Υγρός κρύσταλλος

Οι υγροί κρύσταλλοι (αγγλικά: liquid crystals‎‎, ΥΚ) είναι μεσοφάσεις μεταξύ κρυσταλλικών στερεών και ισοτροπικών υγρών. Εμφανίζονται σε συστήματα μορίων τα οποία παρουσιάζουν ασυμμετρία. Αυτή η ασυμμετρία αναφέρεται είτε στο σχήμα τους είτε στην κατευθυντικότητα την οποία εμφανίζουν όσον αφορά τις διαμοριακές αλληλεπιδράσεις στις οποίες συμμετέχουν. Ασυμμετρία ως προς το σχήμα εμφανίζουν για παράδειγμα ραβδόμορφα (rod-like) ή δισκόμορφα (disc-like) μόρια. Ο λόγος μεταξύ του μήκους προς τη διάμετρο και ο λόγος μεταξύ της διαμέτρου και του πάχους αντίστοιχα είναι περίπου ίσος με 5 ή μεγαλύτερος.

Οι υγροί κρύσταλλοι είναι υλικά που έχουν τις ιδιότητες και τα χαρακτηριστικά και των υγρών και των κρυσταλλικών στερεών. Για πολλά υγροκρυσταλλικά υλικά οι υγροκρυσταλλικές φάσεις, αποκαλούμενες επίσης και ως μεσοφάσεις, εμφανίζονται σε μια σειρά θερμοκρασιών μεταξύ αυτών, θερμοκρασίες στις οποίες τα υλικά είναι κανονικά υγρά και στερεοί κρύσταλλοι. Για άλλα υγροκρυσταλλικά υλικά, είναι κυρίως οι συγκεντρώσεις διαφορετικών συστατικών που καθορίζουν τις φάσεις. Πολλά διαλύματα ή καθαρές ενώσεις διαμορφώνουν διάφορες ευδιάκριτες φάσεις σε διαφορετικές θερμοκρασίες ή συγκεντρώσεις. Αρκετές χιλιάδες ενώσεις έχουν υγροκρυσταλλικές φάσεις. Πολλά βιολογικά υλικά, όπως οι μεμβράνες κυττάρων, επιδεικνύουν επίσης υγροκρυσταλλική συμπεριφορά. Δεδομένου ότι οι υγροί κρύσταλλοι έχουν και τη δυνατότητα να ρέουν αλλά και την ανισοτροπία των κρυστάλλων, επιδεικνύουν πολλές ιδιότητες μεγάλου ενδιαφέροντος και, συχνά, πρακτικής σπουδαιότητας .

Οι υγροί κρύσταλλοι είναι επομένως ρευστά τα οποία παρουσιάζουν ανισοτροπία κατ’ επέκταση και στις φυσικές ιδιότητες τους ενώ εμφανίζουν αταξία από άποψη μοριακής τάξης, τουλάχιστον σε μία από τις τρεις διαστάσεις του χώρου και κάποια τάξη, μοριακών προσανατολισμών ή θέσεων, τουλάχιστον σε μία διεύθυνση.

Η ταξινόμηση των υγρών κρυστάλλων βασίζεται στις ιδιότητες των φάσεων που σχηματίζουν αλλά και στις ιδιότητες των μορίων που τους απαρτίζουν. Έχουμε τις εξής κατηγοριοποιήσεις:

• Ανάλογα με τη θερμοδυναμική παράμετρο (θερμοκρασία ή συγκέντρωση διαλύματος) που μεταβάλλεται για να επιτευχθεί η μετατροπή στην υγροκρυσταλλική κατάσταση, οι υγροί κρύσταλλοι διακρίνονται σε θερμοτροπικούς, λυοτροπικούς και αμφιτροπικούς.

• Ανάλογα με το είδος της μοριακής τάξης που παρουσιάζουν, οι υγροί κρύσταλλοι διακρίνονται σε νηματικούς, σμηκτικούς (Α, Β, C, F, I) και κιονικούς (εξαγωνικοί, ορθογωνικοί, με ή χωρίς τάξη στις στήλες, επικλινείς ή όχι).

• Ανάλογα με την ασυμμετρία των μορίων που τους απαρτίζουν, οι υγροί κρύσταλλοι διακρίνονται σε καλαμιτικούς, δισκοτικούς, τύπου μπανάνας, πυραμιδικούς, σανιδικούς κλπ.

• Ανάλογα με την ύπαρξη και το είδος χημικής σύνδεσης μεταξύ των μοριακών τμημάτων που δημιουργούν την υγροκρυσταλλική τάξη, γίνεται διάκριση σε μονομερικούς υγρούς κρυστάλλους (ή απλούς ΥΚ, ή και ΥΚ, χωρίς άλλο προσδιορισμό), ολιγομερικούς ΥΚ, πολυμερικούς (κύριας αλυσίδας, πλάγιας υποκατάστασης κλπ), δενδριτικούς κλπ.

Κατηγορίες υγρών κρυστάλλων ανάλογα με τη θερμοδυναμική παράμετρο

Θερμοτροπικοί υγροί κρύσταλλοι

Οι θερμοτροπικοί υγροί κρύσταλλοι είναι οι πιο μελετημένοι και ίσως οι καλύτερα κατανοητοί από όλους τους υγρούς κρυστάλλους. Οι θερμοτροπικοί υγροί κρύσταλλοι είναι αυτοί που χρησιμοποιούνται στις οθόνες υγρών κρυστάλλων (LCDs), στα ρολόγια χεριού, τους υπολογιστές και τις τηλεοράσεις. Οι χολεστερικοί υγροί κρύσταλλοι (υποκατηγορία των θερμοτροπικών υγρών κρυστάλλων) είναι ευαίσθητοι στη θερμοκρασία και χρησιμοποιούνται σε πολύ λεπτά θερμόμετρα και ταινίες που αλλάζουν χρώμα με την αλλαγή της προσδιορίζοντας με τεράστια ακρίβεια την υπάρχουσα θερμοκρασία. Οι περισσότεροι θερμοτροπικοί υγροί κρύσταλλοι διαμορφώνονται από οργανικά μόρια με μορφή όπως μιας ράβδου ή μιας λεπτής σανίδας. Η πλειοψηφία των μορίων που έχουν υγροκρυσταλλικές μεσοφάσεις έχουν επίπεδους και άκαμπτους πυρήνες, που χαρακτηριστικά συμπεριλαμβάνουν δύο ή περισσότερους βενζολικούς δακτυλίους.

Λυοτροπικοί υγροί κρύσταλλοι

Μίγματα δύο ή περισσότερων συστατικών που αλλάζουν φάση με την αλλαγή της συγκέντρωσης καλούνται λυοτροπικά. Αν και οι ενώσεις που διαμορφώνουν τις θερμοτροπικές φάσεις είναι ασυνήθιστες, τα λυοτροπικά μίγματα είναι πολύ γνωστά. Το σαπούνι και το νερό είναι ένα από τα πρωταρχικά παραδείγματα ενός συστήματος δύο συστατικών με λυοτροπικές φάσεις. Τα μίγματα τριών ή περισσότερων συστατικών είναι επίσης γνωστά. Ένα παράδειγμα είναι η χρήση ενός γαλακτωματοποιητή για να αναμιχθεί το λάδι και το νερό ή το ξίδι μιας σάλτσας για σαλάτας. Αν και το νερό είναι ένα πολύ κοινό συστατικό λυοτροπικών υγρών κρυστάλλων, άλλοι διαλύτες μπορούν να χρησιμοποιηθούν το ίδιο καλά. Οι περισσότερες λυοτροπικές φάσεις περιλαμβάνουν τη διάλυση ραβδόμορφων μορίων ή το σύνολο των μορίων σε έναν ισοτροπικό διαλύτη .

Αμφιτροπικοί υγροί κρύσταλλοι

Υπάρχουν και οι λεγόμενοι αμφιτροπικοί υγροί κρύσταλλοι, στους οποίους η επίτευξη της υγροκρυσταλλικής κατάστασης στο διάλυμα μπορεί να γίνει και με τη μεταβολή της θερμοκρασίας και με τη μεταβολή της συγκέντρωσης.

