между ними. Длину одного из ребер называют постоянной кристаллической решетки, а всю совокупность шести величин, задающих ячейку, - параметрами ячейки.
Важно обратить внимание на то, что большинство атомов, а для многих типов кристаллической решетки и каждый атом принадлежит не одной элементарной ячейке, а входит одновременно в состав нескольких соседних элементарных ячеек.
Классификация кристаллов и объяснение их физических свойств оказываются возможными только на основе изучения их симметрии. Учение о симметрии является основой всей кристаллографии.
Для количественной оценки степени симметричности служат элементы симметрии - оси, плоскости и центр симметрии. Осью симметрии называют воображаемую прямую, при повороте вокруг которой на 360° кристалл (или его решетка) несколько раз совмещается сам с собой. Число этих совмещений называют порядком оси. Плоскостью симметрии называют плоскость, рассекающую кристалл на две части, каждая из которых является зеркальным отображением одна другой. Число плоскостей симметрии может быть различным. Центром симметрии называют точку внутри кристалла, в которой пересекаются все оси симметрии.
Каждый кристалл характеризуется определенным сочетанием элементов симметрии. Ввиду того, что число элементов симметрии невелико, задача отыскания всех возможных форм кристаллов не является безнадежной. Выдающийся русский кристаллограф Е.С. Федоров установил, что в природе может существовать только 230 различных кристаллических решеток, обладающих осями симметрии второго, третьего, четвертого и шестого порядка. Иначе говоря, кристаллы могут иметь форму различных призм и пирамид, в основании которых могут лежать только правильный треугольник, квадрат, параллелограмм и шестиугольник.
Кристаллы разделяют на ионные, ковалентные, молекулярные и металлические в зависимости от их строения. Ионные кристаллы построены из чередующихся катионов и анионов, которые удерживаются в определенном порядке силами электростатического притяжения и отталкивания. В ковалентных кристаллах, которые часто называют атомными в узлах кристаллической решетки находятся атомы, связанные ковалентными связями. Молекулярные кристаллы построены из изолированных молекул, между которыми действуют сравнительно слабые силы притяжения. Что касается металлических кристаллов, то их кристаллическая решетка образована катионами, которые связаны подвижными электронами («электронным газом»).
1.2 Рост кристаллов
Никто не видел, как образуется зародыш кристалла в растворе или расплаве. Можно высказать предположение, что беспорядочно движущиеся атомы или молекулы случайно могут расположиться в таком порядке, какой соответствует кристаллической решетке. Если раствор не насыщен или температура расплава выше температуры кристаллизации, то зародыши образуются и тут же растворяются или разрушаются тепловым движением. В перенасыщенном растворе или в расплаве, охлажденном до температуры ниже температуры кристаллизации, скорость роста зародыша превышает скорость его разрушения.
Такое, казалось бы разумное предположение не согласуется с результатами практики. Как показывают расчеты, зародыш будет устойчив и сможет расти, если число молекул на его поверхности много меньше числа внутренних молекул. Теоретическая оценка ребра такого зародыша дает величину около 1*10-8 м, т.е. равную нескольким десяткам межатомных расстояний. В объеме этого минимального устойчивого зародыша содержится несколько тысяч атомов. Ясно, что вероятность столкновения такого большого числа атомов ничтожно мала. Однако допустим, что зародыш каким-то образом все же образовался, и выясним, какие условия необходимы для того, чтобы он не растворился, а начал расти.
При образовании зародыша выделилось тепло. Атомы, образовавшие кристаллическую решетку зародыша, передали часть своей энергии соседним атомам расплава, которые начали двигаться быстрее. Атомы ближайшего окружения зародыша до тех пор не смогут «осесть» на нем, пока не передадут избыточную энергию более отдаленным атомам. Таким образом, рост зародыша будет происходить в том случае, если обеспечить постоянный отвод тепла из расплава.
Как же располагаются на поверхности зародыша оседающие атомы? Раньше считали, что рост кристаллов происходит слой за слоем. Сначала завершается построение одного слоя, потом начинается укладка следующего и т.д. В результате грани, наращиваясь слой за слоем, перемещаются параллельно самим себе в направлении, перпендикулярном плоскости грани, как при кладке кирпичной стены. О справедливости такого предположения, казалось бы, говорят факты существования плоских граней у кристаллов.
После этого рост кристалла затрудняется, так как образование нового слоя - событие менее вероятное. Где бы ни «осел» атом на завершенной плоскости, везде он будет связан с небольшим числом атомов кристалла. Вероятность того, что эта слабая связь будет нарушена тепловым движением, велика, поэтому атом не сможет закрепиться на кристалле и перейдет в раствор или в расплав. При таком механизме застройки атомных плоскостей скорость роста кристалла должна быть очень малой. В опыте же при выращивании кристаллов из паров с пересыщением всего в 1% была обнаружена скорость роста кристалла в 101000 раз больше рассчитанной теоретически. По-видимому, большего расхождения теории с опытом в физике не наблюдалось.
Объяснение этому расхождению теории и практики было найдено лишь сравнительно недавно, в 1949 году. Легкость, с какой начинается застройка новой атомной плоскости, оказалось возможным объяснить тем, что реальные кристаллы имеют множество дефектов структуры.
Описывая строение кристаллов, мы пользовались их идеальными моделями. Отличие реальных кристаллов от идеальных заключается в том, что реальные кристаллы не обладают правильной кристаллической решеткой, а имеют целый ряд нарушений в расположении атомов, называемых дефектами. Знание условий образования дефектов и способов их устранения играет большую роль при использовании кристаллов на практике.
Самые простые дефекты в идеальной кристаллической решетке возникают в результате замещения собственного атома чужеродным, внедрения атома в междоузлие, отсутствия атома в одном из узлов кристаллической решетки.
Особую роль в процессе роста кристалла играют несовершенства его структуры, называемые дислокациями (смещениями). Простейшими видами дислокации являются краевая и винтовая. Краевая дислокация образуется в месте обрыва «лишней» атомной полуплоскости. В случае винтовой (дислокации атомные плоскости образуют систему, напоминающую винтовую лестницу. Количество дислокаций в кристаллах может быть очень большим, достигая 108 - 109 см-3. Кристаллов без дислокаций не существует. Постоянное наличие открытой ступеньки винтовой дислокации создает благоприятные условия для роста кристалла, ведь не нужно начинать строить ни новый ряд, ни новую плоскость. Атомы, пристраивающиеся к ступенькам, наращивают ее, и за счет этого она начинает перемещаться по поверхности грани. Но это движение не будет перемещением ступеньки параллельно самой себе, так как ее конец неподвижен. Нетрудно сообразить, что если атомы укладываются с постоянной скоростью вдоль всей длины ступеньки, то она по мере роста начнет изгибаться и примет форму спирали. Постоянное наращивание ступеньки новыми слоями атомов приведет к тому, что на грани кристалла образуется спиральная башенка. Центральная часть ее как бы ввинчивается в пространство, опережая в своем движении нижние ступеньки лестницы, которые со временем будут застроены полностью и исчезнут, превратившись в завершенный атомный слой.
Зарождение кристалла облегчается при наличии в растворе или расплаве мельчайших инородных тел - пылинок и других загрязнений. Очевидно, в данном случае зародыши кристаллов образуются не путем объединения при случайных столкновениях атомов или молекул, а в результате осаждения атомов на твердых инородных телах, пылинках, практически всегда присутствующих в расплаве или газе. Например, зародышами снежинок являются взвешенные в воздухе твердые пылинки, чаще всего мельчайшие кварцевые песчинки. Неправильная форма пылинки, на которой начинается зарождение кристалла, способствует возникновению в нем дислокации и резкому возрастанию скорости роста кристалла.
Способы зарождения новых слоев и скорости роста граней кристаллов различных веществ неодинаковы. Одни кристаллы вырастают в виде пластин, другие - в виде иголок. Это вызвано многими причинами. Одна из них - различие молекул вещества по форме. Различие скоростей роста граней кристаллов многих веществ объясняется зависимостью от направления величины сил связи частиц, образующих кристалл. Вероятность прилипания молекул в направлении действия больших сил, конечно, оказывается большей, чем в направлении действия меньших сил. Так обстоит дело в кристаллах с пластинчатой структурой (слюда, графит), в которых рост происходит преимущественно вдоль плоскостей, где действуют сильные связи. В направлениях, перпендикулярных этим плоскостям, скорость роста значительно ниже.
