Жидкие кристаллы

Жидкие кристаллы

Учебно-исследовательская работа по физике на тему

Жидкие кристаллы

Работу выполнили

Дудник Алёна, Глобина Алёна, Федоренко Алёна

учащиеся 10 - А класса,

СОУВК школы - лицея «ОКЛ»

Руководитель

Бутенко Елена Владимировна

Симферополь, 2004

Введение

Актуальность: в связи с тем, что жидкие кристаллы нашли своё широкое применение в различных отраслях науки (техника, медицина и т.д.), необходимо их дальнейшее, более глубокое изучение и внедрение во все сферы деятельности человека. Применение жидких кристаллов раскрывает колоссальные перспективы в совершенствовании современных технологий и возможности делать их более практичными и экономичными. Кроме того, жидкие кристаллы могут выступать в роли заменителей энергоёмких и труднодоступных материалов.

Объект исследования: жидкие кристаллы.

Предмет исследования: особенности строения, свойства, практическое применение.

Цель: изучить особенности строения и связанные с ними свойства жидких кристаллов, рассмотреть области их применения в жизни человека.

Задачи: определить особенности строения и свойств жидких кристаллов, дать им характеристику, классификацию и анализ, сделать выводы по исследованным вопросам.

В методологи были использованы труды нескольких авторов справочников и пособий, сведения, полученные из Интернета и средств массовой информации. Работа выполнена сравнительно-литературным способом.

Человеку всегда было трудно выйти за пределы трёх понятий, описывающих, как казалось, все состояния материи: газ, жидкость, твёрдое тело. Однако оказалось, что свойства кристалла и жидкости могут совместиться в одном веществе - жидком кристалле. Однако сейчас вряд ли кто-то удивится, если будет обнаружено состояние, промежуточное между газом и жидкостью. Во всяком случае, к понятию «газообразной плёнки» прибегают при обсуждении свойств жидких слоёв, толщиной в одну молекулу. О жидких кристаллах слышали, конечно, все, они используются в самых современных электронных приборах, о них пишут даже в газетах, не говоря уже о журналах и книгах.

Наука о жидких кристаллах - одна из самых молодых и наиболее трудных областей физики. Трудности обусловлены сложностью молекул, образующих эти вещества. Для объяснения свойств жидких кристаллов необходимо привлекать не только теорию обычных жидкостей, достаточно сложную саму по себе, но и науки о твёрдых кристаллах, например, кристаллографию и физику твёрдого тела.

Хронология исследования

Прошло примерно 20 лет с момента, когда в 1888 г. австрийский ботаник Ф.Рейнитцер и немецкий кристаллограф Ф.Леман описали необычные свойства жидких кристаллов, прежде чем учёные начали осознавать, что открыто новое, четвёртое состояние вещества. Эти вещества в действительности обладали текучестью, как обычные жидкости, и в то же время их оптические свойства были поразительно похожи на свойства кристаллов. Оказалось, что порядок расположения атомов, характерный для кристаллов, может быть не полным и что вообще может быть несколько разных видов порядков (один порядок в ориентации молекул, другой - в расположении их центров масс). Это означает, что может быть даже и не один, а несколько типов промежуточных состояний.

В начале XX века Д. Форлендер в университетском городке Галле (Германия) со своими аспирантами изготовил несколько сотен новых жидких кристаллов. Уже никто не сомневался в их реальности, и физики, обычно с большим опасениям относящиеся к сложным химическим соединениям, охотно берутся за их исследования.

Ж.. Фридель во Франции предлагает первую классификацию жидких кристаллов, голландец С. Озеен и чех Х. Цохер создают теорию упругости, а В. Фредерикс и В. Цветков в СССР впервые исследуют их необычные электрические и оптические свойства.

Успехи атомной физики, физики полупроводников и химии полимеров затмили на некоторое время скромные академические исследования жидких кристаллов. Вплоть до 60-х годов ими занимаются только энтузиасты-одиночки. В это же время бурно развивается электроника. Идёт процесс микроминиатюризации приборов: от электронных ламп к транзисторам, затем к интегральным схемам, и к большим интегральным схемам (БИСам). Уменьшаются потребляемые мощности, уменьшаются источники питания. И вдруг оказывается, что есть всё, кроме экономичного малогабаритного устройства, способного передать информацию от электронной схемы к человеку. Проблема состояла в том, что телевизионная трубка слишком громоздка, потребляет большие токи и т.д.

Тогда в США заново открывают эффекты, ранее обнаруженные Фредериксом и Цветковым. Начинается новая волна исследований. Вместе с появлением электронных приборов с жидкокристаллическим табло и циферблатами наступил ренессанс в физике и химии жидких кристаллов. Активно исследуется их строение, во всех аспектах изучается текучесть, создаются новые вещества, в которых открывается множество необычных явлений, вызванных действием внешних сил (температура, электрическое поле и т.д.).

Трудами учёных разных специальностей и разных стран (особенно США, Франция, СССР, Англия) наука о жидких кристаллах быстро развилась и приобрела ясные и строгие очертания.

Жидкость с оптической осью

Основными свойствами для жидкости являются текучесть, вязкость, поверхностное натяжение, сцепление с твёрдыми телами, способность отражать, преломлять и рассеивать свет. Такими же свойствами обладают и жидкие кристаллы, хотя у них и имеется ряд особенностей, не присущих жидкостям. Попробуем дать определение жидкого кристалла

• это жидкость описанных несферических молекул, которые не только удерживаются в среднем на некотором расстоянии а друг от друга, но и имеют векторы е, параллельные оси L.
• При этом расстояние а примерно равно толщине молекулы. Здесь необходимо отметить, что несмотря на то, что в таком состоянии оси или плоскости молекул оказываются параллельными, вещество всё равно остаётся жидким. Центры масс молекул не образуют в данном случае какую-то периодическую решётку, как в кристалле, а располагаются хаотично в пространстве и могут в нём свободно перемещаться.
• Ориентация молекул в такой необычной жидкости подчиняется строгому порядку только при умеренной температуре, когда тепловые толчки не на столько сильны, чтобы разрушить этот ориентационный порядок. Сильное повышение температуры влечёт за собой разрушение порядка в ориентации молекул, когда их хаотическое поступательное и вращательное движение становится преобладающим. Фактически при нагревании жидкий кристалл превращается в обыкновенную жидкость.
• Существование того или иного жидкого состояния зависит не только от температуры. Большое значение имеет то, сколько несферических молекул находится в единице объёма, т.е. какова плотность вещества. Это особенно относится к молекулам, которые по каким-либо причинам слабо притягиваются друг к другу. Тогда необходимо выяснить, могут ли силы отталкивания молекул обеспечить ориентационный порядок при умеренных температурах. В ходе исследований оказалось, что могут, если это молекулы особой вытянутой формы, похожие на стержни. Если молекул-стержней мало, т.е. мала плотность вещества, то они при различных поворотах имеют возможность не касаться друг друга своими электронными облаками. Чтобы молекулы не мешая друг другу могли поворачиваться как угодно, достаточно отвести каждой молекуле в жидкости объём - кубик с размером ребра примерно равным длине молекулы l. В пределах такого кубика объёмом l3 стержень действительно может быть ориентирован как угодно.
• Теперь, если поместить такое же число молекул в меньший объём, то на каждую частицу будет приходиться пространства меньше, чем l3, следовательно, теперь они будут располагаться не как попало, а займут более или менее параллельное положение. Если диаметр стержня а заметно меньше его длины l и на каждую молекулу приходится объём а2l, то все молекулы должны быть ориентированы одинаково, т.к. только в таком случае они не задевают друг друга. Но так произойдёт только при очень высокой плотности. При средней плотности, когда на каждую молекулу приходится объём, меньший l3, но больший а2l, ориентационный порядок будет неполным, но всё-таки заметным. Это связано с тем, чтоиз-за сильного отталкивания молекулы не могут проникать друг в друга.
• Из вышеизложенного следует, что в жидкости, состоящей из несферических молекул, при умеренных температурах и плотности вещества появляется особое направление - ось L. Вдоль такой оси ориентируются молекулы-стержни и перпендикулярно к ней - молекулы-диски. Такие же оси имеются и в некоторых твёрдых кристаллах, состоящих, например, из продолговатых молекул. Это сходство между обыкновенным кристаллом и «удивительной жидкостью» и привело к соединению двух старых понятий в одно новое - жидкий кристалл. Наличие в жидкой среде и в кристаллической решётке выделенной оси придаёт материалам особые оптические свойства. Поэтому такую ось называют оптической. Из этого видно, что сходство жидкого кристалла с твёрдым кристаллом проявляются именно в оптических свойствах
• Особенность материалов с оптическими осями состоит в том, что они эффективно, и часто эффектно, управляют световыми лучами, изменяя их интенсивность, цвет, направление. Скорость света зависит от направления его распространения по отношению к оптической оси. Белый луч света, падающий на кристалл под углом к оптической оси, на выходе может оказаться окрашенным. В некоторых случаях хорошо видно даже невооружённым глазом, что луч света на выходе из такого материала раздваивается, образуя два луча, причём интенсивность обоих лучей можно изменять, поворачивая кристалл.
• Иногда бывает так, что в обычных условиях кристалл не обладает оптической осью. Однако, он может приобрести её в результате какого-нибудь воздействия, например механического. Это обстоятельство часто используют для выяснения того, насколько опасны деформации в сложных технических изделиях, подвергающихся изощрённым нагрузкам. Вокруг места давления какого-нибудь зубца оптическая ось в материале приобретает причудливую ориентацию. Если всё то же самое проделать с прозрачной моделью изделия, то свет, проходя сквозь неё, изменит интенсивность и направление в строгом соответствии с направлением оптических осей.
• Такими же оптическими осями и свойствами могут обладать особые жидкости, причём наблюдать перечисленные эффекты в жидких кристаллах гораздо проще, чем в твёрдых телах. Это связано с тем, что в жидкости изменить ориентацию оптической оси намного легче, чем в кристалле; её можно буквально скрутить или согнуть. Из этого можно дать определение оптической оси
• это выделенное направление, с которым связаны особенности прохождения света сквозь кристалл.