Κατηγορίες υγρών κρυστάλλων ανάλογα με το είδος της μοριακής τάξης

Ισότροπη φάση

Η ισότροπη φάση είναι παρόμοια με αυτή ενός απλού υγρού, δεν υπάρχει δηλαδή καμία συσχέτιση μεταξύ των μορίων όσον αφορά τον προσανατολισμό τους οι τις θέσεις του.

Συμβολική αναπαράσταση νηματικής φάσης

Νηματική φάση

Οι υγροί κρύσταλλοι με τη μεγαλύτερη μοριακή αταξία είναι οι νηματικοί. Στη νηματική φάση (nematic phase) τα μόρια εμφανίζουν τάξη ως προς τον προσανατολισμό τους με ευθυγράμμιση, κατά μέσο όρο, των κύριων μοριακών αξόνων κατά μήκος μίας προεξάρχουσας διεύθυνσης αλλά αταξία ως προς τις θέσεις τους. Η διεύθυνση αυτή ονομάζεται κατευθυντής (n, director). Η απλούστερη περίπτωση νηματικού υγρού κρυστάλλου, στην οποία και υπάγονται σχεδόν όλοι οι γνωστοί νηματικοί υγροί κρύσταλλοι, είναι εκείνη του μονοαξονικού απολικού νηματικού όπου η τάξη στον προσανατολισμό των μορίων έγκειται στη (στατιστική) προτίμηση ευθυγράμμισης του κύριου μοριακού άξονα (π.χ του άξονα μέγιστου μοριακού μήκους αν πρόκειται για ραβδόμορφα μόρια) κατά μήκος μίας προεξάρχουσας διεύθυνσης και επιπλέον όλες οι κάθετες με αυτόν διευθύνσεις θεωρούνται ισοδύναμες μεταξύ τους. Ο κατευθυντής n δηλαδή, αποτελεί σ’ αυτή την περίπτωση άξονα πλήρους περιστροφικής συμμετρίας του υγρού κρυστάλλου και είναι και ο μοναδικός τέτοιος άξονας.

Η ιδιότητα της απολικότητας χαρακτηρίζει την ισοδυναμία μεταξύ των διευθύνσεων n και –n του κατευθυντή. Με άλλα λόγια, ο κατευθυντής ενός απολικού νηματικού υγρού κρυστάλλου έχει καθορισμένη διεύθυνση στον χώρο αλλά όχι καθορισμένη φορά κατά μήκος αυτής της διεύθυνσης.

Οι φυσικές ιδιότητες ενός μονοαξονικού απολικού νηματικού υγρού κρυστάλλου παραμένουν αμετάβλητες αν περιστρέψουμε τον υγρό κρύσταλλο γύρω από τον κατευθυντή n ή αν τον αναστρέψουμε ως προς τον κατευθυντή (n → -n). Βεβαίως, οι φυσικές ιδιότητες του υλικού αυτού γενικά εξαρτώνται από τη διεύθυνση. Έτσι π.χ. η διάχυση, ή η ηλεκτρική αγωγιμότητα δεν είναι ίδιες κατά μήκος του n και κάθετα σ’ αυτό. Η διηλεκτρική σταθερά (ή η μαγνητική επιδεκτικότητα) έχει διαφορετική τιμή ανάλογα με το αν η διεύθυνση του ασκούμενου ηλεκτρικού (ή μαγνητικού, αντίστοιχα) πεδίου είναι παράλληλη ή κάθετη στο n. Ομοίως, ο δείκτης διάθλασης του φωτός διαφέρει ανάλογα με τη διεύθυνση πόλωσης της δέσμης σε σχέση με τον κατευθυντή n.

Συνήθως, με το όρο «νηματικός» χωρίς άλλο προσδιορισμό εννοούμε τον μονοαξονικό απολικό νηματικό υγρό κρύσταλλο, αφού ελάχιστες είναι οι γνωστές περιπτώσεις διαξονικών νηματικών (δηλαδή νηματικών στους οποίους δεν υπάρχει πλήρης περιστροφική συμμετρία γύρω από τον n ) ενώ η δυνατότητα ύπαρξης πολικών νηματικών (δηλαδή νηματικών στους οποίους οι διευθύνσεις n και -n να είναι φυσικά διακριτές) δεν έχει αποδειχθεί πειραματικά και είναι, ακόμη και θεωρητικά, αμφισβητούμενη .

Σμηκτική φάση

Ο όρος σμηκτικός υγρός κρύσταλλος δεν είναι ιδιαίτερα συγκεκριμένος και χρησιμοποιείται για τους υγρούς κρυστάλλους που παρουσιάζουν επιπλέον της τάξης στις μοριακές διευθύνσεις την οποία παρουσιάζουν και οι νηματικοί, και τάξη ως προς τις θέσεις σε μία διάσταση. Οι θέσεις των μορίων δηλαδή σχηματίζουν επίπεδες στοιβάδες (ή σμηκτικά επίπεδα). Οι σμηκτικές φάσεις εκθέτουν έναν υψηλότερο βαθμό τάξης από τις νηματικές. Ανάλογα με τη διάταξη του κατευθυντή σε σχέση με τα σμηκτικά επίπεδα, και ανάλογα με την ύπαρξη ή όχι τάξης στις θέσεις των μορίων εντός των σμηκτικών επιπέδων (δηλαδή στο επίπεδο ΧΥ) διακρίνουμε διάφορα είδη σμηκτικών ΥΚ. Αν και ο συνολικός αριθμός των σμηκτικών φάσεων δεν είναι γνωστός, έχουν εξακριβωθεί οι ακόλουθοι , .

Πίνακας 1: Κατηγορίες σμηκτικών υγρών κρυστάλλων ,

SmA	Σμηκτική Α
	SmΑ1 μονοστρωματική (monolayer)
	SmΑ2 διπλοστρωματική (bilayer)
	SmAd πλεγματική διπλοστρωματική (interdigitated bilayer)
	Smà προσαρμοζόμενη διπλωστροματική (modulated bilayer)
SmB ή SmBhex	Σμηκτική Β ή εξαεδρική Β (hexatic B)
SmC	Σμηκτιτή C
	SmC1 μονοστρωματική (monolayer)
	SmC2 διπλοστρωματική (bilayer)
	SmCd πλεγματική διπλοστρωματική (interdigitated bilayer)
	SmC̃ προσαρμοζόμενη διπλωστροματική (modulated bilayer)
	SmCalt εναλλασσόμενη επικλινής φάση (alternating tilt phase)
D	Σμηκτική D
SmE	Σμηκτική E
SmF	Σμηκτική F
SmG	Σμηκτική G
SmH	Σμηκτική Η
SmI	Σμηκτική I
SmJ	Σμηκτική J
SmK	Σμηκτική Κ
SmM	Σμηκτική Μ
SmO	Σμηκτική Ο

Σμηκτική φάση Α

Συμβολική αναπαράσταση φάσης smA

Στη σμηκτική φάση Α τα μόρια τακτοποιούνται σε στρώματα έτσι ώστε οι μακριοί άξονές τους (στους οποίους είναι παράλληλος ο κατευθυντής n) να είναι κατά μέσο όρο, κάθετοι στα επίπεδα των στρώσεων. Τα μόρια υποβάλλονται σε γρήγορη κίνηση αναπροσανατολισμού για τους μακριούς άξονές τους με συχνότητα της τάξης των 10¹¹ φορών ανά δευτερόλεπτο. Υποβάλλονται επίσης σε χαλαρώσεις για τους μικρούς άξονές με συχνότητα της τάξης των 10⁶ φορών ανά δευτερόλεπτο. Τα μόρια τακτοποιούνται έτσι ώστε να μην υπάρχει καμία περιοδικότητα στα επίπεδα των στρωμάτων ή μεταξύ των στρωμάτων. Επομένως, υπάρχει μόνο περιορισμένης έκτασης τάξη επιμήκυνση, πέρα από μερικά μοριακά κέντρα το πολύ (περίπου 1.5-2.5 nm), με την τάξη να μειώνεται αλγεβρικά. Κάθετα στα στρώματα, τα μόρια τακτοποιούνται ουσιαστικά σε μία μονοδιάστατη κατεύθυνση πυκνότητας, επομένως, τα στρώματα από μόνα τους πρέπει να θεωρηθούν ως ακαθόριστα. Κατά συνέπεια, η έννοια μιας στρωματικής μεσόφασης είναι κάπως παραπλανητική επειδή τα στρώματα είναι τόσο διάχυτα που στη μακροσκοπική κλίμακα είναι σχεδόν ανύπαρκτα. Πραγματικά, τα μόρια τακτοποιούνται μέσα σε στρώματα κατά τέτοιο τρόπο ώστε είναι συχνά τυχαία γερμένα με μικρές γωνίες όσον αφορά το στρώμα. Αυτό καθιστά την απόσταση των στρωμάτων (κατά μέσο όρο) ελαφρώς πιο μικρή από το μοριακό μήκος. Χαρακτηριστικά, τα μόρια έχουν χρονικά εξαρτώμενες κλίσεις μέχρι και 14-15^o από το επίπεδο του στρώματος. Εντούτοις δεδομένου ότι η κλίση είναι τυχαία, η μεσόφαση είναι φαινομενικά μοναξονική με τον οπτικά άξονα κάθετο στο έλασμα, και ως εκ τούτου η φάση έχει γενικά συμμετρία D_∞.