Но не только форма молекул и заметная разница сил их взаимодействия в различных направлениях определяют форму растущего кристалла. Если кристаллы растут при больших пересыщениях пара или раствора, то часто образуются необычные для данного вещества ветвистые, древовидные формы, называемые дендритами. Объясняется это тем, что вершины кристаллов соприкасаются с более пересыщенным паром или раствором, чем их грани. Опережая в росте боковые грани, вершины внедряются в глубь неиспользованного раствора или пара, что способствует их дальнейшему быстрому росту и т, д.
Примером дендритных образовании являются снежинки, ледяные узоры на стекле. При медленном росте кристаллы льда принимают обычную для них форму шестигранных призм. Дендриты образуются при быстром охлаждении расплавов солей и металлов. В природе довольно часто встречаются в виде дендритов серебро, медь, золото.
1.3 Получение твёрдых кристаллов
Развитие науки и техники привело к тому, что многие драгоценные камни или просто редко встречающиеся в природе кристаллы стали очень нужными для изготовления деталей приборов и машин, для выполнения научных исследований. Потребность во многих кристаллах возросла настолько, что удовлетворить ее за счет расширения масштабов выработки старых и поисков новых природных месторождений оказалось невозможно.
Таким образом, возникла задача разработки технологии искусственного изготовления монокристаллов многих элементов и химических соединений.
Разработка сравнительно простого способа изготовления «драгоценного камня» приводит к тому, что он перестает быть драгоценным. Объясняется это тем, что большинство драгоценных камней является кристаллами широко распространенных в природе химических элементов и соединений. Так, алмаз - это кристалл углерода, рубин и сапфир - кристаллы окиси алюминия с различными примесями.
Рассмотрим основные способы выращивания монокристаллов. На первый взгляд может показаться, что осуществить кристаллизацию из расплава очень просто. Достаточно нагреть вещество выше температуры плавления, получить расплав, а затем охладить его. В принципе это правильный путь, но если не принять специальных мер, то в лучшем случае получится поликристаллический образец. А если опыт проводить, например, с кварцем, серой, селеном, сахаром, способными в зависимости от скорости охлаждения их расплавов затвердевать в кристаллическом или аморфном состоянии, то нет никакой гарантии, что не будет получено аморфное тело.
Для того чтобы вырастить один монокристалл, недостаточно медленного охлаждения. Нужно сначала охладить один небольшой участок расплава и получить в нем «зародыш» кристалла, А затем, последовательно охлаждая расплав, окружающий «зародыш», дать возможность разрастись кристаллу по всему объему расплава. Этот процесс можно обеспечить медленным опусканием тигля с расплавом сквозь отверстие в вертикальной трубчатой печи. Кристалл зарождается на дне тигля, так как оно раньше попадает в область более низких температур, а затем постепенно разрастается по всему объему расплава. Дно тигля специально делают узким, заостренным на конус, чтобы в нем мог расположиться только один кристаллический зародыш.
Этот способ часто применяется для выращивания кристаллов цинка, серебра, алюминия, меди и других металлов, а также хлористого натрия, бромистого калия, фтористого лития и других солей, используемых оптической промышленностью. За сутки можно вырастить кристалл каменной соли массой порядка килограмма.
Недостатком описанного метода является загрязнение кристаллов материалом тигля.
Этого недостатка лишен бестигельный способ выращивания кристаллов из расплава, которым выращивают, например, корунд, (рубины, сапфиры). Тончайший порошок окиси алюминия из зерен размером 2-100 мкм высыпается тонкой струёй из бункера, проходит через кислородно-водородное пламя, плавится и в виде капель попадает на стержень из тугоплавкого материала. Температура стержня поддерживается несколько ниже температуры плавления окиси алюминия (2030°С). Капли окиси алюминия охлаждаются на нем и образуют корку спекшейся массы корунда. Часовой механизм медленно (10-20 мм/ч) опускает стержень, и на нем постепенно вырастает не ограненный кристалл корунда, по форме напоминающий перевернутую грушу, так называемая буля.
Как и в природе, получение кристаллов из раствора сводится к двум способам. Первый из них состоит в медленном испарении растворителя из насыщенного раствора, а второй - в медленном понижении температуры раствора. Чаще применяют второй способ. В качестве растворителей используют воду, спирты, кислоты, расплавленные соли и металлы. Недостатком методов выращивания кристаллов из раствора является возможность загрязнения кристаллов частицами растворителя.
Кристалл растет из тех участков пересыщенного раствора, которые его непосредственно окружают. В результате этого вблизи кристалла раствор оказывается менее пересыщенным, чем вдали от него. Так как пересыщенный раствор тяжелее насыщенного, то над поверхностью растущего кристалла всегда имеется направленный вверх поток «использованного» раствора. Без такого перемешивания раствора рост кристаллов быстро бы прекратился. Поэтому часто дополнительно перемешивают раствор или закрепляют кристалл на вращающемся держателе. Это позволяет выращивать более совершенные кристаллы.
Чем меньше скорость роста, тем лучше получаются кристаллы. Это правило справедливо для всех методов выращивания. Кристаллы сахара и поваренной соли легко получить из водного раствора в домашних условиях. Но, к сожалению, не все кристаллы можно вырастить так просто. Например, получение кристаллов кварца из раствора происходит при температуре 400°С и давлении 1000 ат.
1.4 Свойства твёрдых кристаллов
Рассматривая различные кристаллы мы видим, что все они разные по форме, но любой из них представляет симметричное тело. И действительно, симметричность - это одно из основных свойств кристаллов. Симметричными мы называем тела, которые состоят из равных одинаковых частей.
Все кристаллы симметричны. Это значит, что в каждом кристаллическом многограннике можно найти плоскости симметрии, оси симметрии, центры симметрии и другие элементы симметрии так, чтобы совместились друг с другом одинаковые части многогранника. Введем еще одно понятие относящиеся к симметрии - полярность.
Каждый кристаллический многогранник обладает определенным набором элементов симметрии. Полный набор всех элементов симметрии, присущих данному кристаллу называется классом симметрии. Их количество ограничено. Математическим путем было доказано, что в кристаллах существует 32 вида симметрии.
Рассмотрим более подробно виды симметрии в кристалле. Прежде всего, в кристаллах могут быть оси симметрии только 1, 2, 3, 4 и 6 порядков. Очевидно, оси симметрии 5, 7-го и выше порядков не возможны, потому что при такой структуре атомные ряды и сетки не заполнят пространство непрерывно, возникнут пустоты, промежутки между положениями равновесия атомов. Атомы окажутся не в самых устойчивых положениях и кристаллическая структура разрушится.
В кристаллическом многограннике можно найти разные сочетания элементов симметрии - у одних мало, у других много. По симметрии, прежде всего по осям симметрии, кристаллы делятся на три категории.
К высшей категории относятся самые симметричные кристаллы, у них может быть несколько осей симметрии порядков 2, 3 и 4, нет осей 6-го порядка, могут быть плоскости и центры симметрии. К таким формам относятся куб, октаэдр, тетраэдр и др. Им всем присуща общая черта: они примерно одинаковы во все стороны.
У кристаллов средней категории могут быть оси 3, 4 и 6 порядков, но только по одной. Осей 2 порядка может быть несколько, возможны плоскости симметрии и центры симметрии. Формы этих кристаллов: призмы, пирамиды и др. Общая черта: резкое различие вдоль и поперек главной оси симметрии.
У кристаллов низшей категории не может быть ни одной оси симметрии 3, 4 и 6 порядков, могут быть только оси 2 порядка, плоскости или центр симметрии. Структура данных кристаллов самая сложная.