Переходя к классификации жидких кристаллов, стоит рассмотреть фотографию так называемого нематика, сделанную при помощи микроскопа. На неё прекрасно видны толстые и тонкие нити, пересекающие снимок. Они возникли в результате каких-то сильных изменений в направлении оптической оси в пространстве. Это происходит в окрестности того места в материале, которое подверглось сильной деформации. Это деформация ориентации оси L. Она может быть вызвана разными условиями: внешние границы, инородные вкрапления, всякие воздействия на жидкий кристалл. Поэтому в неидеальных условиях трудно получить жидкость с неизменным направлением L в любом месте. Обычно касательные, проведённые к векторам L в разных точках выделенного участка, оказываются приблизительно параллельными. Таким образом, эти искривления образуют линии, которые и видны в нематике. Строго говоря, они являются дефектами ориентации вектора L. Как всякий дефект, нити не выгодны для сообщества молекул. Действительно, в центре звезды (места пересечения и схождения нитей) соседние молекулы должны очень резко изменять свою ориентацию. При этом одни их концы должны соединиться, а противоположные - сильно разойтись. Но это не совместимо с балансом сил притяжения и отталкивания, благодаря которому и существует жидкий кристалл. Выходом из этого противоречия служит то, что молекулы в самом центре звезды вообще никак не ориентируются. Нить как бы «расплавляется» в обычную жидкость.

Нематик избавился бы от своих нитей, поскольку без них абсолютно все молекулы были бы параллельны друг другу, что энергетически выгодно. Но этому препятствуют посторонние причины: нити могут крепиться своими концами к твёрдым частицам примеси внутри слоя, к каким-нибудь выступам и неровностям на твёрдой поверхности, соприкасающейся с нематиком. Нити могут также цепляться друг за друга, образуя сеть и мешая друг другу исчезнуть.

Некоторые нити сами по себе не очень «прочны». Если мысленно ухватиться за центр звезды и потянуть весь пучок лучей вертикально к плоскости, то все эти лучи на большом расстоянии от плоскости станут практически параллельными. Это наиболее выгодная ориентация молекул. Нематик при возможности старается вытолкнуть эту нить, например, течением, и тогда происходит так называемое «вытекание» нити в третье измерение - вертикально к плоскости звезды.

Особенностью нематика является то, что его тонкий слой, если не принять специальных мер, выглядит мутным. Обычная жидкость при тех же условиях была бы прозрачной. Дело в том, что в тонком слое мало молекул. Они рассеивают свет слабо, если связаны слабо одна с другой: интенсивность такого рассеянного света пропорциональна числу молекул. В нематике очень многие молекулы ориентированы одинаково, т.е. могут согласованно излучать вторичные волны. Размеры отдельных «зёрен» с N одинаково ориентированными молекулами достигают сотен нанометров (это крупные области). Эти зёрна не вечны и резко не отделяются друг от друга. Напротив, они могут существовать совсем недолго, их границы сильно размыты, т.е. такие области с одинаковой ориентацией молекул непрерывно рождаются и исчезают. Тем не менее, за время своего существования они успевают сильно рассеять свет. Интенсивность света, рассеянного зёрнами, пропорциональна N2. При этом такие области сильно рассеивают вперёд белый свет. Это полностью аналогично туману - воздуху с капельками воды.

Такое рассеивание было бы невозможно, если бы все зёрна имели одинаковую ориентацию, как в твёрдом кристалле. В обычных же условиях тепловые толчки мешают зёрнам нематика ориентироваться параллельно. В каждом зерне все молекулы ориентированы одинаково, поскольку здесь силы притяжения молекул успешно противостоят тепловым толчкам. Эта картина выглядит так, будто слой нематика постоянно «растрескивается» на кусочки со своими собственными направлениями вектора L. «Трещины» и есть дефекты ориентации молекул. Со временем какие-то трещины затягиваются, но возникают новые, размеры зёрен всё время меняются, и нарисованная картина как бы плывёт у нас на глазах. Так происходит во всех случаях (даже в твёрдых кристаллах), когда тепловое расшатывание конкурирует со стабилизирующими силами.

Эффект Фредерикса

Наиболее впечатляющие свойства жидких кристаллов, сделавшие эти объекты столь популярными, проявляются в различных оптических эффектах, которые очень необычны для жидкости. Такие эффекты присущи твёрдому кристаллу, но теперь становится ясным, в чём тут дело: в нематике, как и в кристалле, есть оптическая ось. Но в отличие от твёрдого кристалла, в жидком кристалле ею можно легко управлять с помощью самых разных воздействий, в том числе и электрическими полями. Эффект изменения направления оси в нематике под действием поля наблюдался ещё известным советским учёным Фредериксом и носит теперь его имя.

Оказалось, что именно в нематике эффект наиболее просто наблюдать. Это вызвано относительной слабостью сил молекулярного взаимодействий в таком жидком кристалле. Выше уже говорилось о том, что, если не принимать особых мер, то нематик как бы разбивается на отдельные осколки или зёрнышки. Ориентация отдельного зерна при этом довольно случайна, ведь нет никаких оснований считать то или иное направление избранным. Такое положение способствует своеобразной анархии среди зёрен (но не среди молекул внутри зерна). Возникает необходимость как-то указать им, какого определённого направления придерживаться.

Самый надёжный и простой способ одинаково ориентировать все молекулы нематика состоит в полировке стеклянных пластинок, между которыми будет находиться нематик. Такую полировку необходимо производить в единственном направлении. Можно, например, несильно потереть стекло лоскутом ткани по избранному направлению. В таком случае на стекле образуются невидимые бороздки, параллельные между собой. Глубина и ширина таких бороздок составляют примерно 10 - 100 нм.

Зёрна нематика имеют примерно такой же размер. Зёрна, ближайшие к поверхности, взаимодействуют с ней с помощью механизма притяжения, накрепко прилипая к стеклу. Их сцепление наибольшее, если они укладываются в приготовленные борозды параллельно направлению полировки, т.к. в этом случае они наиболее близко подходят к поверхности стекла.

Таким образом, огромное количество зёрен, находящихся непосредственно на стекле, как бы замораживается параллельно единственной оси L и не может быть сдвинуто с место никакими тепловыми толчками. Теперь весь слой нематика получает совершенно чёткое указание, как ему ориентироваться. Последующие тонкие прослойки зёрен по своей ориентации подстраиваются к предыдущим, и так происходит по всей толще нематика. Конечно, если полная его толщина велика, то постепенно влияние стекла ослабевает, и на больших расстояниях от него вновь появляются «трещины». Но если толщина слоя нематика d составляет 0,01 - 0,1 мм, то можно быть уверенным, что весь слой ориентирован одинаково. В этом случае он совершенно прозрачен.

Обычно процедура ориентации нематика выглядит так. Берут две одинаковые полированные стеклянные пластинки, вставляют между ними прокладки толщиной 0,01 - 0,1 мм, ориентируют оси полировки, например, параллельно друг другу, и в щель между стёклами вводят капельку нематика. Здесь вступает в действие обычное смачивание. Капля втягивается в эту узкую щель, причём оптическая ось нематика L устанавливается параллельно оси полировки. По ориентации молекул в результате получается монолит без всяких трещин.

Поворотом одной из стеклянных пластинок вокруг оси z на 90о можно получить более сложную конструкцию осей L. При этом оси полировки пластинок составят между собой такой же угол. В результате оси зёрен, стремясь равняться на стеклянные поверхности, совершат в толще слоя плавный разворот на 90о. В этом можно легко убедиться, если поместить данные пластины между скрещенными поляризаторами. Здесь возможны два варианта поведения нематика: либо свет будет проходить сквозь оптическую систему, либо нет.