Η σμηκτική φάση Α μπορεί επίσης να έχει άλλες παραλλαγές στις οποίες τα μόρια δεν τακτοποιούνται σε μονό μοριακά στρώματα αλλά οργανώνονται σε ημι-διπλοστρωματικές και διπλοστρωματικές δομές. Η ημι-διπλοστρωματική τάξη προκαλείται είτε με ολική είτε με μερική επικάλυψη των μορίων.

Οι υπο-φάσεις της σμηκτικής φάσης Α μπορούν επομένως να περιγραφούν με τον ακόλουθο τρόπο  :

• SmA₁ είναι μια συμβατική σμηκτική φάση Α όπου τα μόρια έχουν τυχαίους προσανατολισμούς κεφαλής-ουράς.
• Το SmA₂ είναι μια διπλοστρωματική φάση με αντισιδηροηλεκτρική δομή των μορίων.
• Το SmA_d είναι μια ημι-διπλοστρωματική φάση με μερική μοριακή επικάλυψη λόγω των επικαλύψεων.
• Το Smà είναι μια φάση με μια διαμορφωμένη αντισιδηροηλεκτρική δομή των μορίων μέσα σε στρώματα που δίνουν μια δομή όμοια της κορδέλας.

Σμηκτική φάση Β

Έχουν εξακριβωθεί δύο διακριτοί τύποι σμηκτικών Β υγρών κρυστάλλων. Ο πρώτος τύπος είναι ο «κρύσταλλος Β» (crystal B), ο οποίος είναι τρισδιάστατος κρύσταλλος, εξαγωνικού πλέγματος με κάθετα στις στιβάδες μόρια. Έχει τρισδιάστατη μεγάλης εμβέλειας τάξη στις θέσεις, η ενδοστρωματική του διάταξη είναι εξαιρετικά χαμηλής ενέργειας λόγο των αδύναμων ενδοστρωματικών δυνάμεων. Ο δεύτερος τύπος είναι ο εξατικός Β (hexatic B), ο οποίος είναι μία αλληλουχία αλληλεπιδρώντων εξαεδρικών στρωμάτων με μικρού μήκους εγκάρσια συσχέτιση, με αμελητέα ενδοστρωματική διάταξη, και μεγάλου μήκους τρισδιάστατη εξάπτυχη τάξη με προσανατολισμό .

Πιο αναλυτικά, η δομή της εξαεδρικής Β φάσης είναι παρόμοια με αυτή της σμηκτικής Α φάσης, στην οποία τα μόρια τοποθετούνται σε στρώματα έτσι ώστε ο μεγάλος άξονας τους να είναι ορθογώνιοι στα επίπεδα των στρωμάτων. Τοπικά τα μόρια είναι ουσιαστικά τοποθετημένα εξαγωνικά και υφίστανται γρήγορους αναπροσανατολισμούς της κίνησης των μεγάλων αξόνων τους σε παρόμοιο χρονικό διάστημα με τη σμηκτική φάση Α. Στα επίπεδα των στρωμάτων τα μόρια έχουν μόνο μικρής εμβέλειας περιοδική τάξη επέκτασης, από 15 έως 70 nm. Επίσης υπάρχει εξαγωνική διάταξη μεγάλης εμβέλειας. Σε αυτή την εξαγωνική τοποθέτηση υπάρχει ίδιος προσανατολισμός στα επίπεδα και ανάμεσα στα επίπεδα των στρωμάτων, άρα και στις τρεις διαστάσεις. Για ένα καλά ευθυγραμμισμένο σύστημα, ο προσανατολισμός του εξαγώνου επεκτείνεται επ’ άπειρον στις τρεις διαστάσεις. Αυτή η διάταξη ονομάζεται ως μεγάλης εμβέλειας τάξη προσανατολισμού των δεσμών.

Όταν η εξαεδρική φάση Β σχηματίζεται από τη σμηκτική φάση Α κατά την ψύξη, γίνετε μέσω μιας πρώτης τάξης φάση μετασχηματισμού. Αυτή η μετατροπή φάσης είναι σχετικά ασθενής και μερικές φορές πλησιάζει να γίνει δεύτερης τάξης.

Η εξαεδρική φάση Β, διακρίνεται εύκολα από την κρυσταλλική φάση Β, όπου εκεί τα μόρια έχουν μεγάλης εμβέλειας περιοδική τάξη στις τρεις διαστάσεις. Στην κρυσταλλική φάση Β, όπως στην εξαεδρική Β και στη σμηκτική Α, τα μόρια είναι διατεταγμένα σε στρώματα με τους μεγάλους τους άξονες να είναι ορθογώνιοι στα επίπεδα των στρωμάτων. Όπως και στις άλλες φάσεις, τα μόρια υφίστανται γρήγορους αναπροσανατολισμούς της κίνησης των μεγάλων αξόνων τους σε χρονικό διάστημα της κλίμακας των 10¹¹ φορών το δευτερόλεπτο. Παρόλα αυτά, υπάρχει μία μεγάλη διαφορά μεταξύ αυτής της φάσης και τις εξατικής, ότι τα μόρια είναι μεγάλης εμβέλειας και στις τρεις διαστάσεις. Αυτό κάνει αυτή τη φάση παρόμοια με έναν πλαστικό κρύσταλλο, και γι' αυτό, η κρυσταλλική φάση Β ονομάζεται επίσης και ανισοτροπικός πλαστικός κρύσταλλος.

Όπως και στην εξαεδρική φάση Β τα μόρια είναι εξαγωνικά τοποθετημένα. Όμως, η κρυσταλλική φάση Β μπορεί να εμφανίσει κάποιες παραλλαγές στην ενδοστρωματική συσσώρευση των μορίων και μπορεί να εμφανιστούν μονοστρωματικές, διστρωματικές και τριστρωματικές κρυσταλλικές μονάδες .

Σμηκτική φάση C

Η σμηκτική φάση C παρουσιάζει τα χαρακτηριστικά της σμηκτικής φάσης Α, δηλαδή τάξη ως προς τις θέσεις των μορίων τα οποία είναι κάθετα στα επίπεδα των στρωμάτων (άξονας Ζ) και αταξία στις άλλες 2 διαστάσεις, με τη διαφορά ότι ο κατευθυντής n δεν είναι κάθετος στα επίπεδα των σμηκτικών στρωμάτων αλλά σχηματίζει γωνία t (cost = n Z) .

Στη σμηκτική φάση C τα μόρια που την αποτελούν τοποθετούνται σε στρώματα με τα οποία τα μόρια βρίσκονται σε κλίση, με μία γωνία εξαρτώμενη από τη θερμοκρασία. Όταν η σμηκτική φάση C σχηματίζεται από τη σμηκτική φάση Α με ψύξη, τότε η εξάρτηση της γωνίας κλίσης από τη θερμοκρασία παίρνει τη μορφή (θ_Τ)=(θ₀)(Τ_Α-C – Τ)^α όπου (θ_Τ) είναι η γωνία κλίσης σε θερμοκρασία Τ, (θ₀) είναι μια σταθερά, Τ_Α-C είναι η θερμοκρασία μετάβασης από τη σμηκτική Α στη σμηκτική C, Τ είναι η θερμοκρασία και α είναι ένας εκθέτης που συνήθως είναι ίσος με 0,5.

