Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

7.9: Аналіз рідкокристалічних фаз за допомогою поляризованої оптичної мікроскопії

  • Page ID
    18523
  • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Рідкокристалічні фази

    Рідкі кристали - це стан речовини, яке має властивості між твердим кристалом і загальною рідиною. В основному існує три різних типи рідкокристалічних фаз:

    • Термотропні рідкокристалічні фази залежать від температури.
    • Ліотропні рідкокристалічні фази залежать від температури і концентрації ЛК в розчиннику.
    • Металотропні ЖК складаються з органічних і неорганічних молекул, і фазовий перехід залежить не тільки від температури і концентрації, але і залежить від співвідношення між органічними і неорганічними молекулами.

    Найбільш широко використовуваними є термотропні ЖК, які можна розділити на п'ять категорій:

    • Нематична фаза, в якій молекули у формі стрижня не мають позиційного порядку, але вони самостійно вирівнюються, щоб мати далекий порядок спрямованості з їх довгими осями приблизно паралельними (Рисунок\(\PageIndex{1}\) а).
    • Смактічна фаза, де молекули позиційно впорядковані вздовж одного напрямку в чітко визначених шарах, орієнтованих або уздовж шару нормального (смектичного А), або нахилених від шару нормального (смектичного С), див.\(\PageIndex{1}\) Рис.
    • Хіральна фаза, яка демонструє скручування молекул перпендикулярно директору, з молекулярною віссю паралельною директору Малюнок\(\PageIndex{1}\) c.
    • Блакитна фаза має правильну тривимірну кубічну структуру дефектів з періодами решітки в кілька сотень нанометрів, і таким чином вони проявляють селективні відбиття Брегга в діапазоні довжин хвиль світла Малюнок\(\PageIndex{2}\).
    • Дискотична фаза, в якій дископодібні молекули LC можуть зорієнтуватися пошарово\(\PageIndex{3}\). Малюнок.
    Рисунок\(\PageIndex{1}\) Схематичні зображення (а) нематичної LC фази, (b) smactic LC фаз, орієнтованих уздовж (ліворуч) і далеко (праворуч) від нормального шару, і (в) хіральної LC фази.
    \(\PageIndex{2}\)Рисунок Схематичне зображення впорядкованої структури синьої LC-фази.
    Рисунок\(\PageIndex{3}\) Схематичні зображення (а) дискотичної нематичної LC фази і (б) дискотичної стовпчастої LC фази.

    Термотропні ЖК дуже чутливі до температури. Якщо температура занадто висока, тепловий рух зруйнує впорядкування ЖК і штовхає його в рідку фазу. Якщо температура занадто низька, тепловий рух важко виконати, тому матеріал стане кристалічною фазою.

    Існування рідкокристалічної фази можна виявити за допомогою поляризованої оптичної мікроскопії, оскільки рідкокристалічна фаза проявляє свою унікальну текстуру під час мікроскопії. Контрастні ділянки в текстурі відповідають доменам, де LC орієнтовані на різні боки.

    Поляризована оптична мікроскопія

    Поляризована оптична мікроскопія зазвичай використовується для виявлення існування рідкокристалічних фаз у розчині. Принцип цього відповідає поляризації світла. Поляризатор - це фільтр, який дозволяє лише світлу, орієнтованому в певному напрямку, з його поляризаційним напрямком проходити. У поляризаційному оптичному мікроскопі (POM) (рис\(\PageIndex{4}\).) Є два поляризатори, і вони призначені для орієнтації під прямим кутом один до одного, що називається перехресним полярним. Фундаментальне перехресного полярного показано на малюнку\(\PageIndex{5}\), поляризаційний напрямок першого поляризатора орієнтований вертикально на падаючий промінь, тому через нього можуть проходити лише хвилі з вертикальним напрямком. Пройдена хвиля згодом блокується другим поляризатором, так як цей поляризатор орієнтований горизонтально на падаючу хвилю.

    Малюнок\(\PageIndex{4}\) Основна конфігурація поляризованого оптичного мікроскопа. Правове право: Корпорація Nikon.
    Малюнок\(\PageIndex{5}\) А схематичне зображення поляризації світлових хвиль. Правове право: Корпорація Nikon.