Очень интересной является ориентация оптической оси нематика перпендикулярно к стеклянным пластинам. В данном случае полировка стекол не применима. Обычный способ таков. В нематик впрыскивают небольшое количество специальных длинных молекул, по форме и устройству напоминающих головастиков, т.е. у них имеется довольно крупная головка с постоянным электрическим диполем и длинный хвост, похожий на молекулы нематика. Обе эти структурные части очень важны. Диполи сильно притягиваются поверхностью стекла, особенно, если на ней есть электрические заряды или мельчайшие капельки воды, они тоже обладают постоянными диполями. Хвосты же молекул химически устроены так, что они совершенно безразличны к воде, как жир или воск. Хвост представляет собой длинную цепь из атомов углерода и водорода. Они сильно притягивают длинные молекулы нематика, поскольку и те и другие очень похожи. Следовательно, складывается следующая конструкция: добавленные молекулы прилипают дипольными головками к стеклу, их хвосты вертикальны к пластинке, хвосты заставляют ближайшие молекулы нематика выстроиться перпендикулярно к поверхности стекла. Далее вглубь нематика команды выстроиться в вертикальном направлении подаются уже молекулами самого жидкого кристалла. Такая оптическая система свет не пропускает.

Ориентируя по разным направлениям оптическую ось нематика, мы естественно не меняем его физические свойства. Он по-прежнему может течь и обладает упругостью, но не в том смысле, какой обычно вкладывается в это понятие, когда говорят о пружине. Смещение пластинок друг относительно друга не создаст заметных сил, способных возвратить их на прежнее место. Это означает, что центры масс молекул не вернутся на исходную позицию, что возможно либо при отсутствии полировки, либо при таком смещении, при котором оси полировки останутся параллельными.

Упругость в жидком кристалле проявляется в том, что в разных точках нематика может быть неодинаково ориентирована оптическая ось L. Молекулы стремятся быть параллельными друг другу и, если на соседних участках нематика молекулы по какой-либо причине приобретают различную ориентацию, то ориентация начинает сопротивляться этому и, сразу по устранении причины смещения, станет одинаковой в любом месте слоя. Это говорит о том, что нефиксированные пластинки, расположенные под некоторым углом одна к другой, рано или поздно займут под действием молекулярных сил параллельное положение, при котором совпадут оси полировки.

Реально эти действия осуществляются с трудом, т.к. упругие силы малы. Например, пластинки площадью 1 см2, находящиеся на расстоянии 1 см друг от друга, испытывают действие молекулярных сил ~10-11 Н. Поэтому не стоит говорить о действии нематика на массивные пластины, но стоит рассмотреть случай, когда стёкла занимают неизменное положение, а в нематике местами происходит отклонение оптической оси. Тогда даже столь слабы упругие силы восстановят исходное направление вектора L.

Изогнутость оптической оси играет важную роль при втягивании нематика в узкую щель между двумя стёклами параллельно направлению полировки. При этом оптическая ось изгибается, подобно тетиве лука. Следовательно, натяжение тонкой жидкой плёнки на поверхности увеличивается в нематике за счёт упругих сил ориентации. Однако, поверхностная плёнка нематика может быть и вогнута, но оптическая ось при этом перпендикулярна направлению движения и не испытывает изгиба, в этом случае натяжение поверхности меньше, и, значит, втягивание жидкости должно происходить медленнее. Моделируя строение нематика, можно прийти к следующим выводам: в окрестностях нитей нематика возникают заметные силы растяжения и сжатия. Звёзды растяжения и сжатия нитей притягивают друг друга, т.к. разреженность одной может компенсироваться высокой плотностью другой. С помощью микроскопа видно, как пара дефектов стягивается в одну точку и исчезает. Это убедительно свидетельствует о существовании упругих сил ориентации в нематике.

Действие поля на оптическую ось

Оптической осью нематика можно управлять, и электрическое поле для этого идеально подходит. Оно поворачивает продолговатые молекулы, а значит, и ось L так, чтобы вектор L оказался либо параллелен полю Е, либо перпендикулярен ему.

Пусть в молекуле нематика диполь легко возникает вдоль длинной оси и с трудом вдоль короткой. Это означает, что электронное облако легко смещается относительно положительного ядра вдоль молекулы и с трудом - поперёк неё. Если поле Е и ось L составляют между собой некоторый угол, то фактически заряды в молекуле разводятся только составляющей поля Е вдоль оси L. Допустим, что заряды +Q и -Q разошлись вдоль молекулы на определённое расстояние. Но в таком случае поле Е должно теперь действовать на каждый заряд в отдельности с силой F=QE по направлению вектора Е на положительный заряд и с такой же силой в противоположном направлении - на отрицательный. Таким образом, возникают плечо и пара сил, создающих крутящий момент. Этот момент и поворачивает продолговатую молекулу так, чтобы она своей длинной осью ориентировалась вдоль поля Е.

Бывает, продолговатая молекула устроена так, что электронное облако легче сместить вдоль поперечной оси. Тогда только проекция поля Е на поперечную ось создаёт диполь. В этом случае возникающий крутящий момент поворачивает молекулу так, чтобы её продольная ось оказалась перпендикулярной полю.

Пока речь идёт о поворотах одной-единственной молекулы, было бы неправильно говорить о повороте оптической оси нематика. Точно такие же повороты индивидуальных молекул происходят и в обычной жидкости. Эффект от них невелик. Но в том-то и дело, что в нематике все молекулы, взаимодействуя между собой, ориентируются одинаково. Поэтому достаточно «толкнуть» одну из них, чтобы другие дружно повернулись вслед за первой. Здесь и кроется причина того, что для осуществления поворота именно оптической оси требуются небольшие усилия, в том числе и не очень сильное электрическое поле.

В обычной жидкости, не имеющей оптической оси в отсутствие поля, молекулы под действием поля тоже выстраиваются параллельно, но для этого потребуется сильное электрическое поле. Тем не менее оно порождает в жидкости оптическую ось. Чем сильнее поле, тем более упругой становится ориентация оси. Так происходит при нагреве нематика и «расплавлении» его в обыкновенное жидкое состояние. Но и в этом случае нематик оставляет свой след. Дело в том, что обычная жидкость, бывшая нематиком, состоит из описанных выше зёрен, которые теперь ориентированы совершенно хаотично. Однако размер этих зёрен или число молекул в них сильно зависит от нагрева. С увеличением нагрева зёрна мельчают. Но, если жидкость нагрета немного выше температуры плавления нематика, размеры зёрен ещё велики - около 100 нм. Поэтому ориентировать молекулы полем гораздо легче вблизи температуры плавления, чем вдали от неё.

Из этого следует, что сколь угодно слабое поле может поворачивать оптическую ось нематика. Так и будет, если жидкая среда простирается неограниченно по всем направлениям. В действительности слой нематика должен иметь конечную толщину и жёсткую ориентацию молекул на стеклянной поверхности. Таким образом, отклоняющее действие поля вступает в противоборство со стабилизирующим действием упругих сил. Фактически отклонение оптической оси в слое нематика начинается тогда, когда крутящий момент электрических сил станет равен или больше возвращающего момента упругих сил. Поэтому для нематика существует совершенно определённый порог поля или разности потенциалов на электродах, выше которого уже нетрудно управлять оптической осью.

В центре слоя отклонение оптических осей наибольшее, а у стеклянных поверхностей - наименьшее. Это естественно, поскольку влияние твёрдой поверхности ослабевает в глубине слоя. С увеличением поля повороты оптических осей становятся всё больше и достигают 90о почти во всём нематике, за исключением тонкого приповерхностного слоя, где молекулы прилипли к стеклу. Это поведение нематика и получило название эффект Фредерикса.

При умеренных значениях напряжения, превышающих порог, когда оптическая ось не горизонтальное и не вертикальное, а какое-то наклонное положение, во всей своей красоте проявляется необычное двойное лучепреломление. Оно сопровождается цветовыми эффектами, если слой нематика освещается белым светом: по мере изменения угла наклона молекул нематик переливается всеми цветами радуги. Причина явления проста: происходит интерференция лучей, один из которых проходит сквозь нематик по вертикали, а второй - под определённым углом к вертикали, зависящим от ориентации оптической оси L.

Нематик предоставляет собой более удобное вещество, нежели любой кристалл. Для него не надо мощных импульсов электрического поля, используемых для поворота оптической оси в твёрдом теле. В нематике независимо от толщины слоя пороговое напряжение может составлять всего доли вольта, а толщина слоёв, используемых на практике, примерно равна 0,01 мм! Это и обуславливает громадный интерес к жидким кристаллам при создании оптических индикаторов и затворов всевозможных типов.

Оптические индикаторы и затворы по командам извне пропускают и гасят сигналы, подаваемые световым лучом. Первым придумал такой затвор шотландский физик Керр в 1876 г., причём тогда использовалась обыкновенная жидкость. Сегодня эффект возникновения оптической оси в обычной жидкости под действием сильного электрического поля широко используется. В затворах применяется, например, нитробензол. Такие затворы обладают одним ценным качеством. В некоторых жидкостях между моментами включения поля и возникновением оптической оси проходит ничтожно малое время ~10-11 с. Поэтому системы Керра применяются там, где необходима сверхвысокая скорость и точность: для измерения скорости света, в сверхскоростной фотографии, при исследовании взрывов и распространения пламени, для управления лазерными лучами.

