Tinh thể lỏng là gì: pha trung gian giữa chất rắn và chất lỏng

Tinh thể lỏng là một pha trung gian của vật chất: chảy được như chất lỏng, nhưng các phân tử vẫn giữ một trật tự định hướng như trong tinh thể. Vì có trật tự, tinh thể lỏng tách ánh sáng thành hai tia giống canxit; vì chảy được, chỉ một điện áp nhỏ đã xoay được các phân tử. Hai đặc tính đó gặp nhau trong màn hình tinh thể lỏng, nhưng pha vật chất này còn có mặt trong xà phòng, màng tế bào, tơ nhện và vỏ bọ cánh cứng.

Năm 1888: một chất "nóng chảy hai lần"

Năm 1888, nhà thực vật học người Áo Friedrich Reinitzer làm việc ở Praha, nghiên cứu các dẫn xuất cholesterol chiết từ cà rốt. Ông thấy một chất, cholesteryl benzoat, có hành vi lạ: đến khoảng 145,5 °C nó chảy thành một chất lỏng đục như sữa, và phải lên khoảng 178,5 °C chất lỏng ấy mới trong hẳn. Khi nguội, ông còn thấy màu sắc thoáng hiện lên rồi biến mất gần các nhiệt độ chuyển pha.

Reinitzer gửi mẫu cho nhà vật lý Otto Lehmann ở Đức, người có kính hiển vi phân cực gắn bàn nhiệt. Dưới kính, chất lỏng đục ấy làm xoay ánh sáng phân cực giống tinh thể. Lehmann gọi nó là "tinh thể chảy", rồi "tinh thể lỏng", cái tên tồn tại đến hôm nay dù nghe như tự mâu thuẫn. Năm 1922, nhà khoáng vật học người Pháp Georges Friedel đặt nền cho cách phân loại các pha này, và đề nghị gọi chúng là các trạng thái trung gian (mesomorphic) cho chính xác hơn.

Chi tiết đáng nhớ với người mê đá: người đặt tên cho các pha tinh thể lỏng là một nhà khoáng vật học, và dụng cụ phát hiện chúng là kính hiển vi phân cực, chính công cụ các nhà địa chất dùng để soi lát mỏng đá.

Trật tự nằm ở đâu: rắn, lỏng và cái ở giữa

Trong một tinh thể như thạch anh, nguyên tử có trật tự về vị trí (mỗi nguyên tử ở một ô mạng cố định) và trật tự về hướng. Trong chất lỏng thường, cả hai trật tự đều mất. Tinh thể lỏng giữ lại một phần:

Hãy hình dung một đàn cá: trong pha nematic, mỗi con bơi tới đâu tuỳ ý nhưng cả đàn hướng đầu về gần cùng một phía. Hướng chung ấy gọi là hướng định hướng (director). Tên "nematic" lấy từ chữ Hy Lạp nghĩa là sợi chỉ, vì dưới kính hiển vi phân cực, pha này hiện những đường khuyết tật mảnh như sợi. "Smectic" lấy từ chữ Hy Lạp chỉ xà phòng, vì các lớp trượt của nó gợi đến cảm giác trơn của xà phòng.

Có một loại thứ ba gọi là cholesteric, hay nematic xoắn. Các phân tử có tính "tay", nên hướng định hướng xoay dần từ lớp này sang lớp khác thành một đường xoắn ốc. Chính chất Reinitzer tìm ra thuộc loại này.

Tinh thể lỏng nhiệt hướng và tinh thể lỏng hướng dung môi

Pha tinh thể lỏng xuất hiện theo hai cách. Loại nhiệt hướng (thermotropic) xuất hiện trong một khoảng nhiệt độ, như chất của Reinitzer hay chất trong màn hình. Loại hướng dung môi (lyotropic) xuất hiện khi một chất hoà vào dung môi ở nồng độ nhất định: xà phòng và nước đặc, màng tế bào gồm hai lớp phân tử lipid, dung dịch ADN đậm đặc đều có trật tự kiểu tinh thể lỏng. Sợi aramid siêu bền dùng trong áo chống đạn được kéo từ một dung dịch tinh thể lỏng, và tuyến tơ của nhện cũng chứa dung dịch protein có trật tự tương tự trước khi kéo thành sợi.