    Теорія дволучезаломлення

    Дволучепреломляющий або подвійно-заломлюючий зразок має унікальну властивість, що він може виробляти дві окремі хвильові компоненти, поки одна хвиля проходить через нього, ці два компоненти називаються звичайними та надзвичайними хвилями. Малюнок\(\PageIndex{6}\) є ілюстрацією типової конструкції поляризаційної призми Нікола, як ми бачимо, неполяризоване біле світло розділяється на два промені, коли він проходить через призму. Один виходить з призми називається звичайним променем, а інший називається надзвичайним променем. Отже, якщо у нас є дволучепреломляючий зразок, розташований між поляризатором та аналізатором, початкове світло буде розділено на дві хвилі, коли він проходить через зразок. Після виходу зі зразка світлові компоненти стають поза фазою, але рекомбінуються з конструктивними та руйнівними перешкодами, коли вони проходять через аналізатор. Тепер комбінована хвиля матиме еліптично або кругово поляризовану світлову хвилю\(\PageIndex{7}\), див. Рисунок, контраст зображення виникає внаслідок взаємодії плоско-поляризованого світла з дволучепреломляющим зразком, тому деяка кількість хвилі пройде через аналізатор і дасть яскравий домен на зразку.

    \(\PageIndex{6}\)Малюнок Схематичне зображення поляризуючої призми Нікола. Правове право: Корпорація Nikon.
    Малюнок\(\PageIndex{7}\) А схематичне зображення еліптично і кругово поляризованих світлових хвиль. Правове право: Корпорація Nikon.

    Рідкокристалічний дисплей

    Найбільш поширене застосування ЖК - в рідкокристалічних дисплеях (LCD). Малюнок\(\PageIndex{8}\) являє собою просту демонстрацію того, як РК-дисплей працює в цифрових калькуляторах. У цій системі є два схрещених поляризаторів, і рідкокристалічний (холестеричний спіральний малюнок) сендвіч з позитивним і негативним зарядом розташований між цими двома поляризаторами. При заряді рідкого кристала хвилі можуть проходити, не змінюючи орієнтацій. Коли рідкий кристал не заряджений, хвилі будуть обертатися на 90°, коли він проходить через LC, щоб він міг пройти через другий поляризатор. У РК-дисплеї є сім окремо заряджених електродів, тому РК-дисплей може виставляти різні цифри від 0 до 9, регулюючи електроди. Наприклад, коли верхній правий і нижній лівий електроди заряджені, ми можемо отримати 2 на дисплеї.

    Малюнок\(\PageIndex{8}\) Демонстрація семисегментного рідкокристалічного дисплея. Правове право: Корпорація Nikon.

    Мікроскоп зображення рідкокристалічної фази

    Пластина затримки першого порядку часто використовується для визначення оптичного ознаки зразка двопроменезаломлення в поляризованій світловій мікроскопії. Оптичний знак включає позитивний і негативний. Якщо звичайний хвильовий фронт швидше позачергового хвильового фронту (див.\(\PageIndex{9}\) Рис. Коли додається пластина затримки першого порядку, структура клітини стає очевидною порівняно з тією, яка не має пластини затримки, Рисунок\(\PageIndex{9}\) b).

    Малюнок\(\PageIndex{9}\) Мікроскоп зображення тонкої ділянки людського мови, (а) без затримки першого порядку пластини і (б) з затримкою першого порядку пластини. Правове регулювання: Олімп.

    Зображення рідкокристалічних фаз

    \(\PageIndex{10}\)На малюнку показані зображення рідкокристалічних фаз з різних зразків. У всіх цих зображеннях використовуються пластини затримки першого порядку. Тут на зображенні виявляються явні контрасти, що відповідає існуванню рідкокристалічної фази всередині зразка.

    Малюнок\(\PageIndex{10}\) Мікроскоп зображення в поляризованому світлі з пластини першого порядку затримки, вставленої між зразком і аналізатором: (а) поліетиленгліколь, (б) полікарбонат і (в) рідкокристалічна ДНК. Авторські права від Nikon.

    Ефект обертання поляризатора

    Проаналізовано вплив кута між горизонтальним напрямком та віссю пропускання поляризатора на появу рідкокристалічної фази. На малюнку\(\PageIndex{11}\) показані зображення зразка аскорбінової кислоти (рис.\(\PageIndex{12}\)) в перехресному полярному режимі. Коли поляризатор обертається від 0° до 90°, через зміну напрямків вібрації хвиль з'являються великі варіації форми яскравих доменів і доменних кольорів. Обертаючи поляризатор, ми можемо мати всебічне розуміння загальної текстури.

    Малюнок\(\PageIndex{11}\) Крос-поляризований Мікроскоп зображення зразка аскорбінової кислоти з обертанням поляризатора (a) 0°, (b) 45°, і (c) 90°. Правове право: Корпорація Nikon.
    \(\PageIndex{12}\)Малюнок Будова аскорбінової кислоти.