Малое время реакции обычной жидкости на действие поля объясняется тем, что здесь, поворачивается каждая молекула в отдельности. Сопротивление её повороту со стороны остальных молекул ничтожно. В этот момент в быстродействии жидкие кристаллы вообще и нематик в частности не выдерживают конкуренции, т.к. в нематике действует огромный и слаженный ансамбль молекул или, по крайней мере, крупнозернистость необычной жидкости. В этом случае должны разом поворачиваться миллионы молекул. Несмотря на выигрыш в энергетической экономичности такого поворота, нельзя избежать проигрыша в скорости его осуществления. Причина - вязкость вещества, которая сказывается как раз на таких больших масштабах. Оптические оси не могут долго колебаться, если перестать на них воздействовать: колебания быстро угасают вследствие трения. Конечно, чем сильнее электрическое поле, тем быстрее оптическая ось изменит своё направление в нематике, но пока даже самые быстрые процессы в жидком кристалле протекают медленнее 10-6с.

Это ещё одно необычное свойство нематика - ориентационная вязкость, которая мешает быстродействию оптических индикаторов. Однако, не во всех индикаторах необходимы такие большие скорости. Это относится, например, к циферблатам электронных часов и калькуляторов.

До сих пор условно принималось, что лучи света сами на оказывают существенного воздействия на ориентацию молекул жидкого кристалла. Но например, напряжённость электрического поля в лазерном луче с интенсивностью, большей 100 Вт/см2, такова, что само поле луча осуществляет эффект Фредерикса в нематике, т.е. изменяет ориентацию оптической оси материала. Таким образом, можно создать оптические системы, автоматически регулирующие прохождение мощного лазерного излучения. Так открывается новая страница оптики жидких кристаллов - «нелинейная оптика».

«Хозяева» и «гости»

Попробуем подкрасить слой нематика, чтобы сделать циферблаты и дисплеи цветными. Исходная идея заключается в том, чтобы растворить какой-нибудь краситель непосредственно в жидком кристалле и посмотреть, как будут изменяться оптические свойства такого раствора под действием приложенного напряжения. В качестве красителя возьмём водный раствор «кристаллического фиолетового» (обыкновенные чернила), а жидким кристаллом будет вещество, являющееся нематиком при комнатной температуре (например, МББА).

Непосредственным смешением мы не получим ожидаемого результата, водный раствор будет просто находиться на поверхности нематика. Если же взять порошок того же красителя и насыпать в МББА, он тотчас опуститься на дно пробирки и останется там осадком.

Дело в том, что растворитель и растворяемое вещество должны подходить друг другу по строению своих молекул. Под строением здесь понимается их геометрическая форма и расположение в них электрических зарядов. Для молекулы жидкого кристалла характерна удлинённая форма, которая задаётся скелетом из двух шестиугольников, связанным между собой азометиновым (-CH = N-) мостиком. Это бензольные кольца, каждое из которых состоит из шести атомов углерода. Углерод имеет четыре валентные электрона, с помощью которых он образует химические связи с другими атомами. При этом со своим ближайшим соседом атом может установить одиночную, двойную или тройную электронную связь. В бензольных кольцах одиночные и двойные связи чередуются. При этом каждый атом углерода прикрыт от внешней среды одним атомом водорода.

У молекулы МББА имеются два очень подвижные «хвостика». Слева стоит метокси-(CH3O-) группа, а справа особенно гибкая бутильная (C4H9-) группа. Эти хвостики не несут заряда и не поддерживают соседства с молекулами воды, имеющими большие электрические диполи. В данном случае молекулам воды легче соседствовать друг с другом. Притягивающиеся одна к другой диполи воды образуют при этом некоторое подобие подвижной кристаллической решётки, в которой молекулы не фиксированы на своих местах, но всё-таки достаточно тесно связаны друг с другом. В такую тесную «решётку» незаряженная молекула-«гость» войти не может, её туда просто не впускают «хозяева».

Красители, существующие в форме заряженных ионов, могут растворяться в воде, т.к. им с помощью кулоновских сил удаётся подстроиться к водной «решётке». Однако эти красители плохо растворяются в органических растворителях, в том числе и в жидких кристаллах типа МББА. К такого рода красителям относится «кристаллический фиолетовый». Его молекула содержит три бензольных кольца, немного развёрнутых в плоскости и образующих «пропеллер». При этом с молекулы красителя снят один электрон и отдан хлору, так что отрицательный ион хлора может плавать в водном растворе совершенно независимо от оставшегося положительного иона красителя. Если же краситель попытаться растворить в жидком кристалле, молекулы которого обладают небольшими постоянными диполями, ионы не образуются, т.к. кулоновские силы, действующие со стороны красителя, оказываются недостаточными, чтобы разрушить ионную пару. В таком случае краситель вместе с атомами хлора остаётся в виде твёрдых кристалликов, чем и объясняется неудача попытки.

В жидких кристаллах хорошо растворяются вещества, молекулы которых содержат в своей основе бензольные кольца и подвижные концевые группы, например краситель К1. Бензольные кольца в нём соединены азо-(- N=N-)мостиком, а слева и справа стоят дипольные диметиламино-(N(CH3)2) и нитро-(NO2) группы. В целом же молекула электрически нейтральна, и краситель не является ионным.

Родственность в строении К1 и МББА и позволяет красителю не только легко растворяться, но и легко вписываться в молекулярную упаковку МББА, так что молекулы-гости (К1) оказываются ориентированы точно так же, как и молекулы хозяина (МББА). Сам же краситель в отдельности плавится при высокой температуре, переходя непосредственно в обычную жидкость и не образуя жидкого кристалла. Это происходит из-за особого вида его концевых групп.

Здесь законно поставить вопрос: почему при похожем молекулярном строении МББА совершенно бесцветен, а К1 является красителем, интенсивно поглощающим синий и зелёный свет и свободно пропускающим красный. Это очень интересная и большая проблема, лежащая в основе целого научного направления физики и химии красителей, которые разрабатывали, в частности, выдающиеся советские учёные академики С. Вавилов и А. Теренин.

Рассмотрим, например, такой опыт. В стеклянной кювете с прозрачными электродами находится жидкий кристалл с растворённым в нём красителем типа К1. Кристалл, а следовательно и краситель, ориентированы вертикально, например, с помощью полировки поверхностей электродов. Свет имеет вертикальную поляризацию, так что поле направлено вдоль длинных осей молекул красителя, и поэтому поглощается красителем. Монохроматический свет с длиной волны, соответствующей области поглощения красителя, при достаточной толщине слоя будет поглощаться полностью.

Теперь попробуем включить поле и переориентировать жидкий кристалл так, чтобы его молекулы, а вместе с ними и молекулы красителя, выстроились вдоль светового луча. Это получится в том случае, если вдоль оси молекулы жидкого кристалла располагается большой диполь. Например, если у молекулы МББА заменить бутильный хвост на нитрильную группу (-C=N), мы получим как раз такой жидкий кристалл, какой необходим для опыта. Включение поле приведёт к эффекту Фредерикса.

Пусть имеется пучок белого света с направлением колебаний, параллельным либо перпендикулярным направлению распространения световой волны. Такой пучок частично пройдёт сквозь затвор даже в отсутствие поля. Краситель «вырежет» из видимого спектра свой участок (например, синий) и на выходе будет световой пучок с урезанным спектром, т.е. окрашенный (в данном случае красный). Спектральный состав прошедшего света можно исследовать с помощью прибора спектрофотометра.

Спектрофотометр - это оптический прибор, основным элементом которого является стеклянная или кварцевая призма, разлагающая белый свет на все цвета радуги. Кроме того, в нём имеется устройство (фотоприёмник), регистрирующее интенсивность цветных лучей, прошедших сквозь исследуемый объект. В хорошем спектрофотометре интенсивность лучей, прошедших сквозь объект, автоматически сравнивается с интенсивностью исходных лучей. В результате способность объекта поглощать лучи автоматически регистрируется на бумаге в зависимости от длины волны света, и эта кривая называется спектром поглощения объекта. Если спектрофотометр записывает долю света, поглощённого красителем, то в отсутствие поля будет видна характерная полоса поглощения (кривая а), а при включённом поле она практически исчезает (кривая б).

Голография

Греческое слово «голография» переводится как «полная запись». В процессе записи изображения какого-либо предмета на обыкновенную фотоплёнку возникает запаздывание световой волны. Для обычного метода фотографии это запаздывание световых волн оказываются несущественными. Между тем, оно также несёт информацию о том предмете, который сам испускает свет или рассеивает лучи постороннего источника. По нему можно легко установить расстояние до той точки, из которой луч вышел. Запаздывание же луча можно измерить, если использовать дополнительный световой пучок или, так называемый эталонный луч, испущенный тем же источником, которым освещается интересующий нас предмет. Эталонный луч может быть получен прямым отражением от полупрозрачного зеркала. Путём сложения двух лучей (эталонного и сигнального) можно получить интерференцию волн. Картина распределение интенсивности интерферирующих лучей зависит от запаздывания сигнального луча по отношению к эталонному. Остаётся лишь должным образом записать интерференционную картину на прозрачную фотопластинку. Результирующая запись несёт информацию как об амплитуде сигнального луча (от этого зависит средняя степень почернения плёнки), так и о его запаздывании. Это и есть полная запись - голограмма. Однако практика осложняется процессом изготовления обычных слайдов, которые плохо совмещаются со всей сверхскоростной деятельностью вычислительной машины. Кроме того, затруднительно осуществлять их быструю механическую смену.