Из кристаллов к высшей категории относятся: алмаз, кварцы, гранаты германий, кремний, медь, алюминий, золото, серебро, серое олово вольфрам, железо; к средней категории - графит, рубин, кварц, цинк, магний, белое олово, турмалин, берилл; к низшей - гипс, слюда, медный купорос, сегнетовая соль и др. Конечно в этом списке не были перечислены все существующие кристаллы, а только наиболее известные из них.
Категории в свою очередь разделяются на семь сингоний. В переводе с греческого «сингония» означает «сходноугольство». В сингонию объединяются кристаллы с одинаковыми осями симметрии, а значит, со сходными углами поворотов в структуре.
Категория, к которой принадлежит кристалл характеризует его физический свойства. Физические свойства кристаллов чаще всего зависят от их структуры и химического строения.
Сначала стоит упомянуть два основных свойства кристаллов. Одним из них является анизотропия. Под этим термином подразумевается изменение свойств в зависимости от направления. Вместе с тем кристаллы являются телами однородными. Однородность кристаллического вещества состоит в том, что два его участка одинаковой формы и одинаковой ориентировки одинаковы по свойствам.
Поговорим сначала об электрических свойствах. В принципе электрические свойства кристаллов можно рассматривать на примере металлов, так как металлы, в одном из состояний, могут представлять собой кристаллические агрегаты. Электроны, свободно передвигаясь в металле, не могут выйти наружу, для этого нужно затратить энергию. Если при этом затрачивается лучистая энергия, то эффект отрыва электрона вызывает так называемый фотоэлектрический эффект. Аналогичный эффект наблюдается и в монокристаллах. Вырванный из молекулярной орбиты электрон, оставаясь внутри кристалла, обуславливает у последнего металлическую проводимость (внутренний фотоэлектрический эффект). В нормальных же условиях (без облучения) такие соединения не являются проводниками электрического тока.
Поведением световых волн в кристаллах занимался Э. Бертолин, который первый заметил, что волны ведут себя нестандартно при прохождении через кристалл. Однажды Берталин зарисовывал двугранные углы исландского шпата, затем он положил кристалл на чертежи, тогда ученый в первый раз увидел, что каждая линия раздваивается. Он несколько раз убедился, что все кристаллы шпата раздваивают свет, лишь тогда Берталин написал трактат «Опыты с двупреломляющим исландским кристаллом, которые привели к открытию чудесного и необыкновенного преломления» (1669г.). Ученый разослал результаты своих опытов в несколько стран отдельным ученым и академиям. Работы были приняты с полным недоверием. Английская Академия наук выделила группу ученых на проверку данного закона (Ньютон, Бойль, Гук и др.). Эта авторитетная комиссия признала явление случайным, а закон несуществующим. О результатах опытов Берталина было забыто.
Лишь через 20 лет Христиан Гюйгенс подтвердил правильность открытие Берталина и сам открыл двупреломление в кварце. Многие ученые, в последствии занимавшиеся этим свойством подтвердили, что не только исландский шпат, но и многие другие кристаллы раздваивают свет.
Не раздваивают свет кристаллы высшей категории такие как алмаз, каменная соль, квасцы, гранаты, флюорит. У них вообще анизотропия многих свойств проявляется слабее, чем в остальных кристаллах а некоторые свойства изотропны. Во всех кристаллах низшей и средней категорий, если они прозрачны, наблюдается двойное преломление света.
Преломление возникает из-за различия скорости света в разных средах. Так в стекле скорость света в 1,5 раза меньше, чем в воздухе, следовательно, коэффициент преломления равен 1,5.
Причиной двупреломления является анизотропия скорости света в кристаллах. В изотропной среде волны расходятся во все стороны одинаково, как бы по радиусам шара. В кристаллах же световые и звуковые волны расходятся не кругами, и скорость этих волн, а значит и показатели преломления, в разных направлениях различны.
Представим, что в кристалле луч света раздваивается, один ведет себя как «обыкновенный», т.е. идет во все стороны по радиусам шара, другой - «необыкновенный» - идет по радиусам эллипсоида. В таком кристалле существует одно-единственное направление, в котором двупреломления нет. Обыкновенный и необыкновенный лучи идут вместе, луч света не раздваивается. Оно называется оптической осью. Так ведут себя по отношению к свету кристаллы средней категории, поэтому их называют оптически одноосными. В кристаллах низшей категории свет тоже испытывает двойное преломление, но уже оба луча ведут себя как необыкновенные, у обоих показатели преломления во всех направлениях разные и оба распространяются по радиусам эллипсоида. Кристаллы низшей категории называются оптически двуосными. Кристаллы высшей категории, где свет расходится по радиусам шара во все стороны одинаково, называются оптически изотропны.
Проходя через двупреломляющий кристалл, волна света не только раздваивается, но каждый из образованных лучей еще и поляризуется, раскладываются на две плоскости перпендикулярных друг другу. Волна ведет себя подобным образом, т.к. она должна пройти сквозь атомную решетку, ряды которой лежат перед ней. Поэтому она распадается в кристалле на две волны, у которых плоскости колебаний взаимно перпендикулярные.
Такие свойства твёрдых тел как упругость, прочность, поверхностное натяжения определяются силами взаимодействия между атомами и строением кристаллов. Изучая силы межатомного взаимодействия, можно, например, определить величину модуля упругости, предела прочности материала, энергии связи кристалла и коэффициента поверхностного натяжение.
Таким образом, оцениваются характеристики любых твёрдых тел, но проще всего это сделать для идеальных ионных кристаллов. В решетке таких кристаллов периодически чередуются положительные и отрицательные ионы. Для оценки, прежде всего, необходимо выяснить величину силу единичной межатомной связи, которая в ионных кристаллах определяется силой взаимодействия между двумя ионами.
Зависимость сил межатомного взаимодействия от расстояния между центрами атомов в твёрдых телах заключается в следующем:
) Между атомами одновременно действуют силы притяжения и силы отталкивания. Результирующая сила межатомного взаимодействия - сумма этих двух сил.
) При уменьшении расстояния между атомами силы отталкивания нарастают значительно быстрее, чем силы притяжения, поэтому существует некоторое расстояние, при котором силы притяжения и силы отталкивания уравновешиваются и результирующая сила становится равной нулю. В кристалле, предоставленном самому себе, ионы располагаются именно на расстоянии r0 друг от друга. Если расстояние между атомами меньше равновесного (r меньше r0), то преобладают силы отталкивания, если (r больше r0), то преобладают силы притяжения.
Эти свойства межатомных сил позволяют условно рассматривать частицы, образующие кристалл как твердые упругие шары, взаимодействующие друг с другом. Деформация растяжения кристалла приводит к увеличению расстояния между центрами соседних шаров и преобладанию сил притяжения, а деформация сжатия - к уменьшению этого расстояния и преобладанию сил отталкивания.
Пределом прочности обычно называют наибольшее напряжение, которое может выдержать материал, не разрушаясь. При растяжении образца предел прочности определяется максимальной величиной результирующей силы межатомного притяжения, приходящейся на единицу площади сечения, перпендикулярного направлению растяжения.
Результирующая сила межатомного взаимодействия достигает максимального значения, когда центры атомов находятся на расстоянии r1 друг от друга. Когда растяжение ещё более увеличивается, силы взаимодействия становятся настолько малыми, что связи между атомами разрываются.
2. Жидкие кристаллы
Жидкий кристалл - это специфическое агрегатное состояние вещества, в котором оно проявляет одновременно свойства кристалла и жидкости. Следует оговориться, что далеко не все вещества могут находиться в жидкокристаллическом состоянии. Большинство веществ может находиться только в трех, всем хорошо известных агрегатных состояниях: твердом или кристаллическом, жидком и газообразном.
Но некоторые органические вещества, обладающие сложными молекулами, кроме трех названных состояний, могут образовывать четвертое агрегатное состояние - жидкокристаллическое. Это состояние осуществляется при плавлении кристаллов некоторых веществ. При их плавлении образуется жидкокристаллическая фаза, отличающаяся от обычных жидкостей. Эта фаза существует в интервале от температуры плавления кристалла до некоторой более высокой температуры, при нагреве до которой жидкий кристалл переходит в обычную жидкость.