Τα μόρια στα στρώματα είναι εξαγωνικής διάταξης σε σχέση με τον κατευθυντή της φάσης. Αυτή η διάταξη είναι μικρής εμβέλειας, εκτεινόμενη σε αποστάσεις περίπου 1,5nm. Σε μεγάλες αποστάσεις, τα μόρια τοποθετούνται τυχαία και σε οποιαδήποτε περιοχή τα μόρια είναι επικλινή περίπου στην ίδια κατεύθυνση μεταξύ των στρωμάτων. Επιπλέον, διατηρείται ο επικλινής προσανατολισμός διάταξης ανάμεσα σε διαδοχικά στρώματα, σε μεγάλες αποστάσεις. Συνεπώς η σμηκτική φάση C έχει συμμετρία C_2h είναι οπτικά διαξονική.

Άλλες υπο-φάσεις της σμηκτικής φάσης C μπορούν να βρεθούν για συστήματα όπου τα μόρια έχουν πολικά μόρια (π.χ. κυανοφαινυλικά). Αυτές οι υπο-φάσεις είναι πανομοιότυπες με αυτές της σμηκτικής φάσης Α, εκτός από το γεγονός ότι τα μόρια είναι επικλινή ως προς τα στρώματα των σμηκτικών επιπέδων. Οι σμηκτικές φάσεις C₁, C₂, C_d, C̃ είναι τα ακριβή ανάλογα των φάσεων A₁, A₂, A_d, Ã. Οι υπο-φάσεις της σμηκτικής C μπορούν να περιγραφούν με ακριβώς τον ίδιο τρόπο :

• SmC₁ είναι μία συνηθισμένη σμηκτική φάση C, όπου τα μόρια έχουν τυχαίο προσανατολισμό κεφαλής-ουράς.
• SmC₂ είναι μία διπλοστρωματική φάση με αντισιδηροηλεκτρική διάταξη των μορίων που την αποτελούν.
• SmC_d είναι μία ήμι-διπλοστρωματική φάση με μερικέ σχηματισμένους μοριακούς συνδέσμους.
• SmC̃ είναι μια φάση με προσαρμοσμένη αντισιδηροηλεκτρική διάταξη των μορίων μεταξύ των στρωμάτων, η οποία δίνει μία δομή «κορδέλας».

Εναλλασσόμενης κλίσης σμηκτική φάση C

Υπάρχει επίσης μία υπο-φάση της σμηκτικής φάσης C, η οποία ονομάζεται (προς το παρόν) εναλλασσόμενη σμηκτική φάση C (SmC_alt). Αυτή η φάση αρχικά ανακαλύφθηκε από τη Levelut και τους συνεργάτες της και της δόθηκε η ονομασία σμηκτική Ο. Ωστόσο, η χειρόμορφη μορφή αυτής της φάσης περιγράφεται ως αντισιδηροηλεκτρική σμηκτική φάση C από τον Fukuda, και είναι η συγκεκριμένη περιγραφή που χρησιμοποιείται σήμερα. Συνεπώς, η χωρίς χειρομορφία τροποποίηση της αντισιδηροηλεκτρικής φάσης απαιτεί έναν κατάλληλο συμβολισμό, και γι' αυτό προς το παρόν έχει επιλεχθεί το SmC_alt το οποίο περιγράφει τη δομή της φάσης σε σχέση με την αντισιδηροηλεκτρική περιγραφή.

Η κύρια διαφορά μεταξύ της εναλλασσόμενης σμηκτικής φάσης C και της κανονικής σμηκτικής φάσης C είναι στη διεύθυνση κλίσης σε διαδοχικά στρώματα. Στη φάση εναλλασσόμενης κλίσης η διεύθυνση κλίσης περιστρέφεται κατά 180 μοίρες από στρώμα σε στρώμα και με αυτόν τον τρόπο παράγεται μια δομή τύπου «zig zag». Συνεπώς, ο κατευθυντής της φάσης είναι περιέχεται σε ένα επίπεδο, που είναι κάθετος στα επίπεδα των στρωμάτων. Όμως δεν φαίνεται να υπάρχει μεγάλης απόστασης συσχέτιση μεταξύ των στρωμάτων των μορίων, αν και η τάξη προσανατολισμού φαίνεται να είναι μεγάλης απόστασης. Μέχρι τώρα η εναλλασσόμενη φάση C κάνει την εμφάνιση της κάτω από τη σμηκτική φάση C κατά την ψύξη για στοιχεία που εκφέρουν και τις δύο φάσεις .

Σμηκτική φάση D

Η σμηκτική φάση D παρουσιάζει κυβικό πλέγμα με περίπου 10³ μόρια ανά κρυσταλλική μονάδα. Η λεπτομερής διευθέτηση των μορίων δεν είναι γνωστή. Γι' αυτό τον λόγο αυτή η φάση θα έπρεπε να αποκαλείται ως «D» αντί για «σμηκτική D». Προς το παρόν έχουν βρεθεί πολύ λίγα μίγματα που να παρουσιάζουν αυτή τη φάση. Παραδόξως, η φάση D βρίσκεται μεταξύ της σμηκτικής φάσης C και της σμηκτικής φάσης Α ή ανάμεσα στη σμηκτική φάση C και την ισότροπη φάση. Ο τρόπος με τον οποίο αυτή δομή αναπροσανατολίζεται δεν έχει επιλυθεί ακόμα .

Σμηκτική φάση Ε

Στη δομή της κρυσταλλικής φάσης Ε τα μόρια είναι επίσης τοποθετημένα έτσι ώστε ο μεγάλος τους άξονας (άρα και ο κατευθυντής) να είναι κάθετος στα επίπεδα των στρωμάτων. Τοπικά τα μόρια είναι τοποθετημένα σε ορθορομβική παράταξη, συνεπώς η φάση είναι διπλοστρωματική. Η απόσταση μεταξύ των μορίων είναι τέτοια ώστε να μην υφίστανται ελεύθερη περιστροφή στους μεγάλους άξονες, και έτσι τα μόρια είναι διατεταγμένα σε σχήμα «ψαροκόκαλου». Τα μόρια υφίστανται γρήγορο αναπροσανατολισμό κίνησης των μεγάλων αξόνων, πάλι σε μία περίοδο χρόνου της τάξεως των 10¹¹ φορών το δευτερόλεπτο, αλλά αυτή η κίνηση δεν είναι πλήρης, ελεύθερη περιστροφή, αλλά ταλαντωτικής φύσης, και γι' αυτό τα μόρια σχήματος σανίδας «φτερουγίζουν συνεργαζόμενα» τους μεγάλους άξονες τους. Τα στρώματα σε αυτή τη φάση είναι πολύ περισσότερο καλύτερα ορισμένα απ ότι είναι στη σμηκτική φάση Α, και τα μόρια έχουν μεγάλη απόσταση περιοδικής διάταξης. Σε μερικές περιπτώσεις, η φάση Ε έχει επίσης διπλοστρωματική δομή όπως η κρυσταλλική φάση Β, και όπως στην κρυσταλλική φάση Β έτσι και η φάση Ε μπορεί να θεωρηθεί ως μαλακός κρύσταλλος .

Σμηκτική φάση Ι

Στη σμηκτική φάση Ι τα μόρια είναι τοποθετημένα με παρόμοια διάταξη με αυτά της σμηκτικής φάσης C. Στη φάση Ι, η τάξη είναι πολύ πιο εκτεταμένη, με τα μόρια να είναι τοποθετημένα εξαγωνικά σε σχέση με τον κατευθυντή της φάσης. Η διάταξη αυτή των μορίων εκτείνεται σε αποστάσεις των 15 έως 60 nm εσωτερικά των στρωμάτων, και συνεπώς είναι μικρής εμβέλειας στη φύση.