Здесь нашли своё применение жидкие кристаллы. С их помощью можно формировать довольно сложные образы, а потом «считывать» их лазерным лучом с одновременной записью в голографическую память. Жидкокристаллический транспарант играет роль преобразователя электрических сигналов, имеющихся в вычислительной машине, в оптический образ, считываемый лазерным светом. При этом наибольшее распространение получили два вида жидкокристаллических транспарантов.

В первом варианте оптическая картина на жидком кристалле формируется непосредственно электрическим сигналом, идущим с машины. Модель представляет из себя следующую конструкцию. Слой жидкого кристалла расположен между двумя стеклянными пластинами с электродами. Передний электрод - прозрачный сплошной, задний - представляет собой мозаику из большого числа металлических точек, к каждой из которых подведена отдельная проволочка. На каждую точку подводится соответствующий сигнал по отношению к общему прозрачному электроду, и сквозь верхнее стекло можно наблюдать изображение текста или предмета. Используя лазер, можно записать голограмму, и через доли секунды повторить весь процесс уже с новым образом и с использованием нового участка фотопластинки.

Мозаичные транспаранты сложны в изготовлении, поэтому чаще используется другая конструкция в виде системы пересекающихся вертикальных и горизонтальных электрических шин. Изменяется принцип формирования образов на таких (матричных) системах, а процесс записи голограммы остаётся прежним.

В другом варианте оптическая картина сначала формируется на электроннолучевой трубке так же, как в домашнем телевизоре. Но с телевизора изображение нельзя записать сразу в голограмму, т.к. свет люминесцирующего экрана не подходит для этой цели (он не является монохроматическим и не имеет чёткой фазы). Здесь также используется жидкокристаллический транспарант, изображение на котором создаётся с помощью фотополупроводникового слоя, чувствительного к свету электроннолучевой трубки.

В этой системе свет с экрана трубки с помощью линзы проектируется на фоточувствительный слой, электрическое сопротивление которого уменьшается при освещении. При этом фотопроводник и жидкий кристалл присоединены последовательно к одному общему источнику напряжения. В темноте фотослой имеет высокое сопротивление, и всё напряжение падает на нём. При освещении ярким участкам картинки на трубке соответствуют яркие участки изображения на фотослое, и в этих местах сопротивление фотослоя уменьшается. Напряжение батареи сразу же перераспределяется в пользу жидкого кристалла. Жидкий кристалл реагируют на приложение поля, изменяя свою ориентацию. Это изменяет его оптические свойства по отношению к падающему лазерному лучу, который меняет свою фазу в соответствии с записываемой картиной. Таким образом, свет от трубки (обычно синий) является записывающим для транспаранта и в то же время записывающим для голограммы.

Практически все устройства голографической памяти, конструируемые в последнее время, используют в транспарантах жидкие кристаллы. Другие электрооптические материалы пока не выдерживают конкуренции; устройства, их использующие, оказываются более сложными и энергоёмкими.

Карманный телевизор

Критерием оценки качества телевизора, помимо его технических свойств, является размер его экрана. Чем больше экран, тем лучше. Большой же объём телевизора не приносит пользы. В то же время уменьшать его чрезвычайно трудно, несмотря на все успехи микроминиатюризации современных радиосхем. Виновником этого является вакуумная электроннолучевая трубка, которую никак не удаётся сделать плоской. Помимо того, трубка требует высоковольтного напряжения.

Чтобы телевизор был портативным, ему необходимо иметь плоский экран, управляемый низкими электрическими напряжениями (около нескольких вольт), получаемыми с интегральных схем. Этим требованиям удовлетворяют экраны, использующие жидкие кристаллы. Экран может работать, например, с помощью эффекта Фредерикса.

Сравним обычную телевизионную трубку с жидкокристаллическим экраном. У жидких кристаллов нет такой памяти, как у люминофора (вещества, покрывающего изнутри экран телевизора). Поэтому луч возбуждает их не поэлементно (как в обычном экране), а построчно. Для этого делается система пересекающихся электродов. Она называется матричной, поскольку похожа на алгебраическую матрицу, т.е. прямоугольную таблицу математических символов. Матрица состоит из X строк и Y столбцов. Её число элементов равно произведению XY, хотя число выводов составляет всего лишь сумму X+Y. Так при большом количестве элементов X=Y=100, требуется всего лишь 200 выводов вместо 10 000, как это было бы в случае мозаичного экрана. Это и является главным преимуществом матричной системы.

Стёкла складываются электродами внутрь в «бутербродную» конструкцию с зазором шириной в несколько микрометров, фиксируемые специальными прокладками. Жидкий кристалл помещается в зазор. Если стёкла не были предварительно обработаны для получения закрученной ориентации, то можно наблюдать эффект Фредерикса на любом из элементов матрицы, куда будет подано напряжение. Для построчного возбуждения на одну из горизонтальных шин подаётся возбуждающий импульс вполне определённой амплитуды, а на все вертикальные шины одновременно - информационные импульсы, несущие сведения об изображении. В результате все элементы указанной строки загораются одновременно, но с разной яркостью, заданной амплитудами информационных импульсов. Затем возбуждающий импульс передаётся на следующую строку и так далее. Если необходимо получить стандартный кадр из 600 строк, то надо записать строку за 60 мкс и сохранить эту запись в течение всего кадра. Активная научная работа за последние 20 лет позволила преодолеть нехватку инерционности жидких кристаллов и достигнуть памяти Твыкл/Твкл=600.

Тот же принцип, что и в телевизионном экране, используется в сложных матричных экранах современных электронных словарей. На компактной клавиатуре набирается русское слово и тотчас на жидкокристаллическом экране отображается его английский эквивалент. При наличии большой памяти электронный словарь может оперировать сразу несколькими языками и совершать переводы не только отдельных слов, но и целых предложений.

Конвекция

Чтобы подробно рассмотреть этот раздел, необходимо представить себе жидкокристаллический «поток». Этот вопрос можно разбить на два раздела. Во-первых, надо понять, как скорость течения зависит от строения текущего вещества. Во-вторых, каковы будут оптические характеристики текущей жидкости, если эта жидкость - жидкий кристалл.

Более 60 лет назад советский физик В. Цветков поставил очень простой на вид эксперимент. Измерялась скорость вытекания жидкого кристалла из круглого капилляра, помещённого в зазор довольно сильного магнита. Использовался классический пара-азоксианизол (ПАА).

В. Цветков заметил, что при включении магнитного поля скорость вытекания жидкого кристалла замедляется примерно вдвое, а это равносильно тому, что вдвое увеличилась вязкость жидкости. Специально поставленные эксперименты показали, что магнитное поле, как и электрическое, ориентирует молекулы жидкого кристалла, причём выстраивает молекулярные оси параллельно своему направлению.

Вспомним о том, что вязкость - это внутренне молекулярное трение в жидкости. Если два соседних слоя жидкости текут с разными скоростями, то трение зависит от того, насколько легко молекулы медленного слоя будут проскакивать в быстрый и наоборот. Теперь результаты опыта становятся понятными. Молекулам легче продвигаться в направлении вдоль их длинных осей, чем в поперечном направлении. Торможение быстрых молекул идёт гораздо сильнее при вытекании нематика с включённым полем. Так включение поля приводит к увеличению молекулярного трения, т.е. к увеличению вязкости. Значит, скорость течения жидкого кристалла зависит от ориентации его молекул, т.е. его оптической оси, а течение ориентирует его молекулы, т.е. оптическую ось. В разных условиях эти явления могут проявляться порознь, а могут и оба одновременно.

От вязкости зависит и такое явление как конвекция. Более интересной является конвекция, вызванная протеканием электрического тока через нематик.

Чтобы сквозь вещество шёл ток, необходимы свободные заряды. Жидкие кристаллы состоят из сложных, но в среднем электрически незаряженных органических молекул. Чтобы получить ион, надо оторвать хотя бы один электрон или посадить лишний. Несмотря на то, что это не так легко сделать (на это нужны энергии порядка единиц электронвольт, что приблизительно эквивалентно нагреву вещества до 10 000 К), но всё-таки такие ионы, как положительные, так и отрицательные, образуются. Чаще всего это происходит за счёт потери или приобретения электрона примесями, имеющимися в жидком кристалле. Но даже и в самом чистом веществе без единой чужеродной молекулы ионы бы образовывались, но уже за счёт космического излучения или ионизации молекул самого жидкого кристалла в области сильного электрического поля вблизи электродов.