Подобно обычной жидкости, жидкий кристалл обладает текучестью и принимает форму сосуда, в который он помещен. Этим он отличается от известных всем кристаллов. Однако, несмотря на это свойство, объединяющее его с жидкостью, он обладает свойством, характерным для кристаллов. Это - упорядочение в пространстве молекул, образующих кристалл. Правда, это упорядочение не такое полное, как в обычных кристаллах, но, тем не менее, оно существенно влияет на свойства жидких кристаллов, чем и отличает их от обычных жидкостей. Неполное пространственное упорядочение молекул, образующих жидкий кристалл, проявляется в том, что в жидких кристаллах нет полного порядка в пространственном расположении центров тяжести молекул, хотя частичный порядок может быть. Это означает, что у них нет жесткой кристаллической решетки. Поэтому жидкие кристаллы, подобно обычным жидкостям, обладают свойством текучести.
Обязательным свойством жидких кристаллов, сближающим их с обычными кристаллами, является «наличие порядка» пространственной ориентации молекул. Такой порядок в ориентации может проявляться, например, в том, что все длинные оси молекул в жидкокристаллическом образце ориентированы одинаково. Эти молекулы должны обладать вытянутой формой. Кроме простейшего названного упорядочения осей молекул, в жидком кристалле может осуществляться более сложный ориентационный порядок молекул.
.1 История жидких кристаллов
Первым, кто обнаружил жидкие кристаллы, был австрийский ученый-ботаник Рейнитцер. Исследуя новое синтезированное им вещество холестерилбензоат, он обнаружил, что при температуре 145°С кристаллы этого вещества плавятся, образуя мутную, сильно рассеивающую свет жидкость. При продолжении нагрева по достижении температуры 179°С жидкость просветляется, т.е. начинает вести себя в оптическом отношении, как обычная жидкость, например вода. Неожиданные свойства холестерилбензоат обнаруживал в мутной фазе. Рассматривая эту фазу под поляризационным микроскопом, Рейнитцер обнаружил, что она обладает двупреломлением. Это означает, что показатель преломления света, т.е скорость света е этой фазе, зависит от поляризации.
Линейно поляризованным светом, или как часто говорят, поляризованным светом, называют свет (электромагнитную волну), электрическое поле которой в процессе распространения остается лежащим в некоторой неизменной в пространстве плоскости. Эту плоскость принято называть плоскостью поляризации света. А указания ориентации в пространстве этой плоскости достаточно для описания линейной поляризации света. Поскольку в плоскости поляризации лежит и направление распространения волны, то для задания линейной поляризации достаточно одного параметра, а именно угла (р, определяющего ориентацию этой плоскости в пространстве (ее вращения вокруг направления распространения волны).
Явление двупреломления - это типично кристаллический эффект, состоящий в том, что скорость света в кристалле зависит от ориентации плоскости поляризации света. Существенно, что она достигает экстремального максимального и минимального значений для двух взаимно ортогональных ориентаций плоскости поляризации. Разумеется, ориентации поляризации, соответствующие экстремальным значениям скорости свете в кристалле, определяются анизотропией свойств кристалла и однозначно задаются ориентацией кристаллических осей относительно направления распространения света.
Поэтому сказанное поясняет, что существование двупреломления в жидкости, которая должна быть изотропной, т.е. что ее свойства должны быть независящими от направления, представлялось парадоксальным. Наиболее правдоподобным в то время могло казаться наличие в мутной фазе нерасплавившихся малых частичек кристалла, кристаллитов, которые и являлись источником двупреломления. Однако более детальные исследования, к которым Рейнитцер привлек известного немецкого физика Лемана, показали, что мутная фаза не является двухфазной системой, т.е. не содержит в обычной жидкости кристаллических включений, а является новым фазовым состоянием вещества. Этому фазовому состоянию Леман дал название «жидкий кристалл» в связи с одновременно проявляемыми им свойствами жидкости и кристалла. Употребляется также и другой термин для названия жидких кристаллов. Это - «мезофаза», что буквально означает «промежуточная фаза».
В то время существование жидких кристаллов представлялось каким-то курьезом, и никто не мог предположить, что их ожидает почти через сто лет большое будущее в технических приложениях. Поэтому после некоторого интереса к жидким кристаллам сразу после их открытия о них через некоторое время практически забыли.
Тем не менее, уже в первые годы были выяснены многие другие удивительные свойства жидких кристаллов. Так, некоторые виды жидких кристаллов обладали необычно высокой оптической активностью.
Оптической активностью называют способность некоторых веществ вращать плоскость поляризации проходящего через них света. Это означает, что линейно поляризованный свет, распространяясь в таких средах, изменяет ориентацию плоскости поляризации.
Было удивительным не только то, что величина вращательной способности для жидких кристаллов могла в сотни и тысячи раз превосходить эту величину для наиболее оптически активных кристаллов, таких, как, например, кварц, но и то, что зависимость вращения плоскости поляризации от длины волны света в жидких кристаллах была совершенно необычной.
Удивительными были также и другие свойства, такие, как сильная температурная зависимость названных характеристик, их очень высокая чувствительность к внешним магнитным и электрическим полям и т.д. Но прежде чем пытаться объяснить перечисленные свойства, необходимо понять, как устроены жидкие кристаллы, и, в частности, ознакомиться с их структурными свойствами, ибо в конечном итоге для объяснения описанных свойств наиболее существенными оказываются именно структурные характеристики жидких кристаллов.
Здесь следует сказать, что в конце девятнадцатого - начале двадцатого века многие очень авторитетные ученые весьма скептически относились к открытию Рейнитцера и Лемана. Дело в том, что не только описанные противоречивые свойства жидких кристаллов представлялись многим авторитетам весьма сомнительными, но и в том, что свойства различных жидкокристаллических веществ (соединений, обладавших жидкокристаллической фазой) оказывались существенно различными. Так, одни жидкие кристаллы обладали очень большой вязкостью, у других вязкость была невелика. Одни жидкие кристаллы проявляли с изменением температуры резкое изменение окраски, так что их цвет пробегал все тона радуги, другие жидкие кристаллы такого резкого изменения окраски не проявляли. Наконец, внешний вид образцов, или, как принято говорить, текстура, различных жидких кристаллов при рассматривании их под микроскопом оказывался совсем различным. В одном случае в поле поляризационного микроскопа могли быть видны образования, похожие на нити, в другом - наблюдались изображения, похожие на горный рельеф, а в третьем - картина напоминала отпечатки пальцев. Стоял также вопрос, почему жидкокристаллическая фаза наблюдается при плавлении только некоторых веществ.
Именно в таких условиях скептицизма со стороны многих авторитетов и изобилия противоречивых фактов вели свои работы первые, тогда немногочисленные, исследователи жидких кристаллов. К их числу также следует отнести немецкого химика Д. Форлендера, который в начале двадцатого века в университетском городе Галле совместно со своими учениками изучал химию жидких кристаллов. Он пытался ответить на вопрос, какими свойствами должны обладать молекулы вещества, чтобы оно имело жидкокристаллическую фазу. Форлендер нашел большое количество новых соединений, обладающих жидкокристаллической фазой, и внимательно исследовал свойства молекул соответствующих соединений, в частности структурные. В результате его работ стало ясно, что жидкие кристаллы образуют вещества, молекулы которых имеют удлиненную форму.
Время шло, факты о жидких кристаллах постепенно накапливались, но не было общего принципа, который позволил бы установить какую-то систему в представлениях о жидких кристаллах. Заслуга в создании основ современной классификации жидких кристаллов принадлежит французскому ученому Ж. Фриделю. В двадцатые годы Фридель предложил разделить все жидкие кристаллы на две большие группы. Одну группу жидких кристаллов Фридель назвал нематическими, другую смектическими. Он же предложил общий термин для жидких кристаллов - «мезоморфная фаза». Этот термин происходит от слова «мезос» (промежуточный), а вводя его, Фридель хотел подчеркнуть, что жидкие кристаллы занимают промежуточное положение между истинными кристаллами и жидкостями как по температуре, так и по своим физическим свойствам. Нематические жидкие кристаллы в классификации Фриделя включали уже упоминавшиеся выше холестерические жидкие кристаллы как подкласс.
