânând fără răspuns. Reinitzer și-a prezentat rezultatele, creditându-i pe Lehmann și von Zepharovich, la o reuniune a Societății de Chimie din Viena la 3 mai 1888.
Până în acel moment, Reinitzer descoperise și descrisese și alte trei caracteristici importante ale cristalelor lichide colesterice (nume inventat de Otto Lehmann în 1904): existența a două puncte de topire, reflectarea , și capacitatea de a roti direcția de polarizare a luminii.
După descoperirea accidentală, Reinitzer nu a mai urmărit studierea cristalelor lichide. Cercetarea a fost continuată de Lehmann, care a realizat că a întâlnit un fenomen nou și că este în postura de a-l investiga: în anii postdoctorali, el dobândise expertiză în cristalografie și microscopie. Lehmann a început un studiu sistematic, mai întâi asupra benzoatului de colesteril, și apoi asupra unor compuși înrudiți care prezentau fenomenul de dublă topire. El a reușit să facă observații în lumină polarizată, și microscopul lui era echipat cu etapă fierbinte (susținător de eșantion echipat cu încălzitor) pentru a-i permite observații la temperaturi ridicate. Faza tulbure intermediară susținea în mod cert curgerea, dar alte caracteristici, cum ar fi signatura sub microscop, l-a convins pe Lehmann că are de a face cu un solid. Până la sfârșitul lunii august 1889, el și-a publicat rezultatele în . thumb|upright|Otto Lehmann Munca lui Lehmann a fost continuată și extinsă în mod semnificativ de către chimistul german , care, de la începutul secolului al XX-lea și până la pensionarea sa în anul 1935, a sintetizat cele mai multe dintre cristalele lichide cunoscute. Cu toate acestea, cristalele lichide nu erau populare în rândul oamenilor de știință și materialul a rămas o curiozitate științifică timp de aproximativ 80 de ani.
După al Doilea Război Mondial, lucrul la sinteza de cristale lichide a fost reluat la laboratoarele universitare de cercetare din Europa. , un cercetător important în domeniul cristalelor lichide, a început investigarea acestor materiale în Anglia la sfârșitul anilor 1940. Grupul lui a sintetizat multe materiale noi, care prezentau starea lichid-cristalină și a dezvoltat o mai bună înțelegere a modului de a proiecta molecule care prezintă această stare. Cartea sa Structura moleculară și proprietățile cristalelor lichideGray, G. W. (1962) Molecular Structure and the Properties of Liquid Crystals, Academic Press a devenit manual în acest subiect. Unul dintre primii chimiști americani care a studiat cristalele lichide a fost Glenn H. Brown, începând din anul 1953, la Universitatea din Cincinnati și mai târziu, la . În 1965, el a organizat prima conferință internațională pe tema cristalelor lichide, la Kent, Ohio, la care au participat circa 100 de cercetători de top ai cristalelor lichide. Această conferință a marcat începutul unui efort la nivel mondial pentru a efectua cercetări în acest domeniu, care în curând a condus la dezvoltarea de aplicații practice pentru aceste materiale unice.Liquid Crystals . kfupm.edu.sa
Cristalele lichide au devenit subiect de cercetare în dezvoltarea afișajelor electronice plate începând cu anul 1962, la RCA Laboratories. Când chimistul-fizician Richard Williams a aplicat un câmp electric unui strat subțire de cristal lichid nematic la 125 °C, el a observat formarea unui model regulat pe care el l-a numit „domeniu” (astăzi denumit „domeniu Williams”). Aceasta l-a condus pe colegul său, să efectueze cercetări în vederea dezvoltării unui panou de afișaj plat cu cristale lichide pentru a înlocui tuburile catodice vidate utilizate în televizoare. Dar pe care îl foloseau Williams și Heilmeier prezenta stare de cristal lichid nematic numai la peste 116 °C, ceea ce făcea imposibilă utilizarea sa într-un sistem de afișare comercial. Era nevoie de un material care putea funcționa la temperatura camerei.