Таким образом, будем считать, что ионы имеются. При этом число положительных и отрицательных зарядов равно друг другу не только по всему образцу в целом, но и в каждом произвольно выбранном малом объёме. При выполнении этого условия электронейтральности получается выигрыш в электростатической силе взаимодействия ионов. Но так бывает не всегда: могут обнаружиться причины, приводящие к нарушению нейтральности. Рассмотрим такой случай, т.к. так можно получить ориентационную картину с использованием внешнего электрического поля.

Допустим, что мы с самого начала имеем ориентированный жидкий кристалл, который находится между обкладками плоского электрического конденсатора. Допустим, что положительные и отрицательные ионы располагаются родственными группами. Тогда при включении поля произойдёт вполне очевидная вещь: отрицательные ионы будут двигаться к аноду, а положительные - к катоду. А поскольку ионы не бестелесны, то произойдёт перенос массы жидкости, т.е. поток. Поток замыкается, образуя конвективные вихри. Движение этих вихрей будет поддерживаться неограниченно долго, если прибывающие к аноду и катоду ионы будут там разряжаться, а в объёме на прежних местах будут рождаться новые заряды. Конвективные вихри приведут к искажению молекулярной ориентации. Значит, возникнет ориентационный орнамент, приводящий к системе чередующихся чёрных и белых полос, хорошо различимых в поляризационный микроскоп.

Такие полосы (вихри-«рулончики») впервые в 1961 г. наблюдал советский учёный А. Капустин, а более подробно исследовал американский физик Р. Вильямс. На них можно наблюдать дифракцию монохроматического света, т.к. тут имеем дело с обоймой цилиндрических линз, образующих дифракционную решётку. Такие решётки, управляемые полем можно использовать в лазерной технике для отклонения или расщепления световых пучков.

Теперь необходимо рассмотреть, почему получилось так, что разноимённые заряды оказались в разных местах, явно нарушив при этом электрическую нейтральность жидкости. Предположим, что у нас заранее, т.е. в отсутствие поля, есть искажение ориентаций молекул, но зато среда всюду нейтральна. В этом случае при включении поля разноимённые заряды начнут разделяться. Действительно, пусть где-то в объёме совсем рядом друг с другом находятся два разноимённых иона. При включении поля положительный ион пойдёт к катоду, а отрицательный - к аноду. Но они не свободны в выборе траектории движения. Ионы идут к электродам как бы по кривому коридору: наличие «коридора» приводит к тому, что положительный заряд сместиться вправо, а отрицательный - влево, т.е. наличие искажённой ориентации жидкого кристалла действительно приводит к разделению зарядов.

Здесь кажется, что рассуждения зашли в тупик. Чтобы получить искажение ориентации, нужно иметь поток, вызванный разделёнными в пространстве зарядами. И наоборот, чтобы разделить заряды, нужно иметь искажение ориентации. Пусковым механизмом являются случайные тепловые отклонения в ориентации молекул, ведь молекулы находятся в состоянии непрерывного теплового движения. В какой-то момент случается так, что из-за теплового толчка в каком-то месте ориентация молекул только чуть-чуть отклонится от исходной. Этого вполне достаточно, чтобы тут же сработал механизм обратной связи. При наличии поля цепочка событий будет выглядеть так: минимальное случайное искажение ориентации - минимальное разделение зарядов - дрейф зарядов в поле - ток жидкости - искажение ориентации молекул. Цепочка замкнулась, и направление результирующего поворота молекул совпадает с исходным малым отклонением. Произошло усиление исходного отклонения. Теперь отклонение молекул и скорость жидкости будут нарастать, пока другие процессы (например, действие упругих сил) не придержат этот рост. В результате установится процесс равномерного вращения вихрей-«рулонов». Это явление называется электрогидродинамической неустойчивостью.

В зависимости от характера исходной ориентации жидкого кристалла, амплитуды и частоты приложенного поля и свойств жидкого кристалла можно наблюдать большое разнообразие ориентационных узоров, вызванных конвекцией жидкости.

Взбалтывание нематика электрическим током

Если внешнее напряжение ниже порогового, то жидкий кристалл находится в покое. Если поле увеличить, то будет достигнут порог неустойчивости, при котором возникает вихревое течение жидкого кристалла в форме правильных ячеек или «рулонов». Если ещё немного увеличить напряжение, скорость циркуляции жидкости в «рулонах» будет увеличиваться, но форма ячеек пока не меняется. Однако так продолжается не до бесконечности. Уже при небольших превышениях внешнего напряжения над пороговым плавное течение круговых вихрей сменяется другим, более беспорядочным движением жидкости. Образуется большое число мелких воронок, водоворотов, завихрений. Чем выше напряжение, тем на более мелкие и менее упорядоченные завихрения дробится весь жидкокристаллический слой, и в конце концов возникает полный хаос. Последовательность событий напоминает закипание чайника. Такое хаотическое движение жидкого кристалла называется турбулентным.

Таким образом, получается, что электрический ток взбалтывает жидкокристаллическое вещество. При таком хаотическом движении жидкости и ориентация молекул окажется неузнаваемо искажённой - сильно неоднородной. В этом случае области более или менее однородной ориентации очень малы и имеют размеры порядка микрометра, т.е. соизмеримы с длиной волны света (именно такие размеры имеют размеры имеют мелкие вихри в жидкости). В свою очередь искажения молекулярной ориентации приводят к неоднородностям коэффициента преломления света.

Если создать в жидком кристалле оптические неоднородности (зёрна), то можно получить ситуацию, когда свет будет рассеиваться. Действительно, слой нематического жидкого кристалла, который был совершенно прозрачным до подключения к нему напряжения становится молочно-белым, совершенно мутным. Это явление впервые было обнаружено В. Фредериксом и В. Цветковым в 1935 г. Впоследствии оно получило название «динамического рассеяния света». Для получения сильного рассеяния в тонком слое достаточно пропускать через жидкий кристалл ток плотностью 1 мкА/см2. Этого вполне хватает, чтобы движущиеся ионы меняли ориентацию оптической оси нематика, т.к. противодействующие этому силы упругости очень малы.

Эффект динамического рассеяния света позволяет имитировать туман или моделировать различные рассеивающие среды. Это важно для изучения физики таких сред. Приборы, имитирующие туман за бортом самолёта, могут использоваться при обучении лётчиков в реальных условиях полёта. Наиболее широкое применение этот эффект находит в индикаторной технике. Например, индикаторы на динамическом рассеянии используются в приборных панелях автомобилей. Здесь плюсом является выигрыш в яркости и возможность наблюдения изображения под достаточно большими углами, характерными для динамического рассеяния.

Существует интересная разновидность эффекта, которая позволяет надолго (на месяцы) сохранять мутно-молочное состояние даже после выключения напряжения. В таком случае реализуется оптическая память. Такое явление наблюдается при возбуждении полем не простого нематика, а его смеси с жидкими кристаллами, имеющими спиральное строение. При включённом поле, как в обычном нематике, возникает движение жидкости. При включении поля это движение прекращается (из-за расхода энергии на внутреннее трение). Но в отличие от обычных нематиков для этих смесей характерно образование «незалечивающихся» дефектов ориентации. Движение жидкости способствует образованию таких дефектов, сохраняющихся и после прекращения движения. На дефектах ориентации происходит сильное рассеяние света, при этом к слою жидкого кристалла извне энергия не подводится.

Значит, этот дефект можно использовать для создания больших табло, на которых информацию не приходится менять слишком часто. В этом случае электрическая мощность затрачивается лишь в момент записи, а затем картину можно рассматривать сколь угодно долго. Стереть же информацию можно полем достаточно большой частоты, которое заставляет молекулы принять свою исходную ориентацию, а движение жидкости вызвать не может, т.к. за очень короткий период поля ионы разного знака не успевают расстаться друг с другом и нарушить электрическую нейтральность среды.

Спиральные молекулы

Первыми жидкими кристаллами, попавшими в руки исследователей, были эфиры холестерина. Их поведение при изменении температуры было ни на что не похоже, точнее, было похоже на поведение хамелеонов: они быстро меняли свою окраску. Много позднее выяснилось, что это тоже жидкие кристаллы, только ещё более необычные.

Холестерик по своему устройству во многом напоминает нематик, но имеет одно существенное отличие. Можно сказать, что холестерик состоит из множества нематических слоёв, стопки таких слоёв. Но оптические оси этих слоёв развёрнуты на некоторый угол, причём для двух соседних слоёв такой угол составляет малую величину б=0,5о. Расстояние между слоями примерно равно поперечному размеру молекулы а. Если двигаться вдоль оси z, перпендикулярно плоскости слоёв, то через число слоёв 180о/б их ориентация станет такой же, как в самом первом слое. Расстояние h= 360о/б*а, через которое молекулы повернутся в пространстве на 360о, представляет собой удвоенный период своеобразной решётки. Величину h называют шагом спирали, которую образуют в пространстве концы молекул, лежащих в последовательных слоях.

Периодическая решётка холестерика (холестерическая спираль) удивительна тем, что чёткое чередование в ней касается только ориентации молекул. В то же время в каждом нематическом слое молекулы могут свободно перемещаться, меняться местами. Таким образом, холестерическая спираль свободно течёт вдоль таких плоскостей, а спираль при этом практически не разрушается. Молекулы могут перескакивать из слоя в слой, поворачиваясь при этом на угол б. Но это им даётся не легко, поэтому свойства решётки с периодом h/2 вдоль оси z уже имеют определённое сходство со свойствами твёрдого кристалла.

