Cristalul

  Se numeste cristal corpul solid omogen care are in exterior o forma geometrica regulata, determinata de modul de asezare in spatiu (in mod regulat si uniform) al particulelor constituitive : ioni, atomi, molecule, in care se afla diferitele particule precum si de dimensiunea lor relativa. Cristalul, aceasta forma a starii solide a materiei, poate sa ia nastere cand o substanta lichida sau gazoasa trece in stare solida. Procesul prin care o substanta trece din stare gazoasa sau din solutie in stare solida cu structura cristalina, se numeste cristalizare. Aranjamentul dupa care sunt dispuse particulele constituitive ale cristalului in punctele de intersectie a trei familii de drepte paralele si echidistante poarta denumirea de retea cristalina. Particulele constituitive ocupa nodurile retelei cristaline si se gasesc intr-o miscare vibratorie in jurul unei pozitii medii.
   Distanta dintre planele care trec prin nodurile retelei cristaline este de ordinul 10 la minus 8 cm (a suta milioana parte dintr-un cm) si corespunde ordinului de marime al particulelor constituitive. Pentru a desemna o retea cristalina este necesar sa cunoastem cum este alcatuita o mica portiune a retelei, care prin multiplificare in cele trei directii ale spatiului, cladeste intregul cristal, tot asa cum un zid rezulta prin suprapunerea unor caramizi identice.
   Aceasta portiune limitata din reteaua cristalina, prin a carei multiplicare in cele trei directii ale spatiului rezulta intregul cristal, poarta numele de celula elementara sau paralelipiped elementar.
Celula elementara a unei retele cristaline este determinata de urmatoarele elemente:
  1) cele trei muchii: a, b, c;
  2) unghiurile dintre aceste muchii;  
  3) felul particulelor (ioni, atomi, molecule);
  4) numarul particulelor;
  5) pozitia particulelor.
  Rezulta intregul cristal, poarta numele de celula elementara sau paralelipiped elementar.
  Celula elementara a unei retele cristaline este determinata de urmatoarele elemente:
  1) cele trei muchii: a, b, c;
  2) unghiurile dintre aceste muchii;
  3) felul particulelor (ioni, atomi, molecule);
  4) numarul particulelor;
  5) pozitia particulelor.
  Cercetarea retelelor cristaline cu ajutorul razelor Rontgen ( raze X ), a condus la concluzia ca exista 14 tipuri de celule elementare (retele Bravais). Unele dintre acestea au particulele constituitive asezate numai in colturi (retele primitive), altele mai contin particule si in interiorul lor (retele cu volum centrat) sau in mijlocul unora dintre fete (retele cu fete centrate).
   Exista, in total 230 de posibilitati de aranjare a particulelor intr-o retea cristalina. Aceastea pot fi grupate in 32 de clase de simetrie, care la randul lor pot fi clasificate in functie de formele geometrice de baza in 7 sisteme cristalografice si anume: cubic, patratic (tetragonal), rombic (ortorombic), monociclic (clinorombic), triclinic, trigonal (romboedric) si hexagonal.
   Sisteme cristalografice
   Sistemul cubic (trei axe egale, perpendiculare intre ele), cu cele mai simple forme: cubul si octaedrul. In acest sistem cristalizeaza urmatoarele substante: C (diamantul) , Cu, Ag, Au, Pb, Fe, NaCl, FeS (pirita), PbS (galena), ZnS (blenda), etc.
   Sistemul patratic sau tetragonal (trei axe din care doua egale, toate perpendiculare intre ele), cu formele cele mai simple: prisma patratica si bipiramida ditetragonala. Exemple de substante care cristalizeaza in acest sistem: B, SnO (casiterita), TiO2 (rutilul), CuFeS (calcopirita), ZrSiO (zirconul).
Sistemul rombic sau ortorombic (trei axe neegale si perpendiculare intre ele), cu formele cele mai simple: prisma ortorombica si bipiramida ortorombica. In acest sistem cristalizeaza: S, KNO, K SO, BaSO, etc.
   Sistemul monoclinic sau clinorombic (trei axe neegale, una dintre ele fiind perpendiculara fata de celelalte doua, care sunt oblic inclinate intre ele), cu forma cea mai simpla prisma monoclinica. In acest sistem cristalizeaza: S, Na SO * 10 H O, CaSO * 2 H O (gipsul), FeSO * 7 H O (calaicanul), Na [Al F ] (criolita).
   Sistemul triclinic (trei axe neegale, care se intretaie sub unghiuri diferite) cu formele cele mai simple prisma triclinica si bipiramida triclinica. In acest sistem cristalizeaza: CuSO * 5 H O (piatra vanata), K Cr O (bicromatul de potasiu), Na[Al Si O] (albitul), Ca[Al Si O] sau CaO * Al O * 2 SiO (anortitul).
Sistemul trigonal sau romboedric (trei axe egale, inclinate in mod egal, dar nu perpendiculare). Forma generala este un romboedru, solid cu sase fete, niste romburi egale. Cristalizeaza in acest sistem: As, Sb, Bi, CaMg(CO), carbonatul dublu de calciu si magneziu (dolomita), FeTio (ilmenita).
   Sistemul hexagonal (trei axe egale, coplanare, la 60 grade intre ele si o a patra axa de marime diferita , perpendiculara pe planul celor trei axe), cu formele cele mai simple: prisma si bipiramida dihexagonala (solid, cu 24 fete triunghiuri scalene). In acest sistem cristalizeaza: C (grafitul), Mg, Zn, CuS (covelina), Be Al (Si O) sau beril.
   Valoarea diferitelor tipuri de proprietati fizice ale cristalelor (electrice, optice, termice, magnetice, etc.) difera cu directia dupa care se masoara. Aceasta proprietate a cristalelor se numeste anizotropie.
O proprietate specifica solidului cristalin o constituie punctul de topire respectiv de cristalizare (temperatura de trecere de la starea solida la starea lichida si invers) acesta fiind precis si bine determinat.