Η φάση αυτή ωστόσο, έχει μεγάλης εμβέλειας τάξη προσανατολισμού των δεσμών και η εξαγωνική διάταξη των μορίων παραμένει στον ίδιο προσανατολισμό για μεγάλες αποστάσεις στις τρεις διαστάσεις αν και η διάταξη θέσης είναι μικρής εμβέλειας. Συνεπώς, ο επικλινής προσανατολισμός ανάμεσα στα στρώματα, όπως στη σμηκτική φάση C, διατηρείται σε πολλά στρώματα. Ένα άλλο χαρακτηριστικό γνώρισμα που συνδέεται με την κλίση στη σμηκτική φάση Ι είναι ότι κατευθύνεται προς μία κορυφή του πλέγματος της εξαγωνικής διάταξης. Συνεπώς η σμηκτική φάση Ι είναι ουσιαστικά ένα επικλινές ισοδύναμο της εξαεδρικής σμηκτικής φάσης Β, δηλαδή, είναι μια καλοφτιαγμένη τρισδιάστατη εξατική φάση.

Τα μόρια στη σμηκτική φάση C και στην εξατική φάση Β, αναμένονται να βρίσκονται σε δυναμική κίνηση, όσον αφορά τους μεγάλους άξονες τους, πιθανώς σε παρόμοια χρονική κλίμακα. Η περιστροφή αναμένεται να ίδια ίδια στα μόρια αφού τα μοριακά κέντρα χωρίζονται μόνο 0,4-0,5nm .

Σμηκτική φάση F

Η δομή της σμηκτικής φάσης F είναι σχεδόν πανομοιότυπη με αυτή της σμηκτικής φάσης Ι, τόσο ότι τα μόρια είναι εξαγωνικά ως προς τον κατευθυντή, όσο και ότι έχουν μικρής εμβέλειας τάξη μέσα στα στρώματα. Όπως στη φάση Ι, η φάση F έχει επίσης μεγάλης εμβέλειας τάξη προσανατολισμού των δεσμών στις τρεις διαστάσεις. Η βασική διαφορά ανάμεσα σε αυτές τις δύο φάσεις είναι η μία από τις διευθύνσεις της κλίσης, που στη φάση Ι κατευθύνεται προς την κορυφή του εξαγωνικού πλέγματος, ενώ στη φάση F κατευθύνεται προς την πλευρά του πλέγματος. Δηλαδή, στη σμηκτική φάση Ι η προβολή του κατευθυντή στο επίπεδο συμπίπτει με κάποιον από τους άξονες εξαγωνικού προσανατολισμού των δεσμών ενώ στη σμηκτική φάση F, η προβολή του κατευθυντή είναι κάθετη σε κάποιον από τους άξονες αυτούς. Η δυναμική των μορίων αναμένεται να είναι παρόμοια με αυτή των σμηκτικών φάσεων C και I , .

Συμβολική αναπαράσταση φάσης smC

Κρυσταλλική στερεή φάση

Στην κρυσταλλική στερεή φάση μοριακές θέσεις και μοριακοί προσανατολισμοί είναι καθορισμένοι και σταθεροί.

Κρυσταλλικές φάσεις J και G

Οι κρυσταλλικές μετατροπές J και G είναι τα κρυσταλλικά ανάλογα των σμηκτικών φάσεων Ι και F, αντίστοιχα. Για παράδειγμα, στη φάση J τα μόρια τοποθετούνται σε στρώματα όπου οι μακριοί τους άξονες βρίσκονται σε κλίση σε σχέση με τα στρώματα των επιπέδων. Η βασική διαφορά ανάμεσα στην κρυσταλλική φάση J και στην κρυσταλλική φάση G είναι η ίδια με αυτή των σμηκτικών φάσεων Ι και F, δηλαδή, για τη φάση G η κλίση κατευθύνεται προς την πλευρά της εξαγωνικής παράταξης των μορίων, ενώ στην J η κλίση κατευθύνεται προς την κορυφή της.

Ουσιαστικά, όσο εκτείνεται η διάταξη θέσης, αυτές οι φάσεις κρυσταλλώνονται. Ωστόσο, οι μοριακές δυναμικές αυτών των δύο μορφών είναι αρκετά διαφορετικές από αυτές που συνήθως παρατηρούνται στους κρυστάλλους. Για παράδειγμα, τα μόρια υφίστανται γρήγορο αναπροσανατολισμό κίνησης στους μεγάλους άξονες τους. Επιπλέον, πολλές εσωτερικές μοριακές περιστροφές λαμβάνουν χώρα την ίδια στιγμή. Οι γρήγοροι αναπροσανατολισμοί κίνησης των μεγάλων αξόνων των μορίων οδηγούν σε αυτές τις φάσεις που ονομάζονται ως ανισοτροπικοί πλαστικοί κρύσταλλοι.

Αυτές οι δύο φάσεις είναι ισοδύναμα της σμηκτικής φάσης Ε εκτός του ότι τα μόρια είναι επικλινή σε σχέση με τα επίπεδα της σμηκτικής φάσης. Παρόλο που δεν υπάρχουν αρκετά πειραματικά δεδομένα για αυτές τις φάσεις, υποθέτεται, ότι τα μόρια είναι τοποθετημένα σε στρώματα τα οποία έχουν μεγάλης εμβέλειας περιοδική διάταξη. Η μεσοστρωματική τους τάξη συσχετίζεται σε μεγάλες αποστάσεις, και έτσι δημιουργείται η κρυσταλλική δομή. Η διάταξη είναι μονοκλινής με την κλίση να κατευθύνεται προς τη συντομότερη πλευρά της πλεγματικής διάταξης για τη φάση Η, ενώ για τη φάση Κ η κλίση κατευθύνεται προς τη μακρύτερη πλευρά. Στις φάσεις αυτές τα μόρια φαίνεται ότι ταλαντώνονται, όπως και στη φάση Ε .

Κιονική φάση

Οι κιονικοί (αγγλικά: columnar‎‎) υγροί κρύσταλλοι παρουσιάζουν, επιπλέον της τάξης στις μοριακές διευθύνσεις την οποία παρουσιάζουν οι νηματικοί, και τάξη ως προς τις θέσεις σε δύο διαστάσεις. Στην κιονική φάση (columnar phase) τα μόρια σχηματίζουν ευθύγραμμες στήλες ενώ οι στήλες αυτές διατάσσονται περιοδικά και παράλληλα μεταξύ τους (αν και όχι με αυστηρό τρόπο) κατά το κάθετο των κιόνων επίπεδο, σχηματίζοντας μία δισδιάστατη δομή. Επιλέγοντας δηλαδή τον μακροσκοπικό άξονα Ζ να είναι παράλληλος προς τη διεύθυνση των κιονικών αξόνων θα έχουμε τάξη των μοριακών θέσεων στο επίπεδο ΧΥ. Η τάξη αυτή αντιστοιχεί σε εξαγωνικό ή σε ορθογώνιο πλέγμα. Στην πρώτη περίπτωση έχουμε την εξαγωνική κιονική φάση (hexagonal columnar, Col_h ) και στη δεύτερη την ορθογωνική κιονική (rectangular columnar, Col_r ).

Τα μόρια μπορούν να κινούνται χωρίς περιορισμούς κατά μήκος της διεύθυνσης των κιόνων. Η ρευστότητα των κιονικών ΥΚ οφείλεται στη δυνατότητα της σχετικής ολίσθησης μεταξύ γειτονικών στηλών. Δεν υπάρχει δηλαδή συσχέτιση μεταξύ των Ζ-προβολών των θέσεων μορίων που βρίσκονται σε διαφορετικές στήλες. Οι θέσεις των μορίων που ανήκουν στην ίδια στήλη μπορεί να παρουσιάζουν τάξη (περιοδικότητα στον Ζ άξονα) ή αταξία. Στην πρώτη περίπτωση έχουμε κίονες με εσωτερική τάξη και στη δεύτερη άτακτους κίονες. Ο συμβολισμός των αντίστοιχων φάσεων γίνεται με την προσθήκη του δείκτη ο (ordered) ή d (disordered) στο σύμβολο Col της κιονικής φάσης.