Когда классификация жидких кристаллов была создана, более остро встал вопрос: почему в природе реализуется жидкокристаллическое состояние. Полным ответом на подобный вопрос принято считать создание микроскопической теории. Но в то время на такую теорию не приходилось и надеяться, поэтому большим шагом вперед было создание чешским ученым X. Цохером и голландцем С. Озееном феноменологической теории жидких кристаллов, или, как ее принято называть, теории упругости ЖК. В 30-х годах в СССР В.К. Фредерике и В.Н. Цветков первыми изучили необычные электрические свойства жидких кристаллов.
Современный этап изучения жидких кристаллов, который начался в 60-е годы и придал науке о ЖК сегодняшние формы, методы исследований, широкий размах работ сформировался под непосредственным влиянием успехов в технических приложениях жидких кристаллов, особенно в системах отображения информации. В это время было понято и практически доказано, что в наш век микроэлектроники, характеризующийся внедрением микроминиатюрных электронных устройств, потребляющих ничтожные мощности энергии для устройств индикации информации, т.е. связи прибора с человеком, наиболее подходящими оказываются индикаторы на ЖК. Дело в том, что такие устройства отображения информации на ЖК естественным образом вписываются в энергетику и габариты микроэлектронных схем. Они потребляют мало мощности и могут быть выполнены в виде миниатюрных индикаторов или плоских экранов. Все это предопределяет массовое внедрение жидкокристаллических индикаторов в системы отображения информации, свидетелями которого мы являемся в настоящее время. Чтобы осознать этот процесс, достаточно вспомнить о часах или микрокалькуляторах с жидкокристаллическими индикаторами. Но это только начало. На смену традиционным и привычным устройствам идут жидкокристаллические системы отображения информации.
2.2 Типы жидких кристаллов
В зависимости от вида упорядочения осей молекул жидкие кристаллы разделяются на три разновидности: нематические, смектические и холестерические.
Нематические кристаллы.
В молекулах, имеющих ярко выраженную анизотропную форму, то есть если у молекул можно четко выделить какие-нибудь характерные оси, атомы располагаются не, как попало, а выстроены вдоль определённой линии или лежат в выделенной плоскости. Взаимодействие молекул такой формы приводит к тому, что в жидком состоянии они не только удерживаются на некотором среднем расстоянии друг от друга, но могут сохранять определённый порядок в своём относительном расположении - длинные оси молекул или плоскости молекул оказываются параллельными друг другу. В такой необычной жидкости появляется особое направление, как в твёрдом кристалле, вдоль которого ориентируются выделенные оси молекул. Это сходство между кристаллом и описанной удивительной жидкостью и провело к соединению двух понятий в одно новое - «жидкий кристалл». А жидкое состояние называют нематическим жидким кристаллом.
Название «нематичекий» образовано от греческого слова νήμά - нить. В жидких кристаллах под микроскопом видны тонкие подвижные нити, которые представляют собой дефекты структуры. В идеальном жидком кристалле таких нитей нет.
Рассмотрим теперь силы, действующие в нематической жидкости. Эти силы - электрического происхождения. Сила притяжения возникает между двумя атомами или молекулами, которые сами по себе являются электрически нейтральными.
Получается это следующим образом. В атоме происходит смещение отрицательно заряжённого электронного облака относительно положительно заряжённого ядра. Такой атом можно рассматривать как совокупность двух разноименных точечных зарядов, одинаковых по абсолютной величине, находящихся на некотором расстоянии друг от друга. Подобную систему зарядов называют электрическим диполем. В окрестности атома-диполя возникает электрическое поле. Напряжённость этого поля быстро убывает при удалении от атома, но вблизи атома поле достаточно велико. Если в окрестности атома I попадает нейтральный атом II, то электрическое поле атома I должно сместить заряды электронов и ядра атома II. Такое относительное смещение зарядов в атоме II должно в свою очередь, создавать электрическое поле, поддерживающее разделение зарядов в атоме I. Таким образом, разноименно заряжённые частицы атомов должны притягивать друг друга. При сближении атомов между ними начинают действовать силы отталкивания. На расстоянии, примерно равном размеру атомов, силы взаимодействия между атомами равны нулю. Точно такое же рассуждение можно провести и в отношении двух молекул, состоящих из нескольких десятков атомов. Нейтральные молекулы должны притягивать друг друга за счёт образования электрических диполей-атомов.
Ясно, что по описанным выше причинам большая часть атомов молекулы стремится оказаться вблизи атомов другой молекулы, так как только в этом случае силы взаимодействия между молекулами обращаются в нуль. Но такая ситуация возможна только тогда, когда длинные оси молекул параллельны друг другу. Таким образом, возникает определённый порядок в ориентации молекул и появляется выделенное направление.
Разумеется, такое параллельное расположение выделенных осей молекул возможно только при достаточно низкой температуре, когда тепловые толчки не настолько сильны, чтобы разрушить ориентационный порядок в системе молекул. При повышении температуры обязательно наступает момент, когда хаотическое тепловое движение молекул становится преобладающим и нематический порядок разрушается.
Таким образом, система таких особых молекул может иметь два состояния: обычное (изотропное) жидкое - при высоких температурах и анизотропное жидкое - при низких температурах. Подчеркнём, что нематический жидкий кристалл может быть действительно жидким, как вода, то есть центры масс молекул не образует в данном случае какую-то правильную решётку, как в кристалле, а располагаются хаотично в пространстве и могут в нём свободно перемещаться. В то же время ориентация молекул в этой жидкости подчиняется строгому порядку. Интересно, что нематическая жидкость, образуемая молекулами вытянутой формы известна уже много десятков лет, в то время как нематическая жидкость из дискообразных молекул открыта только в 1979-1980 года.
Холестерические кристаллы.
Описанная периодическая решётка - её называют холестерической спиралью - удивительна тем, что чёткая периодичность в ней касается только ориентации молекул. В то же время в каждом нематическом слое молекулы могут свободно перемещаться, меняться местами; словом, холестерическая жидкость свободно течёт вдоль таких плоскостей, но спираль при этом почти не нарушается.
Молекулы могут перемещаться и из слоя в слой, поворачиваясь при этом на угол α, но это даётся им не так легко. Всё это и определяет особые свойства холестерической жидкости, схожие за свойствами твёрдого кристалла. Особенности структуры холестерической жидкости наиболее сильно проявляются при изменении температуры вещества, и при различных внешних воздействиях. Холестерическая спираль обладает яркими оптическими свойствами, чувствительна к малейшим повреждениям столь своеобразной решётки. Всё это вызвало громадный интерес к изучению и применению холестерических жидких кристаллов.
Объяснения заключается в особенности строения молекул, из которых состоят эти вещества. Молекулы холестерика - почти такие же, как в нематической жидкости, но имеют на своём конце небольшой отросток. Этот отросток образуется обычно одним или несколькими атомами, которые выступают из основной плоскости, содержащей подавляющее большинство атомов молекулы. Симметрия молекулы нарушается из-за отростка и напоминает симметрию руки, которая бывает только правой и только левой.
Подобные молекулы можно расположить параллельно друг другу в определённой плоскости, например в плоскости, в которой лежат сами молекулы. Именно эти плоскости и образуют отдельные слои холестерика. Очевидно, что молекулы слоя 2 могут быть параллельны молекулам слоя 1, если слои расположены друг от друга на расстоянии, примерно равном высоте отростков. В этом случае отростки не мешают молекулам оставаться параллельными. Если расстояние между слоями меньше высоты отростков, то они не могут быть строго параллельны - мешают отростки.
Таким образом, мы приходим к выводу, что несимметричные молекулы должны образовывать стопку нематических слоёв, причём от слоя к слою молекулы должны поворачиваться на определённый угол α. В зависимости от того, как изогнуты отростки отдельных молекул, холестерические спирали могут быть либо правыми, либо левыми.
Смектические кристаллы.