   SURSA 02

 
   În anul 1837, scriitorul Edgar Allan Poe, în Narrative of Arthur Gordon Pym, făcea una din primele şi cele mai interesante relatări cu privire la enigmatica apariţie a unui lichid apt de reflexe cristaline discret nuanţate şi de alte remarcabile însuşiri a căror descriere, după propria sa mărturisire, cerea multe vorbe
   Atunci, E.A. Poe, care avea predilecţie pentru asemenea incursiuni ştiinţifice în scrierile sale, nu ştia că fenomenele aparent miraculoase care îl contrariau, sunt proprii substanţelor numite azi cristale lichide, şi că de fapt, caracterizează lichidele anizotrope.
   Fenomenologia mezomorfică a lichidelor cristaline a făcut, mai bine de un secol, cu inerente periodizări şi intermitenţe, obiectul a numeroase şi diversificate investigaţii, ştiinţifice, reluate în ultimul timp cu mijloace şi implicaţii nebănuite cu decenii în urmă. Studiile teoretice şi experimentale privind structura, morfologia, textura, proprietăţile fizice, caracteristicile reonome şi interacţiune cu câmpul exterior a cristalelor lichide au deschis calea cunoaşterii lor profunde şi a unor aplicaţii excepţionale.
   De la primele consideraţii făcute de Virchow (1854) asupra comportării de cristal lichid asupra mielinei extrasă din fibrele sistemului cerebro-spinal, urmate de relevarea birefringenţei acesteia (Mettenheimer, 1875) şi până în prezent, gama substanţelor mezomorfice şi informaţia aferentă acestora au crescut extraordinar.
   Lucrările lui Otto Lehman, remarcabil cercetător al fenomenelor de izomerie fizică, evidenţiază, pe lângă caracterele monotrope şi enantimorfe ale unor cristale analizate microscopic şi particularităţile morfologice proprii unor formaţiuni structurale curbate, răsucite şi parţial ramificate denumite “trichite”. Descrierea structurilor, caracterizate de asemenea entităţi şi morfologii, asociată cu încercarea de a rexplica efectele erizării superficiale ale substanţelor numite, când “cristale lichide”, când “lichide cristaline” devenise preocuparea de baza a multor fizico-chimişti la sfârşitul secolului trecut. Planer, Löbisch, Raymann, Reinitzer şi alţii au remarcat irizaţiile exteriorizate de esterii cholesterylului în timpul răcirii acestora. S-a observat, totodată, legătura efectelor de culoare cu birefringenţa, cu activitatea optică a esterilor respectivi, în stare lichidă. Reinitzer îi solicită sprijinul lui Lehmann în elucidarea problemelor legate de apariţia a două temperaturi diferite de topire în cazul uneia şi aceleiaşi substanţe semnalându-i totodată şi efecte de culoare şi opalescenţă, constatate de el la examinarea atentă a mai multor substanţe de acelaşi gen. 