Особенности строения холестериков наиболее сильно проявляются при изменении температуры вещества и различных внешних воздействиях. Холестерическая спираль демонстрирует всю палитру красок, чувствительных к малейшим повреждениям столь своеобразной решётки.

Правые и левые молекулы

Молекулы бывают зеркально симметричные и зеркально несимметричные. Например, молекулы нематика зеркально симметричные. Это можно доказать, поместив молекулы перед зеркалом. Видно, что их зеркальные изображения нисколько не отличаются от них самих. Если же правые и левые изображения не совпадают, то мы имеем пример зеркальной несимметричности.

Химики научились получать правые и левые молекулы в необходимых для науки и практики количествах. Попробуем изобразить молекулу, которая не является зеркально симметричной. Это должна быть более или менее плоская поверхность и на ней выступ. Связующим звеном является цепочка атомов, которая отходит от основного плоского участка молекулы, завиваясь либо в правую, либо в левую спираль. На вершине выступа находится атом, наиболее далеко отошедший из основной плоскости молекулы, а спиральная цепочка может быть очень короткой - просто отрезком спирали.

Холестерики состоят из молекул, имеющих правый либо левый винт. Сходство молекул холестерика и нематика заключается в наличии у тех и у других больших плоских участков, сильно вытянутых в одном направлении. У холестерика к такому участку ещё добавлен кусочек спирали. Толщина молекулы а составляет обычно около 1 нм, а общая длина l - несколько нанометров. В основной плоскости насчитываются несколько десятков и даже сотни атомов, в то время как спиральный выступ насчитывает единицы атомов. Вот почему холестерик сохраняет некоторые черты нематика и в то же время так отличается от него.

Химический состав и синтез

жидкий кристалл нематика поле

Все известные на сегодняшний день жидкокристаллические вещества состоят из органических молекул, т.е. представляют собой соединения углерода с водородом, кислородом, азотом и другими элементами. Среди неорганических соединений жидкие кристаллы пока не обнаружены, хотя это и не исключено. Молекулы типичных жидких кристаллов достаточно сложны. Например, в сравнительно простой молекуле МББА имеются 18 атомов углерода, 21 атом водорода и по одному атому кислорода и азота. В природе жидкие кристаллы встречаются крайне редко (как правило, в биологических объектах), поэтому их приходится изготовлять (синтезировать) искусственным путём.

Химический синтез - это создание сложной и небывалой молекулярной структуры из известные более простых частей. Однако, после синтеза следует провести ещё проверку качества полученного результата (элементный химический анализ, спектроскопия, физико-химическое исследование). В особенности важной для жидких кристаллов является тщательная очистка от посторонних примесей и от ионов. В противном случае электрическая проводимость вещества окажется слишком высокой, и через него потекут большие токи, когда к нему будет приложено напряжение. А это в свою очередь уменьшит срок службы устройства и увеличит потребляемую мощность.

Синтез МББА проходит в одну стадию. Достаточно взять в нужном соотношении две жидкости: анисовый альдегид и бутиланилин. Для проведения реакции обе жидкости растворяют в спирте, смешивают оба раствора, а затем, нагревая, выпаривают растворитель. Получается МББА и вода.

Но не всегда синтез так прост. Иногда для получения жидкого кристалла приходится делать до 15-20 промежуточных химических стадий, не считая очистки и последующих анализов. На сегодняшний день жидкие кристаллы - уже не экзотика. Синтезировано более шести тысяч жидкокристаллических соединений с самыми разнообразными свойствами.

Твист-структура

Что же нового вносит спиральная форма молекул в ориентацию оси жидкого кристалла? Прежде всего молекулы можно расположить параллельно друг другу хотя бы в одном тонком слое. При этом есть возможность удобно подогнать молекулы одну к другой, что соответствует балансу сил, действующих между ними. Таким образом, выделенный слой молекул имеют оптическую ось L. Однако вовсе не обязательно всем молекулам в таком нематическом слое одновременно иметь совершенно одинаковую ориентацию всех частей молекул. Например, молекулы могут поворачиваться вокруг своих продольных осей, так что в разных местах основные (плоские) участки молекул лежат как плашмя, так и ребром к слою. Так происходит и в настоящем нематике.

Далее к этому слою пристраивается следующий нематический слой молекул, в котором также имеется своя оптическая ось L. Здесь также срабатывает принцип равновесия сил, но при этом не запрещены повороты молекул вокруг продольных осей, которые могут быть вызваны, например, тепловыми толчками. Молекулы второго слоя могут быть параллельны молекулам первого, если слои находятся друг от друга на расстоянии, примерно равном сумме толщины основного участка молекулы а и высоты её спирального выступа b. В этом случае выступы не мешают молекулам поворачиваться вокруг своих осей, но сила притяжения плоских участков заставляют молекулы сблизиться, т.к. расстояние между слоями фактически увеличилось на высоту выступа b.

Но есть и другая возможность взаимной ориентации оптических осей L1 и L2. Если расстояние между соседними тонкими слоями меньше, чем в рассмотренном выше случае, а векторы L1 и L2 не могут быть строго параллельны. Это вызвано тем, что теперь молекулы не смогли бы свободно поворачиваться вокруг продольных осей; мешали бы выступы. Но тепловые толчки мешают молекулам удерживать в одном и том же положении все элементы их конструкции. Только ориентация продольных осей остаётся неизменной, потому что вдоль них расположена основная масса атомов. Значит, векторы L1 и L2 должны составить между собой малый угол. Тогда наступает равновесие сил, т.к. плоские участки молекул расположены ближе, и в то же время молекулы получают определённую свободу для поворотов вокруг своих длинных осей. Следовательно, молекулы с выступами могли бы расположиться в соседних слоях, образуя стопку слоёв, имеющую в пространстве вид холестерической спирали (другое название - твист-ориентация). Тут важно, какой винт - правый или левый - образуют молекулы холестерика, т.к. от этого зависит, в каком направлении будут поворачиваться оптические оси. При этом как плоские, так и спиральные участки молекул всех слоёв могут сближаться на минимальное расстояние, при котором имеется баланс сил.

Слоистое строение холестерика с той или иной спиралью оптических осей возникает в веществе само собой, без каких-либо посторонних причин. Не нужно никаких воздействий и дефектов, чтобы образовался винт. Это отличает холестерик от многих твёрдых кристаллов, в которых своеобразное слоистое строение и наблюдаемый винт часто связаны с существованием дефектов кристаллической решётки.

Ультрафиолетовый свет разрушает слабые спиральные участки молекул, сбивая атомы с выступов в основные плоскости или превращает правые молекулы в левые и наоборот. Таким образом под действием облучения спиральные участки могут распрямляться. Чем больше энергия отдельных квантов, попадающих в спиральный выступ, тем большему разрушению он подвергается - вплоть до полного исчезновения винта. Чем интенсивнее излучение или чем дольше оно действует, тем больше число молекул холестерика теряет свои спиральные свойства. Поэтому под влиянием фотохимических реакций угол между слоями становится всё меньше, а шаг спирали - всё больше. В конечном счёте шаг может обратиться в бесконечность, т.е. холестерик превращается в обыкновенный нематик. Если же конструкция молекулы настолько слабо скреплена, что под действием света разрушаются связи между атомами даже в основном остове молекул, то их взаимное притяжение ослабевает. Теперь становится невозможным даже существование нематика, т.е. холестерик превращается в обычную жидкость. К подобным последствиям приводит и смешивание холестерика с обычной жидкостью, каким-либо нематиком или холестериком, имеющим противоположный винт. Шаг первоначальной холестерической спирали увеличивается, а при большом разбавлении образуется нематик. Ещё более сильное разбавление ликвидирует оптическую ось вообще.

Оптическая активность

Наиболее точную информацию о том, как изменяется шаг спирали, даёт прохождение поляризованного света сквозь плёнку холестерика. Одним из свойств здесь является вращение поляризации света по мере его прохождения в толщу плёнки.

Это явление впервые было обнаружено в кварце в 1811 г. Вообще явление поворота поляризации уже было известно и связывалось с двойным лучепреломлением. Разница состоит в том, что в холестерике шаг спирали очень велик (порядка сотен нанометров), а в кварце он составляет примерно 5,4 нм. Поэтому длина световой волны в закрученном холестерике сравнима с шагом винта, в кварце - много больше его, а в нематике - много меньше. Для научных и практических целей делают холестерические смеси с очень большим шагом спирали.