Строение особых молекул, описанных выше, объясняет большое разнообразие структуры жидких кристаллов-растворов. Например, при определённой концентрации таких молекул в воде могут получаться жидкие кристаллы, в которых молекулы не только одинаково ориентируется, но и образуют жесткую кристаллическую решетку. Только эта решетка лишь отчасти похожа на обычную решётку твёрдого тела, периодическую в трёх взаимно перпендикулярных направлениях. Таких направлений в особых жидких кристаллах может быть только два или даже одно.
Так, в качестве примера можно взять стопку слоёв, образующихся при не очень малой концентрации молекул в воде. Хвосты молекул как бы «прячутся» от воды за оболочками из дипольных головок. Вода является прослойкой между двойными слоями молекул. Стопка таких слоёв образует кристаллическую решётку, периодическую только в одном направлении - вдоль оси. В этом направлении жесткость решётки почти такая же, как в твёрдом теле, в то время как в поперечных направлениях слои могут свободно скользить, то есть вдоль слоёв система ведёт себя как жидкость. Такая структура сродни мылу, поэтому такие жидкие кристаллы называются смектическими. Они похожи на холестерики своей слоистостью, но периоды решёток в этих двух случаях различны. В холестериках период составляет несколько тысяч ангстрем, а в смектиках - несколько десятков ангстрем (что соответствует длине молекулы).
При определенной концентрации раствора возникает кристаллическая решётка, периодическая в двух направлениях. При этом дипольные молекулы собираются в жидкие столбики или «нити», которые и образуют такую решётку, похожую на стопку карандашей. Подобные отчасти твёрдые кристаллы существуют не только в растворах. Ими могут быть и отдельные вещества, изменяющие своё состояние при изменении температуры. При этом обычно с понижением температуры состояния меняются в такой последовательности: обыкновенная жидкость - нематическая жидкость или холестерик - смектик - твёрдый кристалл. Долгое время не находили жидкокристаллических веществ с решётками, периодическими в двух направлениях, но недавно были обнаружены и они.
2.3 Свойства жидких кристаллов
Как уже было сказано, ещё первым исследователям бросались в глаза необычные оптические свойства жидких кристаллов. Одним из первых достижений в описании свойств жидких кристаллов, как уже упоминалось, было создание теории упругости жидких кристаллов.
Возникает мысль, если оптические свойства жидких кристаллов подобны свойствам обычных кристаллов, то, может быть, жидкий кристалл, подобно обычному кристаллу, обладает и упругими свойствами. Однако не стоит торопиться с суждениями. Жидкий кристалл течет, как обычная жидкость. А жидкость не проявляет свойств упругости, за исключением упругости по отношению к всестороннему сжатию, и поэтому для нее модуль упругости по отношению к обычным деформациям строго равен нулю. Разрешение этого парадокса в том, что жидкий кристалл - это не обычная, а анизотропная жидкость, т.е. жидкость, свойства которой различны в различных направлениях.
Таким образом, построение теории упругости для жидких кристаллов было не простым делом. Во-первых, существенно, что, когда говорят о деформации в жидких кристаллах, то имеют в виду отклонения направления директора от равновесного направления. В обычной же теории упругости деформации описывают смещение отдельных точек твердого тела относительно друг друга под влиянием приложенного воздействия. Таким образом, деформации в жидком кристалле - это совсем не те привычные всем деформации, о которых говорят в случае твердого тела. Кроме того, упругие свойства жидкого кристалла в общем случае следует рассматривать, учитывая его течение, что также вносит новый элемент и тем самым усложняет рассмотрение по сравнению с обычной теорией упругости.
Любую деформацию в жидком кристалле можно представить как одну из трех допустимых в ЖК видов изгибных деформаций либо как комбинацию этих трех видов деформации. Такими главными деформациями являются поперечный изгиб, кручение и продольный изгиб. Коэффициенты пропорциональности между упругой энергией жидкого кристалла и деформациями изгибов называют упругими модулями. Таких упругих модулей в жидких кристаллах по числу деформаций три - K1, К2 и Кз. Численные значения этих модулей несколько отличаются друг от друга. Так, модуль продольного изгиба Кз обычно оказывается больше двух других модулей. Наименьшую упругость жидкий кристалл проявляет по отношению к кручению.
Таким образом, теория упругости жидких кристаллов, описывающая их как сплошную среду, т.е. претендующая только на описание свойств ЖК, усредненных по расстояниям больше межмолекулярных, приводит к выводу, что минимальная энергия жидкого кристалла соответствует отсутствию деформаций в нем.
Таким образом, можно сказать, что упругие свойства жидкого кристалла, сближают его с твердыми телами. При этом обнаруживаются существенные отличия его упругих свойств от свойств кристалла как в качественном, так и количественном отношении. Теперь стоит познакомиться детально со свойством жидкого кристалла, типичным для жидкости, - текучестью, изучением которой занимается наука гидродинамика.
Сразу следует сказать, что, несмотря на солидный возраст гидродинамики, одной из древнейших научных дисциплин, и большие достижения, в этой науке существуют проблемы, не решенные до сих пор. К их числу относится проблема турбулентного, т.е. сопровождающегося нерегулярными вихрями, как в бурном потоке, течения жидкости. Эта проблема не решена еще для самых обычных жидкостей, таких, как вода. А о полном описании турбулентного течения таких сложных сред, как жидкие кристаллы, пока что не идет и речи. Поэтому, говоря здесь о текучести жидких кристаллов, надо иметь в виду их спокойное течение, в котором нет нерегулярных вихрей, или, как принято называть его, «ламинарное течение».
Ламинарное течение обычных жидкостей хорошо изучено. Основной характеристикой, определяющей течение в этих условиях, является вязкость, свойство жидкостей, всем хорошо известное на практике.
Вязкость характеризуется количественно коэффициентом вязкости, который показывает, как сильно трение между соседними слоями текущей жидкости и насколько интенсивно передается движение жидкости от одной ее точки к другой. Именно из-за вязкости при течении жидкости по трубе ее скорость непосредственно на стенках трубы равна нулю, а в сечении трубы не постоянна, а возрастает по мере удаления от стенок, достигая максимума в центре.
Типичными задачами в течении жидкостей являются течение жидкости по трубе и движение тела в жидкости. Течение жидкости в капилляре описывается законом Пуазейля, названным так в честь французского ученого, открывшего эту закономерность. В соответствии с этим законом количество жидкости, протекающей через трубу (капилляр), прямо пропорционально разности давлений на концах трубы, второй степени площади сечения трубы и обратно пропорционально коэффициенту вязкости. Скорость движения шарика в жидкости описывается законом Стокса, названного так по имени английского физика девятнадцатого века, современника Пуазейля. Эта закономерность гласит, что скорость движения шарика в жидкости прямо пропорциональна приложенной к нему силе и обратно пропорциональна радиусу шарика и вязкости жидкости.
Приступая к изучению гидродинамики жидких кристаллов, исследователи начали с того, что просто применили описанные методы измерения вязкости к жидким кристаллам. Такой подход ничего хорошего не дал. Результаты измерений вязкости не воспроизводились и зависели, казалось бы, от случайных причин, таких, как предыстория образца, способа изготовления капилляров, применяемых в измерениях. Более того, некоторые измерения показывали зависимость коэффициента вязкости от скорости течения жидкого кристалла. Эти первые результаты показали, что гидродинамика жидких кристаллов гораздо сложней и интересней, чем гидродинамика обычных жидкостей.
Дело в том, что течение жидкости вызывает переориентацию длинных осей молекул. А на введенном выше языке описания жидкого кристалла как сплошной среды с помощью задания в каждой его точке направления директора означает, что течение жидкого кристалла, с одной стороны, может приводить к переориентации директора, а с другой, к тому, что характеристики течения оказываются различными при различной ориентации директора по отношению к направлению скорости течения жидкости. Эти результаты легко понять и на молекулярном уровне. При течении жидкости молекул-палочек по капиллярам, особенно узким, течение будет выстраивать палочки-молекулы вдоль оси капилляра. Если каким-либо образом заставлять оставаться ориентацию палочек неизменной, то легко сообразить, что течение жидкости в случае ориентации палочек поперек капилляра будет затруднено по сравнению с течением при их ориентации вдоль капилляра.
