در سال ۱۸۸۸، گیاهشناس و شیمیدان اتریشی Friedrich Reinitzer که به نقش شیمیایی کلسترول در گیاهان علاقهمند بود، متوجه شد که یکی از مشتقات کلسترول به نام کلستریل بنزوات دو نقطه جوش متفاوت دارد. در دمای ۱۴۵.۵°C ترکیب جامد به یک مایع کدر تبدیل شده و سپس در دمای ۱۷۸.۵°C حالت کدری خود را از دست داده و به مایع روان تبدیل میشود. هنگام سرد کردن مایع متوجه شد که عکس سیر وقایع مذکور رخ میدهد. او نتیجه گرفت که حالت جدیدی از ماده را کشف کردهاست که بین حالت کریستالی و حالت مایع قرار دارد: حالت کریستال مایع. کمی بیش از یک قرن پس از کشف Reinitzer، کریستالهای مایع خود به یکی از پیشرفتهترین مواد بدل شدند که از از ساعتها و نمایشگر ماشین حسابها گرفته تا سنسورهای دمایی کاربرد دارند.
مازوفازها
در کریستالهای جامد، م.لک.لهای در یک شبکه بلوری به طور منظم قرار گرفتهاند. وقتی کریستال حرارت میبیند، حرکتهای گرمایی مولکولها در شبکه بلوری شدیدتر میشود تا اینکه در نهایت این لرزشها آن قدر قوی میشوند که باعث میشوند شبکه بلوری از هم بپاشد و مولکولها حالت مایع به ماده میدهند.دمایی که در آن این اتفاق میافتد، نقطه ذوب نام دارد. با اینکه این تبدیل حالت در اکثر مواد به این صورت رخ میدهد که از حالت کاملا سازمانیافته جامد به حالت کاملا نامنظم مایع تبدیل میشود، این تبدیل حالت لزوما برای همه اجزای جهان صدق نمیکند. برخی ترکیبها، از بین رفتن نظم مولکولها با افزایش دما همراه با تعداد بیشتری مراحل واسطه همراه است. این مراحل واسطه مزوفاز یا فازهای کریستال مایع میگویند. مواد در این مراحل هم برخی از ویژگیهای مواد جامد و هم مایع را دارند. کریستالهای مایع همچون مایع میتوانند جاری شوند، اما اندازه برخی ویژگیهای الکتریکی و مکانیکی بستگی به جهت اندازهگیری دارد.کریستالها مایع تیپیک استوانهمانند یا دایرهمانند میباشند. مراحل مختلف مزوفاز میتواند برحسب مقدار نظمی که مولکولها دارند از هم متمایز شوند.
کمنظمترین فاز کریستال مایع برای مولکولهای استوانهای شکل، فاز نماتیک میباشد که در آن محورهای بلند هر یک از آنها تقریبا در یک جهت قرار دارند. مادهای که در فاز نماتیک قرار دارد ویسکوزیته خیلی کمی دارد بنابراین خیلی راحت جاری میشود. در فازهای Smectic، مولکولها نظم بیشتری نسبت به نماتیک دارند. مثل فاز نماتیک محور مولکولها کم و بیش با هم موازیاند. علاوه بر اینها، مولکولها ساختار شبهلایهای ایجاد کردهاند. خود فازهای Smectic برحسب مقدار نظمی که مولکولها دارند به چند نوع تقسیمبندی میشوند؛ فاز Smectic A (SmA) و فاز Smectic C (SmC) دو نوعی هستند که بیشتر از بقیه مطالعه شدهاند. در فاز SmA، مولکولها عمود بر صفحههای لایهای قرار میگیرند در حالیکه در فاز SmC شیبدار میباشند. اجزایی که این فازها را تشکیل میدهند، مقداری سیالیت دارند اما ویسکوزیته آنها بسیار بیشتر از اجزای فاز نماتیک است. مولکولهای دستسان (آنهایی که مرکز تقارن ندرند) میتوانند یک فاز دستسانی را ایجاد کنند، که فاز نماتیک دستسانی هم گفته میشود. در این مزوفاز، مولکولها به حالت مارپیچ قرار دارند.
مزوفرمهای تیپیک توسط مولکولهای دایرهمانند ساخته شدهاند که آنها هم در ستونهایی قرار دارند. علاوه بر ترتیب ستونی، مولکولها میتوانند همانند تودهای از سکههای روی زمین باشند که به آن فاز نماتیک دایرهمانند گفته میشود.
نمایشگرها
تا به حال، مهمترین کاربرد کریستالهای مایع در وسایل دارای نمایشگر بود. نمایشگرهای کریستال مایع (LCD) در اکثر موارد اعم از ساعتها، مایشنحسابها، نمایشگرهای لپتاپ استفاده میشود. چندین نوع LCD وجود دارد. در کل، اهمیت این مواد به این ذلیل است که جهتگیری مولکولها در فاز نماتیک میتواند توسط عوامل خارجی نظیر میدان الکتریکی خارجی تغییر کند و از طرفی کریستالهای مایع منحصر به فرد هستند و هرکدام بسته به جهت اندازهگیری، ویژگیهای فیزیکی متفاوتی دارند. در LCD ها کریستال مایع خالص به کار برده نمیشود چون کریستالهای مایع در ترکیب با مواد دیگر ویژگیهای بهتری دارند.
سادهترین LCD که حروف و اعداد را نشان میدهد، منبع نوری درونی ندارد. آنها از نور محیط اطراف خود استفاده میکنند که میتوانند به طور انتخابی آنها را بازتاب کرده یا جذب کنند. LCD را میتوان مثل آینهای تصور کرد که در برخی مناطق با مادهای پوشیده شدهاست که در برخی دورههای زمانی نور را بازتاب نمیدهد. مزیت اصلی LCD مصرف انرژی پایین آن است. LCD های پیشرفتهتر نیاز به نور پسزمینه، فیلترهای رنگی و وسایل الکترونیکی پیشرفته دارند. شناختهشده ترین نوع LCD، صفحه نمایش نماتیک پیچیده میباشد.
ترمومترهای کریستال مایع
استفاده از کریستال مایع در سنسورهای دمایی به لطف بازتاب انتخابی نور توسط کریستالهای مایع نماتیک دستسان امکانپذیر است. این کریستالها نوری با ویژگیهای خاص خود را بازتاب میدهد که آنها هم به زیر و بم آن و زاویه دیدش بستگی دارد. چون زیر و بم یک ترکیب نماتیک دستسان وابسته به دما میباشد، کریستالهای مایع میتوانند همانند ترموستات عمل کنند. با مخلوط این ترکیبها، میتوان ترمومترها را در بازههای دمایی دلخواه تنظیم کرد. تنوع رنگ برخی ترمومترهای کریستال مایع با تغییر تنها چند درجه سانتیگراد، کل طیف رنگی قابل مشاهده را در بر میگیرد. برای استفاده در ابزارها ریزکپسولهایی حاوی این ترکیبات طراحی شدهاست. از کاربردهای ترمومترهای کریستال مایع میتوان به ترموگرافی پزشکی اشاره کرد. با اتصال یکی از این ترمومترها به پوست، میتوان تغییرات دمایی آن را اندازه گرفت که میتوان در تشخیص سرطان پوست استفاده کرد چون همانطور که میدانید دمای تومورهای بدن متفاوت از بافت اطراف میباشد. در صنعت الکترونیک، سنسورهای دمایی کریستال مایع میتوانند اتصالات ضعیف در یک مدار را با ردیابی تغییرات دمایی محیط اطراف شناسایی کنند.