   SURSA 03
 
   Termenul de lichid cristalin este inlocuit corespunzator conceptului formulat mai elocvent si astfel, categorisit fara ambiguitate prin definirea genului proxim al notiunii de cristal lichid.
   Cristalele lichide erau definite in 1910 de Woldemar Voigt, ilustru fizician-cristalograf, ca materiale cu structuri constranse; Voigt mentiona, in aceeasi perioada de timp coexistenta particularitatilor si criteriilor concomitente de stare lichida si cristalina a acestor materiale.
   Rudolf Schenck a initiat explicarea naturii starii lichide cristaline in termeni adecvati fazei omogene, scotand in evidenta unele constatari privind discontinuitatile proprietatilor de curegere in tranzitiile de faza, caldura de tranzitie, masurarea constantelor dielectrice, sau determinarea energiei de suprafata si masa moleculara.
   Otto Wiener a dezvoltat teoria optica a birefringentei prezentate de unele sisteme cu structuri lamelare constituite din particule sub forma de bastonase.
   In primul deceniu al acestui secol fizicianul Emil Bose punea bazele teoriei mezofazei lichid-cristaline, stimuland prin experientele sale un camp magnetic nenumarate experimente si incercari teoretice de a confirma conceptul sau de structura moleculara similara unui roi.
   Sunt din ce in ce mai bine conturate particularitatile structural-morfologice ale cristalelor lichide, consolidandu-se teoriile privind natura moleculara a interactiunilor, vascozitatea, vasco-elasticitatea, etc. Analiza structurala cu ajutorul razelor X devine tot mai eficienta in abordarea si descifrarea mecanismelor de constitutie si ordonabilitate a sistemelor mezomorfe. Difuzia luminii contribuie, de asemenea la caracterizarea si distingerea fazelor nematice si smectice in timp ce teoria fazei colesterice nu intrezarea decat elemente de dezordine in structurile proprii acestei faze. Orientarea, aranjarea reciproca, sau alinierea moleculelor alungite, rigide, ori spiralizate, incep sa intre tot mai mult in sfera investigatiilor structurale ale cercetatorilor vremii. Insusirea moleculelor-bagheta de a sta vertical in structurile lineare, specifice unor faze intermediare, se asociaza tot mai strans cu caracterul polar al interactiilor primordial responsabile de orientarea si alinierea moleculara. Friedel avansa ideea aplicarii teoriei feromagnetismului chiar si cristalelor lichide. Se admitea, in urma cu patru decenii, ca diamagnetismul moleculelor si nu momentul magnetic al roiului molecular conditioneaza alinierea. Efectele directionale teoretizate de Kast, Debye, Fréedericksz, Ornsteien capata o interpretare diamagnetica fiind descrise cantitativ prin intermediul campului si energiei magnetice, tipice pentru distributia Boltzmann.
   Decelarea unor noi interconexiuni la nivelul momentului electric molecular si al influentei directionale a campului electric de joasa frecventa, sau corelarea conductivitatii cu campul magnetic si temperatura mezofazei au premers investigatiilor vizand proprietatile termice, elasto-chimice si ca camp ale sistemelor mezogene. Svedberg, Ornstein, Björnstahl, Riwlin si altii pusesera temeliile cunoasterii unor raporturi dintre efectele statice si dinamice ale compusilor mezogeni aflati in interactie cu un camp influent, incat cele aproape 100 de dizertatii, eleborate numai la scoala de la Halle a lui Vorländer, nu au facut decat sa diversifice riguros si sa confirme cimportanta domeniului cristalelor lichide si a perspectivelor sale devenite realitate in ultimele doua decenii. In perioada care a cuprins cel de-al doile razboi mondial W. Maier, C. Weygard, Zocher, Zwetkoff, Michailow, Marinin, Chatelain, Zolina si multi altii au contribuit la sublinierea si impunerea urmatoarelor rezultate mai semnificative pentru evolutia ulterioara a preocuparilor stiintifico-tehnice si a tehnologiei aferente cristalelor lichide:
- efectul orientarii moleculelor de cristal lichid in camp electric este proportional cu E2 adica, este dependent de anizotropia dielectrica;
* intensitatea miscarii moleculelor intr-un strat de lichid anezotrop de grosime variabila creste cu intensitatea campului electric E de joasa frecventa;
* aplicarea unui camp magnetic cu efecte de orientarea are ca urmare dezorientarea moleculara, miscarea turbulenta a moleculelor;
* in structurile lamelare, intensitatea E a campului aplicat in conditii date implica o anumita grosime critica a stratului reprezentativ;
* efectele de orientare sau de perturbare partoiala nu modifica esential caracterul alinierii, sau a paralelismului axelor moleculare cu liniile de forta, sau de curent;
* compensarea campurilor electrice si magnetice poate facilita evaluarea anizotropiei dielectrice;
* la frecvente mai mari de 3*105 Hz, daca nu se produc curenti, efectele de orientare nu se schimba;
* proprietatile optice, electric si magnetice ale cristalelor lichide concorda cu teoria fenomenelor cooperative si pot fi exprimate in termenii gradului de ordine la distanta si al energiei de orientare in functie de temperatura.
   In prezent, cristalele lichide, redevenite pe un alt plan utilitar materiale moderne, se incorporeaza tacit dar eficient in diverse sectoare ale cercetarii de dezvoltare si in directii importante de activitate tehnico-stiintifica, cum sunt optica electronica, radio-locatia, calculatoarele electronice, termografia, medicina si altele. 

sursa:ipedia.ro