Η τάξη στον μοριακό προσανατολισμό περιγράφεται, όπως και στην περίπτωση των νηματικών και των σμηκτικών, από τον κατευθυντή n. Αυτός μπορεί να είναι παράλληλος προς τον κιονικό άξονα (n//Z) ή και να αποκλίνει από αυτόν κατά γωνία t. Στη δεύτερη περίπτωση έχουμε επικλινή κιονική φάση (tilted columnar) και αυτό υποδηλώνεται προσθέτοντας τον δείκτη t στον συμβολισμό της φάσης, δηλαδή Col_txx, όπου στις θέσεις xx μπορεί να σημειωθεί κάποιος από τους δείκτες o, d, h, r για να υποδηλωθεί η εσωτερική τάξη ή το είδος του 2-διάστατου πλέγματος. Όταν δεν υπάρχει ο δείκτης t εννοείται ότι η φάση έχει τον κατευθυντή παράλληλο στις στήλες. Στις επικλινείς κιονικές φάσεις, όπως και στις αντίστοιχες σμηκτικές, ο κατευθυντής μπορεί να έχει ενιαία διεύθυνση για όλες τις στήλες (συν-κλινής) ή και να εναλλάσσεται από στήλη σε στήλη (αντι-κλινής).

Οι κιονικοί ΥΚ δημιουργούνται κυρίως από δισκόμορφα μόρα. Γι’ αυτό και συχνά στην παλαιότερη βιβλιογραφία ονομάζονται δισκοτικοί (discotic) YK. Η ύπαρξη όμως κιονικών υγροκρυσταλλικών φάσεων που δεν αποτελούνται από δισκόμορφα μόρια (υπάρχουν παραδείγματα ακόμη και ραβδόμορφων μορίων που αυτό-οργανώνονται σε κιονικές φάσεις) επέβαλλε τη χρήση του όρου «δισκοτικός» μόνο για τους ΥΚ που απαρτίζονται από δισκόμορφα μόρια, ασχέτως αν είναι κιονικοί ή όχι.

Η ασυμμετρία χειρομορφίας στους υγρούς κρυστάλλους

Οι χειρόμορφοι υγροί κρύσταλλοι (Chiral LCs) αποτελούνται από χειρόμορφα μόρια. Τα μόρια των οποίων οι καθρεφτισμένες εικόνες τους δεν είναι πανομοιότυπες θεωρούνται χειρόμορφα (την ίδια σχέση ασυμμετρίας έχει το δεξί με το αριστερό μας χέρι, απ’ όπου προέρχεται και η ορολογία «χειρομορφία»). Η χειρομορφία είναι μια απουσία συμμετρίας, και τα χειρόμορφα μόρια έχουν χαμηλότερη συμμετρία από τα μη-χειρόμορφα. Αφού οι καθρεφτισμένες εικόνες από τα γραμμικά ή τα επίπεδα μόρια μπορούν πάντα να είναι πανομοιότυπες, τα χειρόμορφα μόρια πρέπει απαραιτήτως να έχουν μια τρισδιάστατη δομή.

Τα χαρακτηριστικά χειρόμορφα μόρια έχουν μια ελικοειδή μορφή ή έχουν ένα ή περισσότερα κέντρα χειρομορφίας που αποτελούνται από ένα άτομο άνθρακα με τέσσερις ευδιάκριτες μονάδες που συνδέονται με τα τετραεδρικά άκρα του. Η χειρομορφία αυξάνει τις δυνάμεις μεταξύ των μορίων, πράγμα το οποίο ευνοεί το σχετικό στρίψιμο των μοριακών αξόνων τους .

Στους χειρόμορφους υγρούς κρυστάλλους δίνεται συνήθως ο συμβολισμός «*» για να υποδειχθεί η παρουσία χειρομορφίας, παραδείγματος χάριν: N*, SmA*, SmC* .

Κατηγορίες υγρών κρυστάλλων ανάλογα με την ασυμμετρία των μορίων που τους απαρτίζουν

Καλαμιτικοί και δισκοτικοί υγροί κρύσταλλοι

Τα ραβδόμορφα και τα δισκόμορφα μόρια αντιπροσωπεύουν τους απλούστερους τύπους μοριακής ανισομετρίας που μπορεί να οδηγήσει σε υγροκρυσταλλικότητα. Όπως αναφέρθηκε, οι υγροί κρύσταλλοι που προκύπτουν από μόρια τέτοιας δομής ονομάζονται, αντίστοιχα, καλαμιτικοί και δισκοτικοί υγροί κρύσταλλοι. Και τα δύο είδη μπορούν να δώσουν νηματικές φάσεις ενώ οι σμηκτικές φάσεις είναι συνήθως καλαμιτικές (δηλαδή παράγονται συνήθως από ραβδόμορφα μόρια) και οι κιονικές είναι συνήθως δισκοτικές (δηλαδή παράγονται συνήθως από δισκόμορφα μόρια). Φυσικά, τα μόρια στην πραγματικότητα δεν έχουν τέτοια ιδανική δομή και οι χαρακτηρισμοί «ραβδόμορφο» ή «δισκόμορφο» απλώς υποδηλώνουν ότι η μία διάσταση του μορίου είναι αρκετά μεγαλύτερη ή μικρότερη από τις άλλες δύο (οι οποίες δεν διαφέρουν πολύ μεταξύ τους).

Υγροί κρύσταλλοι τύπου μπανάνας (banana LCs)

Οι υγροί κρύσταλλοι αυτοί, επικράτησε να λέγονται έτσι επειδή το σχήμα του μεσογόνου πυρήνα μοιάζει με μπανάνα (ή λυγισμένη ράβδο ή τόξο ή μπούμεραγκ, απ’ όπου και προέρχονται οι εναλλακτικές ονομασίες bent-core, bow-shaped, boomerang κλπ που χρησιμοποιούνται γι’ αυτούς τους υγρούς κρυστάλλους). Απέκτησαν έντονο ενδιαφέρον από το 1996 και μετά, επειδή μπορούν να δώσουν σμηκτικές φάσεις των οποίων οι στοιβάδες έχουν αυθόρμητη ηλεκτρική πόλωση P χωρίς να είναι ανάγκη τα μόρια να είναι χειρόμορφα. Η πόλωση αυτή είναι αποτέλεσμα της πολικής διάταξης που ευνοείται από το τοξοειδές μοριακό σχήμα. Έτσι είναι δυνατή, π.χ., η εμφάνιση πολικότητας ακόμα και στη SmA φάση κάποιων μπανάνα-υγρών κρυστάλλων. Οι φάσεις αυτές είναι διαξονικές, αφού παύει να υπάρχει συμμετρία περιστροφής γύρω από τον άξονα τον κάθετο στα σμηκτικά επίπεδα. Πρόσφατα ανακοινώθηκε και η παρατήρηση διαξονικής νηματικής φάσης σε μπανάνα-υγρό κρύσταλλο (που αποτελεί και την πρώτη πειραματική παρατήρηση τέτοιας φάσης σε θερμοτροπικό υγρό κρύσταλλο).

Πυραμιδικοί υγροί κρύσταλλοι (pyramidical LCs)

Παράγονται από μόρια των οποίων η δομή μοιάζει με πυραμίδα (ή βαθύ πιάτο, bowl, απ’ όπου και προέρχεται η ονομασία bowlic, που χρησιμοποιείται εναλλακτικά για τους πυραμιδικούς υγρούς κρυστάλλους). Οι πυραμιδικοί υγροί κρύσταλλοι συνήθως σχηματίζουν κιονικές φάσεις στις οποίες οι στήλες είναι δυνατό να παρουσιάσουν αυθόρμητη ηλεκτρική πόλωση κατά μήκος του κιονικού άξονα.

Σανιδικοί υγροί κρύσταλλοι (sanidic LCs)

Παράγονται από μόρια των οποίων η δομή μοιάζει με σανίδα, δηλαδή η μια μοριακή διάσταση είναι πολύ μεγαλύτερη από τις άλλες δύο, οι οποίες όμως διαφέρουν σημαντικά μεταξύ τους. Πρόκειται συνήθως για σχετικά μεγάλα μόρια που σχηματίζουν νηματικές ή σμηκτικές φάσεις με δυνατότητα διαξονικής τάξης των μορίων.