În 1966, Joel E. Goldmacher și Joseph A. Castellano, cercetători chimiști în grupul Heilmeier de la RCA, a descoperit că amestecurile realizate exclusiv din compuși nematici care diferă doar în numărul de atomi de carbon în partea terminală a lanțurilor ar putea produce cristale lichide nematice la temperatura camerei. Un amestec ternar de compuși de bază Schiff a avut ca rezultat un material care avea o gamă nematică de 22-105 °C.Goldmacher, Joel E. and Castellano, Joseph A. “Electro-optical Compositions and Devices,” , emis la data de 17 noiembrie 1970. Funcționarea la temperatura camerei a permis producția primului dispozitiv practic de afișare cu cristale lichide. Echipa a început apoi să pregătească numeroase amestecuri de compuși nematici, dintre care mulți aveau puncte de topire mult mai mici. Aceasta tehnică de amestecare a compușilor nematici pentru a obține o gamă largă de a devenit în cele din urmă standard în industrie și este folosită până astăzi pentru a adapta materialele pentru a satisface anumite aplicații. thumb|Structura chimică a moleculei de În 1969, Hans Kelker reușit să sintetizeze o substanță care are fază nematică la temperatura camerei, , una dintre cele mai populare subiecte de cercetare a cristalelor lichide. Pasul următor către comercializarea afișajelor cu cristale lichide a fost sinteza unor substanțe chimice stabile (cianobifenili) cu temperaturi de topire scăzute, de către . Munca sa împreună cu Ken Harrison și UK MOD (), în 1973, a condus la proiectarea de noi materiale și la adoptarea rapidă a LCD-urilor cu suprafață mică în produsele electronice.
Aceste molecule sunt în formă de tijă, unele create în laborator și unele apărute spontan în natură. De atunci, au fost descoperite două noi tipuri de molecule LC, ambele artificiale: în formă de disc (create de grupul lui S. Chandrasekhar în India, 1977) și cele în formă de castron (inventate de Lui LamLin, Lei (Lam, Lui) (1982). "Liquid crystal phases and the 'dimensionality' of molecules". Wuli (Physics) 11, 171-178. în China, 1982, și sintetizate în Europa trei ani mai târziu).
În 1991, când afișajele cu cristale lichide erau deja bine stabilite, Pierre-Gilles de Gennes, care lucra la Universitatea Paris-Sud, a primit Premiul Nobel pentru Fizică „pentru descoperirea faptului că metodele dezvoltate pentru a studia fenomene în sisteme simple pot fi generalizate la forme mai complexe de materie, în special cu cristale lichide și polimeri”.
Designul materialelor lichid-cristaline Se cunosc un număr mare de compuși chimici care prezintă una sau mai multe faze de cristal lichid. În ciuda diferențelor semnificative de compoziție chimică, aceste molecule au unele caracteristici comune în proprietăți fizice și chimice. Există trei tipuri de cristale lichide termotrope: discotice, calamitice și cele în formă de castron. Discoticele sunt molecule în formă de disc plat formate dintr-un miez de inele aromatice adiacente; cele în formă de castron au o formă tridimensională .Lam, Lui (1994). "Bowlics". Liquid Crystalline and Mesomorphic Polymers, eds. Valery P. Shibaev and Lui Lam. New York: Springer.Lin, Lei (Lam, Lui) (1987). "Bowlic liquid crytals". Mol. Cryst. Liq. Cryst 146: 41-54. Acest lucru permite o ordonare bidimensională pe coloane, atât pentru cele discotice cât și pentru cele în formă de castron. Moleculele calamitice (în formă de tijă) au o geometrie alungită, anizotropă, care permite de-a lungul unei direcții spațiale.
Forma moleculară ar trebui să fie relativ subțire, plată sau de castron, mai ales în cadre moleculare rigide. Lungimea moleculară trebuie să fie de cel puțin 1,3 nm, în concordanță cu prezența grupurilor alchil lungi pe multe cristale lichide la temperatura camerei. Structura nu ar trebui să fie ramificată sau unghiulară, cu excepția moleculelor în formă de castron. Un punct de topire scăzut este de preferat pentru a evita fazele lichid-cristaline metastabile, monotrope. Comportamentul mezomorfic la temperaturi scăzute este de obicei mai util din punct de vedere tehnologic, și grupurile terminale alchi promovează acest lucru.
O formă extinsă, rigidă din punct de vedere structural, extrem de anizotropă pare a fi principalul criteriu pentru comportamentul cristalelor lichide, și, ca rezultat, multe materiale lichid-cristaline sunt bazate pe inele de benzen.
Fazele de cristal lichid