Эти интуитивные представления полностью подтверждаются на эксперименте. Еще в начале 40-х годов В. Н. Цветков исследовал зависимость скорости протекания нематика через капилляры от ориентации директора. При ориентации директора поперек капилляра скорость протекания жидкого кристалла через капилляр оказалась существенно меньше, чем при ориентации директора вдоль оси капилляра. Ориентация директора поперек оси капилляра осуществлялась с помощью прикладываемого перпендикулярно капилляру магнитного поля. Результат опыта, интерпретация которого проводилась с помощью формулы Пуазейля, показал, что при включенном магнитном поле наблюдаемая вязкость почти в 2 раза больше, чем в отсутствии магнитного поля.
Таким образом, опыт показал, что для жидких кристаллов надо разрабатывать свою, более сложную и общую, чем для обычных жидкостей, теорию текучести. Такая теория разрабатывается усилиями многих исследователей. И оказалась она гораздо более сложной, чем обычная гидродинамика. Достаточно сказать, что в общем случае жидкий кристалл описывается восьмью коэффициентами вязкости. И даже упрощенный вариант этой теории, пренебрегающий сжимаемостью жидких кристаллов, содержит пять коэффициентов вязкости. Это определяет как трудности теоретического описания течения жидких кристаллов, так и постановку экспериментов, допускающих однозначную интерпретацию результатов. Здесь надо добавить, что в экспериментальном отношении дополнительные трудности связаны с тем, что в процессе течений в жидком кристалле могут возникать дефекты в ориентации директора. Дефектами называют точки или линии в нематике, на которых ориентация директора не определена.
Таким образом, можно констатировать, что течение жидких кристаллов - это весьма сложный процесс, а исследования гидродинамики ЖК находятся в начале своего пути. Облегчает исследование гидродинамики жидких кристаллов их двулучепреломление, оно позволяет визуализировать наведенные течением жидкого кристалла, изменения ориентации директора и, наоборот, по изменению двупреломления, т.е. оптических свойств, судить о скоростях и изменении скоростей в потоке.
Большинство применений жидких кристаллов связано с управлением их свойствами путем приложения к ним электрических воздействий. Податливость и «мягкость» жидких кристаллов по отношению к внешним воздействиям делают их исключительно перспективными материалами для применения в устройствах микроэлектроники, для которых характерны небольшие электрические напряжения, малые потребляемые мощности и малые габариты. Поэтому для обеспечения оптимального режима функционирования ЖК элемента в каком-либо устройстве важно хорошо изучить электрические характеристики жидких кристаллов.
Начнем описание электрических свойств с электропроводности жидких кристаллов. Электропроводность - это величина, характеризующая количественно способность вещества проводить ток. Она является коэффициентом пропорциональности в формуле, устанавливающей связь между током и приложенным напряжением. Для объема ЖК в один кубический сантиметр это довольно-таки малая величина. Для металлов соответствующая величина на 16-18 порядков больше.
Другим важным обстоятельством является то, что проводимость в жидких кристаллах носит ионный характер. Это означает, что ответственными за перенос электрического тока в ЖК являются не электроны, как в металлах, а гораздо более массивные частицы. Это положительно и отрицательно заряженные фрагменты молекул (или сами молекулы), отдавшие или захватившие избыточный электрон. По этой причине электропроводность жидких кристаллов сильно зависит от количества и химической природы содержащихся в них примесей.
Из сказанного понятно, что ток в жидком кристалле представляет собой направленное движение ионов в системе ориентированных палочек-молекул. Двигаясь под действием электрического тока поперек направления директора, ионы, сталкиваясь с молекулами-палочками, будут стремиться развернуть их вдоль направления движения ионов, т. е. вдоль направления электрического тока. Можно прийти к заключению, что электрический ток в жидком кристалле должен приводить к переориентации директора.
С формой молекул связан ряд интересных, наблюдаемых на опыте, свойств жидких кристаллов. Остановимся на одном из таких свойств жидких кристаллов, связанном с отклонением ее формы от простейшей молекулы-палочки, проявляющемся в существовании флексоэлектрического эффекта.
Интересно, что открытие флексоэлектрического эффекта, как иногда говорят о теоретических предсказаниях, было сделано на кончике пера американским физиком Р. Мейером в 1969 году. Рассматривая модели жидких кристаллов, образованных не молекулами-палочками, а молекулами более сложной формы, он задал себе вопрос: как форма молекулы может обнаружить себя в макроскопических свойствах. Для конкретности Р. Мейер предположил, что молекулы имеют грушеобразную или банановидную форму. Далее он предположил, что отклонение формы молекулы от простейшей, рассматривавшейся ранее, сопровождается возникновением у нее электрического дипольного момента.
Возникновение дипольного момента у молекулы несимметричной формы - типичное явление и связано оно с тем, что расположение «центра тяжести» отрицательного электрического заряда электронов в молекуле может быть несколько смещено относительно «центра тяжести» положительных зарядов атомных ядер молекулы. Это относительное смещение отрицательных и положительных зарядов относительно друг друга и приводит к возникновению электрического дипольного момента молекулы. При этом в целом молекула остается нейтральной, так как величина отрицательного заряда электронов в точности равна положительному заряду ядер. Величина дипольного момента равна произведению заряда одного из знаков на величину их относительного смещения. Направлен дипольный момент вдоль направления смещения от отрицательного заряда к положительному. Для грушеобразной молекулы направление дипольного момента по симметричным соображениям должно совпадать с осью вращения, для банановидной молекулы - направлено поперек длинной оси.
Рассматривая жидкий кристалл таких молекул, легко понять, что без влияния на него внешних воздействий дипольный момент макроскопически малого, но, разумеется, содержащего большое число молекул объема жидкого кристалла, равен нулю. Это связано с тем, что направление директора в жидком кристалле задается ориентацией длинных осей молекул, количество же молекул, дипольный момент которых направлен по директору в ту и другую сторону - для грушеобразных молекул, или для банановидных молекул - поперек направления директора в ту и другую сторону, одинаково. В результате дипольный момент любого макроскопического объема жидкого кристалла равен нулю, так как он равен сумме дипольных моментов отдельных молекул.
Так, однако, дело обстоит лишь в неискаженном образце. Стоит путем внешнего воздействия, например механического, исказить, скажем, изогнуть его, как молекулы начнут выстраиваться, и распределение направлений дипольных моментов отдельных молекул вдоль директора для грушеподобных молекул и поперек директора для банановидных будет неравновероятным. Это означает, что возникает преимущественное направление ориентации дипольных моментов отдельных молекул и, как следствие, появляется макроскопический дипольный момент в объеме жидкого кристалла. Причиной такого выстраивания являются стерические факторы, т.е. факторы, обеспечивающие плотнейшую упаковку молекул.
С макроскопической точки зрения рассмотренный эффект проявляется в возникновении в слое жидкого кристалла электрического поля при деформации. Это связано с тем, что при выстраивании диполей на одной поверхности деформированного кристалла оказывается избыток зарядов одного, а на противоположной поверхности - другого знака. Таким обрезом, наличие или отсутствие флексоэлектрического эффекта несет информацию о форме молекул и ее дипольном моменте. Для молекул-палочек такой эффект отсутствует.
Предсказанный теоретически флексоэлектрический эффект вскоре был обнаружен экспериментально. Причем на эксперименте можно было пользоваться как прямым, так и обратным эффектом. Это означает, что можно не только путем деформации ЖК индуцировать в нем электрическое поле и макроскопический дипольный момент (прямой эффект), но и, прикладывая к образцу внешнее электрическое поле, вызывать деформацию ориентации директора в жидком кристалле.
3. Применение кристаллов
Кристаллы встречаются нам по всюду: мы ходим по кристаллам, строим из них, выращиваем их в лабораториях и в заводских установках, создаём приборы и изделия из кристаллов, широко применяем их в технике и науке, едим кристаллы (поваренную соль), лечимся ими, находим кристаллы в живых организмах, выходим на просторы космических дорог, используя приборы из кристаллов.
Кристаллы являются незаменимыми во многих областях человеческого существования.