Vì sao tinh thể lỏng điều khiển được ánh sáng

Phân tử tinh thể lỏng điển hình dài, cứng ở giữa, như một chiếc que. Ánh sáng dao động dọc theo que và ngang que đi với vận tốc khác nhau. Vì các que xếp cùng hướng, cả khối vật liệu có hai chiết suất: nó khúc xạ kép, giống viên canxit Iceland nhìn chữ thành hai hình. Khác biệt là canxit cứng đơ, còn trong tinh thể lỏng, chỉ cần điện trường vài vôn trên lớp dày vài micromet là các que xoay theo, và tính chất quang học thay đổi theo.

Đặt một lớp tinh thể lỏng giữa hai kính phân cực, xoay được các phân tử nghĩa là đóng mở được ánh sáng. Đó là nguyên lý cốt lõi của màn hình tinh thể lỏng.

Từ phòng thí nghiệm đến màn hình

• Thập niên 1960: George Heilmeier và cộng sự ở Mỹ làm những màn hình tinh thể lỏng thử nghiệm đầu tiên, dựa trên hiệu ứng tán xạ khi có dòng điện. Chất khi đó chỉ ở pha tinh thể lỏng khi nóng hơn nhiệt độ phòng và mau hỏng.
• 1970–1971: tế bào nematic xoắn được công bố, trong đó có công trình của Martin Schadt và Wolfgang Helfrich ở Thuỵ Sĩ; James Fergason ở Mỹ phát triển ý tưởng tương tự. Lớp tinh thể lỏng được xoắn 90° giữa hai tấm kính, dẫn ánh sáng phân cực xoay theo; đặt điện áp, các phân tử dựng đứng, ánh sáng bị chặn.
• 1972–1973: George Gray ở Đại học Hull (Anh) tổng hợp họ hợp chất cyanobiphenyl, ổn định và ở pha nematic ngay nhiệt độ phòng, mở đường cho màn hình đồng hồ, máy tính bỏ túi.
• Về sau: các kiểu sắp xếp khác (chuyển mạch trong mặt phẳng, xếp dọc) cải thiện góc nhìn; mỗi điểm ảnh có một transistor màng mỏng điều khiển riêng.

Màn hình tinh thể lỏng không tự phát sáng: nó là một tấm "cửa chớp" đặt trước đèn nền. Đây là khác biệt cơ bản với màn hình OLED, nơi từng điểm ảnh tự phát sáng.

Màu sắc từ cấu trúc xoắn

Tinh thể lỏng cholesteric phản xạ mạnh một màu nhất định tuỳ theo bước xoắn, tức khoảng cách để hướng định hướng quay một vòng. Khi bước xoắn cỡ vài trăm nanomet, màu phản xạ nằm trong vùng nhìn thấy. Bước xoắn đổi theo nhiệt độ, nên màu cũng đổi: đó là nguyên lý của miếng dán đo nhiệt độ đổi màu, dải nhiệt kế dán bể cá, hay những chiếc nhẫn "đổi màu theo tâm trạng" thực ra chỉ đổi theo nhiệt độ ngón tay.

Thiên nhiên làm điều này từ lâu. Vỏ của một số loài bọ hung ánh kim, như bọ cánh cứng thuộc chi Chrysina ở châu Mỹ, có lớp chitin xếp xoắn kiểu cholesteric. Ánh kim của chúng là màu cấu trúc, và ánh sáng phản xạ bị phân cực tròn theo một chiều, điều mắt người không nhận ra nhưng đo được bằng kính lọc phân cực tròn.

Góc nhìn hôm nay: nhìn thấy tinh thể lỏng bằng hai mắt kính phân cực

Thử ngay một quan sát đơn giản: đeo kính râm phân cực và nhìn màn hình máy tính bỏ túi hoặc màn hình điện thoại loại tinh thể lỏng, rồi nghiêng đầu 90°. Màn hình có thể tối hẳn hoặc đổi độ sáng, vì ánh sáng ra khỏi màn hình đã phân cực. Đặt một miếng băng dính trong hoặc một hộp nhựa trong giữa màn hình và kính, bạn sẽ thấy dải màu do nhựa bị căng gây khúc xạ kép, cùng loại hiện tượng nhà địa chất dùng để nhận diện khoáng vật dưới kính hiển vi phân cực.

Khi màn hình bị vỡ, đừng cố bóc lớp kính: mảnh kính sắc dễ gây đứt tay, lượng tinh thể lỏng rất ít. Đưa thiết bị hỏng về điểm thu gom đồ điện tử thay vì bỏ chung rác sinh hoạt. Người muốn đọc thêm có thể tìm sách phổ thông về vật lý chất mềm, hoặc tài liệu lịch sử của Hiệp hội Tinh thể lỏng Quốc tế về Reinitzer và Lehmann.