Υγροί κρύσταλλοι ανάλογα με την ύπαρξη και το είδος χημικής σύνδεσης μεταξύ των μοριακών τμημάτων που δημιουργούν την υγροκρυσταλλική τάξη

Πολυμερικοί υγροί κρύσταλλοι

Τα υγροκρυσταλλικά πολυμερή (ΥΚΠ, liquid crystalline polymers, LCPs) είναι υλικά που έχουν τις χαρακτηριστικές ιδιότητες των υγρών κρυστάλλων (συνδυασμός ρευστότητας με μοριακή τάξη), παρουσιάζουν τις αντίστοιχες φάσεις (νηματική, σμηκτικές, κιονικές) και επιπλέον έχουν την επαναληπτική μοριακή δομή των πολυμερών. Τα επαναλαμβανόμενα μοριακά τμήματα αντιστοιχούν συχνά σε μόρια που δίνουν υγροκρυσταλλική φάση και «ως μονομερή» (δηλαδή χωρίς να συνδεθούν σε πολυμερές). Σε άλλες περιπτώσεις (π.χ. άκαμπτες πολυμερικές ράβδοι) η επαναλαμβανόμενη μονάδα δεν είναι αφ’ εαυτής υγροκρυσταλλική αλλά ο τρόπος της επαναληπτικής σύνδεσης παράγει μακρομόρια με ισχυρή κατευθυντικότητα η οποία ευνοεί την υγροκρυσταλλική αυτο-οργάνωση του πολυμερούς. Σε αντιστοιχία με τους «μονομερικούς» υγρούς κρυστάλλους, οι πολυμερικοί υγροί κρύσταλλοι μπορεί να είναι θερμοτροπικοί ή λυοτροπικοί.

Τα ΥΚΠ που παράγονται από τον πολυμερισμό υγροκρυσταλλικών μονομερών (ΥΚΜ, δηλαδή μορίων σαν τα ραβδόμορφα, δισκόμορφα, τοξοείδη κλπ, μόρια τα οποία δίνουν τους μονομερικούς υγρούς κρυστάλλους) διαφέρουν ανάλογα με τον τρόπο σύνδεσης των ΥΚΜ στην επαναλαμβανόμενη δομή. Διακρίνουμε δύο βασικούς τύπους ΥΚΠ:

1. ΥΚΠ κύριας αλυσίδας (main chain LCps), όπου τα ΥΚΜ είναι συνδεδεμένα σε γραμμική αλληλουχία κατά μήκος της διεύθυνσης ανάπτυξης της πολυμερικής («κύριας») αλυσίδας. Η ευκαμψία της κύριας αλυσίδας καθορίζεται από το μήκος των εύκαμπτων υδρογονανθρακικών τμημάτων (συνδετικές αλυσίδες, spacers) ενώ η σχετική παραλληλία μεταξύ διαδοχικών μεσογόνων πυρήνων επηρεάζεται από τον αριθμό των ατόμων άνθρακα που περιέχει η συνδετική αλυσίδα, και ειδικότερα από το αν ο αριθμός αυτός είναι άρτιος ή περιττός.

Ο υψηλός βαθμός παραλληλίας μεταξύ των πολυμερικών αλυσίδων που επιτυγχάνεται στα ΥΚΠ κύριας αλυσίδας βρίσκει βιομηχανική εφαρμογή στην κατασκευή ισχυρών ινών αφού η εξώθηση (extrusion) των ινών αυτών όταν βρίσκονται στην υγροκρυσταλλική κατάσταση τους προσδίδει σημαντικά βελτιωμένες μηχανικές ιδιότητες σε σχέση με τις ίνες που παράγονται στην άμορφη κατάσταση.

2. ΥΚΠ πλευρικής υποκατάστασης (side chain LCPs), όπου τα ΥΚΜ είναι πλευρικά συνδεδεμένα στην πολυμερική αλυσίδα με τη βοήθεια συνδετικών αλυσίδων. Η συνολική ευκαμψία του πολυμερούς, και συνεπώς η ρευστότητα, καθώς και η ελευθερία σχετικών κινήσεων των γειτονικών μεσογόνων ομάδων, ρυθμίζονται αφ’ ενός από το μήκος και την ευκαμψία της συνδετικής αλυσίδας και αφ’ ετέρου από το μήκος και την ευκαμψία της πολυμερικής αλυσίδας που μεσολαβεί μεταξύ διαδοχικών σημείων υποκατάστασης («μήκος υποκατάστασης»).

Παραδείγματα υγροκρυσταλλικής τάξης έχουν βρεθεί σε ρευστά πολυμερή διαλύματα. Τέτοια πολυμερή παίζουν σημαντικό ρόλο στη χωρική οργάνωση των βιολογικών μακρομορίων, για παράδειγμα, στην καταχώριση του DNA στα χρωμοσώματα και στη συσσώρευση μικροσωλήνων, τα οποία διαμορφώνουν το δομικό πλαίσιο των κυττάρων. Μία ίνα που διαμορφώνεται από την υγροκρυσταλλική φάση ενός πολυμερούς σώματος, Kevlar, είναι ένα πολυμερές σώμα εξαιρετικά υψηλής δύναμης που έχει σκληρότητα συγκρίσιμη με αυτήν ενός χάλυβα με πολύ μικρότερη πυκνότητα μάζας .

Υγροκρυσταλλικά δενδρομερή

Τα δενδρομερή (YKΔ, liquid drystalline dendrimers) είναι μεγαλομοριακά συστήματα με μοριακή αρχιτεκτονική επαναλαμβανόμενων διακλαδώσεων. Οι παράμετροι της αρχιτεκτονικής αυτής, η οποίες και επιδέχονται ελεγχόμενη ρύθμιση κατά τη χημική σύνθεση, είναι: η πολλαπλότητα των διακλαδώσεων (αριθμός των κλάδων που συνδέονται σ’ έναν κόμβο), το μήκος των κλάδων και η δενδριτική γενεά. Ο έλεγχος των παραμέτρων αυτών, επιτρέπει την παραγωγή δενδρομερών υλικών με αυστηρά καθορισμένο μοριακό βάρος (καθορισμένη δενδριτική γενεά). Η υποκατάσταση μεσογόνων πυρήνων σε επιλεγμένα σημεία του δενδριτικού «σκελετού», π.χ. στην περιφέρειά του μπορεί να δώσει ΥΚΔ, δηλαδή δενδρομερή υλικά που παρουσιάζουν υγροκρυσταλλικότητα. Τα ΥΚΔ παρουσιάζουν τις βασικές φάσεις (νηματική, σμηκτικές, κιονικές) που παρατηρούνται και στους απλούς ΥΚ. Οι χαρακτηριστικές διαστάσεις όμως των φάσεων αυτών (π.χ. το πάχος των σμηκτικών στρωμάτων, η κιονική διάμετρος) μπορεί να είναι αρκετά μεγαλύτερες λόγω του μοριακού μεγέθους των ΥΚΔ (~10 nm). Επιπλέον, η δυνατότητα συνύπαρξης ραβδόμορφων και δισκόμορφων διαμορφώσεων στο ίδιο δενδρομερές οδηγεί υπό ορισμένες συνθήκες και σε μετατροπές μεταξύ σμηκτικής και κιονικής φάσης. Τα ΥΚΔ συνδυάζουν, για κάποιες εφαρμογές, ορισμένα από τα πλεονεκτήματα των ΥΚΠ (π.χ. διευρυμένη δυνατότητα ρύθμισης δομικών παραμέτρων, χημική ευστάθεια) χωρίς να έχουν το μειονέκτημα της πολυδιασποράς και διατηρώντας επιπλέον κάποια πλεονεκτήματα των απλών ΥΚ (π.χ. χαμηλό ιξώδες, που μπορεί και να παρουσιάσει ελάττωση αυξάνοντας το μοριακό βάρος, ταχύτερη απόκριση σε εξωτερικά πεδία).

Ιδιότητες

Μηχανικές ιδιότητες

Η κατάσταση ελάχιστης ελεύθερης ενέργειας ενός απλού νηματικού υγρού κρυστάλλου είναι εκείνη για την οποία ο κατευθυντής έχει ομοιόμορφη διεύθυνση καθ’ όλη την έκταση του ΥΚ. Οι παραμορφώσεις της κατανομής του κατευθυντή στον χώρο επιφέρουν αύξηση της ελεύθερης ενέργειας. Αν οι παραμορφώσεις αυτές είναι αρκετά ήπιες τότε ο υγρός κρύσταλλος μπορεί να θεωρηθεί ως ελαστικό συνεχές μέσο που όμως παρουσιάζει ανισοτροπία. Ο χαρακτηρισμός «ελαστικό συνεχές», εκτός από τις ήπιες παραμορφώσεις, προϋποθέτει ότι η εξάρτηση αίτιου αποτελέσματος είναι γραμμική και ότι με την άρση του εξωτερικού αίτιου των παραμορφώσεων αποκαθίσταται ομοιόμορφη κατανομή του κατευθυντή. Αλλά ακόμα και με αυτές τις προϋποθέσεις, υπάρχει μια σημαντική διαφορά μεταξύ των υγρών κρυστάλλων και των ελαστικών στερεών (ισότροπων ή όχι): η παραμόρφωση στους υγρούς κρυστάλλους αφορά την κατανομή του κατευθυντή (δηλαδή ενός μοναδιαίου διανύσματος) στον χώρο.