Самый твердый и самый редкий из природных минералов - алмаз. За всю историю человечества его добыто всего около 150 т, хотя в мировой алмазодобывающей промышленности сейчас работает почти миллион человек. Сегодня алмаз в первую очередь камень-работник, а не камень-украшение. Около 80% всех добываемых природных алмазов и все искусственные алмазы используются в промышленности. Роль алмазов в современной технике так велика, что, по подсчетам американских экономистов, прекращение применения алмазов привело бы к уменьшению мощности промышленности США вдвое.
Примерно 80% применяемых в технике алмазов идет на заточку инструментов и резцов «сверхтвердых сплавов». Алмазы служат опорными камнями (подшипниками) в хронометрах высшего класса для морских судов и в других особо точных навигационных приборах. На алмазных подшипниках не обнаруживается никаких следов износа даже после 25000000 оборотов.
Несколько уступая алмазу по твердости, соревнуется с ним но разнообразию технических применении рубин. Новая область для широкого применения рубинов в научных исследованиях и в технике открылась с изобретением рубинового лазера - прибора, в котором рубиновый стержень служит мощным источником света, испускаемою в виде тонкого светового луча.
Исключительная роль выпала на долю кристаллов в современной электронике. Большинство полупроводниковых электронных приборов изготовлено из кристаллов германия или кремния.
Опираясь на законы оптики, ученые искали прозрачный бесцветный и бездефектный минерал, из которого можно было бы шлифованием и полированием изготавливать линзы. Нужными оптическими и механическими свойствами обладают кристаллы неокрашенного кварца, и первые линзы, в том числе и для очков, изготавливались из них. Даже после появления искусственного оптического стекла потребность в кристаллах полностью не отпала; кристаллы кварца, кальцита и других прозрачных веществ, пропускающих ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, до сих пор применяются для изготовления призм и линз оптических приборов.
Один из способов контроля ответственных деталей механизмов и машин - ультразвуковая дефектоскопия. Главный элемент УЗД дефектоскопа - кварцевая пластинка. Отраженная дефектом звуковая волна создает переменное электрическое поле (Эффект Холла). Пьезоэлектрический эффект в сильной степени проявляется в кристаллах титана, свинца, его производных. Такие кристаллы - основа пьезоэлектрических микрофонов и телефонов. Они преобразуют давление в электродвижущую силу в манометрах, служат для стабилизации частоты радиопередатчиков, измерения механических напряжений и вибраций.
Сегнетоэлектрики - это кристаллические вещества, обладающие уникальными свойствами, например, способностью к самопроизвольной электрической поляризации, которая может возникать даже в отсутствии внешнего поля. Впервые это свойство было обнаружено И.В. Курчатовым и П.П. Кобяко при исследовании кристаллов сегнетовой соли (NaKC4H4O6*4H2О). Сегнетоэлектрики характеризуются анизотропией. Температура, ограничивающая область сегнетоэлектрических свойств - точка Кюри. Причина таких свойств сегнетоэлектриков - взаимодействие входящих в них кристаллы молекул приводит к самопроизвольной поляризации диэлектриков. Важное практическое значение - емкость конденсатора пропорциональна ε диэлектрика, помещенного между обкладками. Поэтому, используя диэлектрик с большой ε можно получить малогабаритные конденсаторы. В технике применяют сегнетоэлектрические конденсаторы на основе титаната бария, у которого точка Кюри примерно 133°С, диэлектрическая проницаемость ε примерно равна 6000 - 7000.
Полупроводниковые кристаллы позволяют создавать сложные электронные полупроводниковые приборы, интегральные схемы. Новая область техники называют твердотельной электроникой.
В 1955 году Басов, Прохоров, Таунсон (США) создали генератор квантов электромагнитного излучения (мазер) сантиметрового диапазона. А в 1960г. Мейманом был запущен первый генератор оптического диапазона. Важнейшую роль в получении лазерного луча играл кристалл рубина (Al2O3) с добавкой хрома. Лазеры нашли широкое применение в промышленности для различных видов обработки материалов, сверление отверстий, сварки тонких изделий. Основная область применения маломощных импульсных лазеров с микроэлектроникой, в электровакуумной промышленности, машиностроении, медицине.
Жидкие кристаллы имеют не менее широкую сферу применения.
В повседневной жизни мы сталкиваемся с часами, термометрами на жидких кристаллах. В наше время наука стала производительной силой, и поэтому, как правило, повышенный научный интерес к тому или иному явлению или объекту означает, что это явление или объект представляет интерес для материального производства. В этом отношении не являются исключением и жидкие кристаллы. Интерес к ним прежде всего обусловлен возможностями их эффективного применения в ряде отраслей производственной деятельности. Внедрение жидких кристаллов означает экономическую эффективность, простоту, удобство.
Многие оптические эффекты в жидких кристаллах, о которых рассказывалось выше, уже освоены техникой и используются в изделиях массового производства. Например, всем известны часы с индикатором на жидких кристаллах, но не все еще знают, что те же жидкие кристаллы используются для производства наручных часов, в которые встроен калькулятор.
Союз микроэлектроники и жидких кристаллов оказывается чрезвычайно эффективным не только в готовом изделии, но и на стадии изготовления интегральных схем. Как известно, одним из этапов производства микросхем является фотолитография, которая состоит в нанесении на поверхность полупроводникового материала специальных масок, а затем в вытравливании с помощью фотографической техники так называемых литографических окон. Эти окна в результате дальнейшего процесса производства преобразуются в элементы и соединения микроэлектронной схемы. От того, насколько малы размеры соответствующих окон, зависит число элементов схемы, которые могут быть размещены на единице площади полупроводника, а от точности и качества вытравливания окон зависит качество микросхемы. Очень полезным оказалось применение жидких кристаллов на стадии контроля качества литографических работ. Для этого на полупроводниковую пластину с протравленными литографическими окнами наносится ориентированный слой нематика, а затем к ней прикладывается электрическое напряжение.
Перспективы же будущих массовых и эффективных применений жидких кристаллов еще более удивительны.
Заключение
кристалл рост молекула сегнетоэлектрик
В данной работе была рассказана лишь малая часть того, что известно о кристаллах в настоящее время, однако и эта информация показала, насколько неординарны и загадочны кристаллы по своей сущности.
Уже много лет люди используют кристаллы в своей повседневной жизни. В последнее время, когда изучены методы искусственного выращивания кристаллов, области их применения значительно расширились, и, возможно, будущее новейших технологий принадлежит кристаллам и кристаллическим агрегатам.
Библиографический список
1.Банн Ч. Кристалл. Их роль в природе и науке [Текст]: / Ч. Банн. - М: Наука, 1970. - 219 с.
2.Бойкий,Г.Б. Кристаллохимия [Текст]: / Г.Б. Бойкий. - М: Наука, 1971. - 224 с.
.Галиулин Р.В. Как устроены кристаллы [Текст]: / Р.В. Галиулин. - М: Мысль, 1983. - 245 с.
.Гегузин Я.Е. Живой кристалл [Текст]: /Я.Е. Гегузин. - М: Наука, 1981.- 198 с.
.Костов И.С. Кристаллография. Пер. с болгарск. [Текст]: / И.С. Костов. - М: Мысль, 1965. - 256 с.
.Пикин С.А. Жидкие кристаллы [Текст]: / С.А. Пикин, Л.М. Блинов. - М: Наука, 1982. - 280 с.
.Сиротин Ю.И. Основы кристаллофизики [Текст]: / Ю.И. Сиротин, М.П. Шаскольская. - М: Наука, 1979. - 225 с.
.Ходаков Ю.В. Архитектура кристаллов [Текст]: / Ю.В. Ходаков. - СПб: Нева, 1985. - 211 с.
.Чандрасекар С. Жидкие кристаллы [Текст]: / С. Чандрасекар. - М: Мир, 1980.- 344 с.
.Шаскольская М.П. Очерки о свойствах кристаллов. [Текст]: / М.П. Шаскойская. - М: Наукаь, 1978. - 236 с.
.Шубников А.В. Зарождение и рост кристаллов [Текст]: / А.В Шубников, В.Ф. Федоров. - М: Дело, 1999. - 317 с.