Οι παραμορφώσεις στον νηματικό υγρό κρύσταλλο υπόκεινται στους περιορισμούς της απολικότητας, που σημαίνει ότι η αναστροφή του κατευθυντή δεν συνιστά παραμόρφωση, και στον περιορισμό σταθερού όγκου αφού έχουμε πρακτικά ασυμπίεστο υγρό. Αποδεικνύεται ότι υπ΄ αυτούς του περιορισμούς, η γενικότερη δυνατή παραμόρφωση του νηματικού μπορεί να θεωρηθεί ως επαλληλία τριών βασικών παραμορφώσεων: στρέψη (twist), κάμψη (bend) και διάταση (splay).

Η κάθε βασική τέτοια παραμόρφωση έχει τη δική της συνεισφορά στην ελεύθερη ενέργεια του ΥΚ και σύμφωνα με το ελαστικό μοντέλο Oseen & Frank, η ολική συνεισφορά της παραμόρφωσης στην ελεύθερη ενέργεια του συστήματος είναι απλά το άθροισμα των επιμέρους συνεισφορών των βασικών παραμορφώσεων που συνθέτουν την ολική παραμόρφωση.

Οπτικές ιδιότητες

Η συμπεριφορά των υγρών κρυστάλλων, και γενικότερα των μη ισότροπων υλικών, όταν μέσα τους διαδίδεται φως, καθορίζεται από τη διεύθυνση του ηλεκτρικού πεδίου, δηλαδή τη διεύθυνση πόλωσης του φωτός. Όταν η πόλωση είναι κάθετη στον οπτικό άξονα των μη ισότροπων υλικών (για την περίπτωση των υγρών κρυστάλλων ο οπτικός άξονας είναι ο κατευθυντής) τότε το φως αλληλεπιδρά με τον τακτικό δείκτη διάθλασης, n_⊥, τον οποίο συμβολίζουμε και ως n_o (n_ordinary). Αντίστοιχα, όταν η πόλωση είναι παράλληλη με τον οπτικό άξονα τότε το φως αλληλεπιδρά με τον μη τακτικό δείκτη διάθλασης, n_//.

Για τη γενική περίπτωση όπου η πόλωση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας δεν είναι κάθετη στον κατευθυντή, ορίζουμε το ελλειψοειδές του δείκτη διάθλασης. Αυτό, στην περίπτωση μονοαξονικού υγρού κρυστάλλου, είναι ένα ελλειψοειδές εκ περιστροφής περί τον κατευθυντή. Το μήκος του κατά τη διεύθυνση του άξονα συμμετρίας του («κύριος οπτικός άξονας», που συμπίπτει με τον κατευθυντή) λαμβάνεται ίσο με την τιμή n_// του δείκτη διάθλασης ενώ η μέγιστη διάμετρός του κάθετα στον κύριο άξονα λαμβάνεται ίση με την τιμή n_⊥. Με τη βοήθεια του ελλειψοειδούς του δείκτη διάθλασης μπορούμε να βρούμε τους δείκτες διάθλασης που διέπουν τη διάδοση μιας ακτίνας σε οποιαδήποτε διεύθυνση εντός του υγρού κρυστάλλου.

Επιστημονικό και τεχνολογικό ενδιαφέρον

Μερικές από τις βασικές τεχνολογικές εφαρμογές στις οποίες αξιοποιούνται ηλεκτρικές και οπτικές ιδιότητες των υγρών κρυστάλλων:

• Με την εφαρμογή ηλεκτρικού πεδίου είναι δυνατό να αναπροσανατολίζεται ο κατευθυντής των νηματικών υγρών κρυστάλλων. Η αναστροφή του πεδίου δεν αλλάζει τον προσανατολισμό (απολική ευθυγράμμιση του κατευθυντή στο ηλεκτρικό πεδίο).
• Σε κατάλληλες διατάξεις, η παραμόρφωση της κατανομής του κατευθυντή που προκαλείται από την εφαρμογή ηλεκτρικού πεδίου στο δείγμα του υγρού κρυστάλλου είναι ελαστική. Έτσι, μετά την άρση του ηλεκτρικού πεδίου το δείγμα επανέρχεται στην αρχική του κατάσταση.
• Με την εφαρμογή ηλεκτρικού πεδίου είναι δυνατό να αναπροσανατολίζεται το διάνυσμα αυθόρμητης πόλωσης, και μέσω αυτού ο κατευθυντής, των χειρόμορφων σμηκτικών C. Η αναστροφή του πεδίου αναστρέφει τον προσανατολισμό της πόλωσης (πολική ευθυγράμμιση).
• Λόγω της χαμηλής αγωγιμότητας που επιτυγχάνεται στους υγρούς κρυστάλλους, η εφαρμογή του ηλεκτρικού πεδίου συνοδεύεται από μηδαμινό ηλεκτρικό ρεύμα, και συνεπώς χαμηλή κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας.
• Οι νηματικοί ΥΚ είναι διπλοθλαστικοί. Ο δείκτης διάθλασης έχει διαφορετική τιμή όταν η πόλωση του φωτός είναι κατά μήκος του κατευθυντή (n_//) από ότι όταν είναι κάθετη σ’ αυτόν (n_⊥). Επίπεδα πολωμένη ακτίνα που διαδίδεται κατά μήκος του κατευθυντή «βλέπει» μόνο την τιμή n_⊥ του δείκτη διάθλασης ενώ όταν διαδίδεται κάθετα σ’ αυτόν «βλέπει» και τις δύο τιμές με συνέπεια να είναι δυνατή η στροφή του επιπέδου πόλωσής της κατά την έξοδο από τον υγρό κρύσταλλο.
• Οι χειρόμορφοι, νηματικοί ή σμηκτικοί, υγροί κρύσταλλοι είναι και οπτικά ενεργοί. Η διάδοση ακτίνας κατά μήκος του άξονα της έλικας συνοδεύεται από συνεχή στρέψη του επίπεδου της πόλωσης.

Οι περισσότερο γνωστές τεχνολογικές εφαρμογές των υγρών κρυστάλλων αφορούν τις οθόνες ηλεκτρονικών υπολογιστών, τηλεοπτικών δεκτών, συσκευών κινητής τηλεφωνίας κτλ. καθώς επηρεάζουν τις διερχόμενες απ΄ αυτά φωτεινές ακτίνες. Η μοριακή αυτο-οργάνωση όπου εμφανίζουν επιπλέον υγροκρυσταλλικά συστήματα αξιοποιείται στην παρασκευή σύνθετων υλικών με ίνες όπου απαιτείται ο υψηλών προσανατολισμός της ενισχυτικής φάσης (για παράδειγμα στην περίπτωση των αραμιδικών ινών, kevlar) ή ως μήτρες για την ανάπτυξη άλλων νανοσκοπικών δομών. Τέλος, εκτός από τεχνολογικό ενδιαφέρον, φαινόμενα αυτο-συναρμολόγησης υγρών κρυστάλλων ενδιαφέρουν για την κατανόηση διαφόρων βιολογικών συστημάτων όπως για παράδειγμα η πλασματική μεμβράνη η οποία είναι είδος υγρού κρυστάλλου.

Αναφορές

• D.-K. Yang, S.-T. Wu. Fundamentals of Liquid Crystal Devices. John Wiley & Sons, Ltd. 2006
• J. W. Goodby, G. H. Mehl, I. M. Saez, R. P. Tuffin, G. Mackenzie, R. Auzély-Velty, T. Benvegnu, D. Plusquellec. Liquid crystals with restricted molecular topologies: supermolecules and supramolecular assemblies. Chem. Comm. 2057, 1998

Δείτε επίσης

• Οθόνη υγρών κρυστάλλων (LCD)