Пусть на плёнку холестерика вертикально падает свет. Он поляризован вдоль оптической оси холестерика на внешней поверхности плёнки. Проходящий луч формируется в результате интерференции падающей волны и волн, излучённых электронами молекул под воздействием поля первичной волны. Так как электроны легче всего смещаются вдоль длинных осей молекул, то поле вторичной волны, излучённой на определённой глубине холестерического слоя, должно быть параллельно оси на данной глубине. Если длина волны много меньше шага холестерической спирали, то согласованность распространения первичной и вторичных волн, благодаря которой они взаимно усиливаются, фактически соответствует повороту поля Е в луче, проходящем сквозь слой. При этом поляризация света параллельна оптической оси холестерика в любой точке спирали. Интерференционные явления, разыгрывающиеся на расстояниях порядка длины волны, как бы успевают за «медленным» поворотом осей L в пространстве и подстраиваются к такому повороту. Таким образом, пройдя всю толщину плёнки, свет оказывается линейно поляризованным так, как направлена оптическая ось на нижней поверхности плёнки.

Скорости световых лучей с разной круговой поляризацией немного отличаются. Луч с левой поляризацией в правой холестерической спирали имеет большую скорость, чем луч с правой поляризацией. Естественно, обратная картина наблюдается в левой холестерической спирали. Причина этого кроется в том, что в одном луче вторичные колебания поля вдоль оптических осей немного усиливают первичную волну с круговой поляризацией, а в другом - ослабляет. Результат интерференции первичной и вторичных волн как раз и определяет скорость света в среде. Различие в скорости волн с разной круговой поляризацией становится более ощутимым, когда шаг спирали отличается от длины волны света не очень сильно. В этом случае роль вторичных колебаний поля вдоль оптических осей сильно возрастает. Так в правой спирали излучение вторичных волн происходит гораздо более согласованно под воздействием левополяризованной первичной волны, чем вследствие действия волны с правой поляризацией.

Явление поворота поляризации света называется оптической активностью вещества. Это явление, чрезвычайно чувствительное к любым изменениям строения вещества и взаимодействия между молекулами, даёт ценную информацию о том, как устроены молекулы, как видоизменяется их архитектура в результате химических реакций, полимеризации. Оптическая активность применяется в различных оптических приборах (модуляторах, затворах) и в качестве очень точного метода деления показателей преломления разных лучей в данной среде. Такой метод в 10 000 раз точнее других известных способов измерения. Исключительно важна оптическая активность биологических молекул и, в частности, белков, которые состоят из аминокислот, обладающих левыми винтами. Эта избранность спирального строения биомолекул до сих пор представляет неразрешимую загадку для учёных.

Избирательное отражение света

С явлением оптической активности тесно связано явление избирательного отражения света холестериком. Холестерик действительно отражает яркий свет лишь с избранной длиной волны l, равной шагу холестерической спирали h. Этим объясняется то богатство, цветовой гаммы, которое так привлекает всех, кто смотрит на изделия из холестериков в изменяющихся условиях (температура, механическая нагрузка, электромагнитное поле, примеси).

Падающий луч света не только проходит вглубь плёнки в виде двух лучей с разной круговой поляризацией, по-разному распространяющихся в холестерике, но и отражается от плёнки благодаря интерференции вторичных волн.

Пусть на правую спираль сверху падает световой луч. Длина волны и шаг спирали предполагаются равными. Если волна левополяризованная, то в какой-то момент поле Е на входе в плёнку совпадёт по направлению с оптической осью холестерика. Тогда в течение всего периода колебания по мере прохождения волны в глубь плёнки вектор Е в каждой новой точке окажется повёрнутым на тот же угол, что и оптическая ось холестерика. Такая согласованность обеспечит беспрепятственное прохождение света сквозь плёнку.

В силу полного отсутствия согласованности между вращением вектора Е и вращением оптической оси правополяризованная волна не проходит сквозь правую холестерическую спираль. Таким образом, правополяризованная световая волна может только отразиться от правого холестерика, если её длина точно равна шагу спирали и она падает на плёнку вдоль оси спирали.

На практике редко подбирают такие условия, когда шаг спирали, длина волны и поляризация света удовлетворяют всем необходимым условиям. Чаще всего на плёнку холестерика падает естественный свет, в котором есть любая поляризация и любая длина волны. Из этого обилия волн холестерик сам выбирает такую волну, которая удовлетворят заданным условиям, и отражает её. Все остальные волны проходят сквозь плёнку холестерика, и если они затем поглощаются каким-либо материалом или отводятся так, что не могут вернуться назад, то мы видим плёнку окрашенной в цвет отражённой волны.

Большинство холестериков отражают видимый свет. Набор холестериков с различными шагами спиралей даёт в наше распоряжение богатый набор красок - чистых и ярких. Но в отличие от обычных, эти краски необходимо наносить на совершенно чёрную поверхность, и тогда они заиграют всеми цветами радуги. Цвет холестерика - результат коллективного взаимодействия практически всех молекул. Коллективность ориентации молекул в холестерике и даёт им возможность построить ажурную конструкцию из оптических осей - холестерическую спираль.

Раскрутка спирали, как и эффект Фредерикса, сейчас активно исследуются с целью применения холестериков в чёрно-белых и цветных плоских экранах с электронным управлением.

Изменение цвета под влиянием температуры

Холестерик обладает одним очень интересным и эффектным свойством: изменение окраски в зависимости от температуры. При этом цвет холестерической плёнки зависит от температуры в такой же степени, в какой чувствителен к нагреву или охлаждению шаг спирали. И здесь прослеживается интересная закономерность. При высокой температуре в обыкновенном состоянии холестерик бесцветен, точнее, бесцветно то вещество, которое при более низкой температуре переходит в холестерическое состояние и становится обладателем спирали. При температуре такого перехода холестерик синеет и при дальнейшем охлаждении приобретает все цвета спектра от фиолетового и голубого до красного и жёлтого. Это означает, что по мере охлаждения холестерической жидкости шаг спирали увеличивается, а при нагревании - уменьшается.

В обычных холестериках шаг спирали изменяется на несколько нанометров при изменении температуры на несколько градусов. Но есть более уникальные материалы (холестерические смеси), которые демонстрируют все цвета спектра в интервале 10-2 и даже 10-3 градуса. Столь огромная чувствительность, уже сравнимая с последствиями отдельных тепловых толчков, показывает, какие необыкновенные возможности заключены в этих веществах, слои которых с толщиной всего 0,01 мм служат сегодня незаменимыми термоиндикаторами. Они стали основой для создания тонкоплёночных тепловизоров. Они применяются в медицине для диагностики на ранних стадиях опухолей и воспалительных процессов, в технике, например, для проверки наличия перегретых элементов в больших электрических схемах.

Отчасти твёрдые жидкие кристаллы

За молекулами как в нематике, так и в холестерике не закреплены никакие определённые положения равновесия. Но помимо упомянутых жидких кристаллов также существуют и другие состояния. Оказывается, что по мере охлаждения одного и того же вещества могут наблюдаться всё новые и новые состояния, которые уже не являются полностью жидкими, но и не стали ещё полностью твёрдыми. Это тоже жидкие кристаллы, но особого рода. Они ведут себя как твёрдые кристаллы только по вполне определённым (избранным) направлениям в теле.

Решётка из жидких нитей

Из всех частично твёрдых жидких кристаллов решётка жидких нитей кажется самой близкой по строению к полностью твёрдому кристаллу, ведь в этом случае не хватает твёрдости лишь в единственном направлении. Долгое время природа не давала в руки учёным такие материалы, и эта модель кристалла существовала чисто умозрительно.

В 1977 г. индийские учёные лабораторным путём получили дискообразные молекулы. И оказалось, что именно такие молекулы собираются в жидкие столбики или нити с диаметром, примерно равным диаметру молекулы - диска. В каждом столбике диски молекул примерно параллельны друг другу, как в нематике, а расстояния между дисками совершенно произвольны, вследствие чего они свободно движутся вдоль столбиков, которые именно поэтому могут быть названы жидкими нитями, а точнее - нематическими столбиками. Сами же нематические столбики расположены в пространстве очень строго; все они параллельны друг другу и образуют шестиугольную решётку в плоскости xy. Происходит это неслучайно. Взаимное притяжение молекул при неизменном расстоянии между центрами дисков будет наибольшим, когда диски параллельны и располагаются друг над другом, т.к. на одинаковом расстоянии находятся практически все атомы молекул. Притяжение будет наименьшим, когда диски находятся в одной плоскости, т.к. близко расположены только крайние атомы.

Силы отталкивания молекул тоже различны при разных взаимных положениях дисков. Таким образом, при одном и том же расстоянии между центрами масс молекулы, располагаясь вертикально в столбиках, они сильно притягиваются, но слабо отталкиваются. И наоборот, располагаясь в одной плоскости, они слабо притягиваются, но сильно отталкиваются. Поэтому в столбиках преобладают силы притяжения, благодаря чему они благополучно сопротивляются тепловым толчкам. А сами столбики составляют правильную шестиугольную решётку в основном за счёт мощных сил отталкивания.

При большом нагреве силы отталкивания не могут обеспечить строгий порядок в расположении столбиков - решётка в двух измерениях расплавится и образуется трёхмерный нематик, который течёт в любом направлении при сохранении параллельности дисков.

Такой кристалл можно представить себе как систему плотно уложенных жёстких трубок. Отличие упругих свойств этого кристалла от нематика заключается в том, что здесь возможны не все отклонения оптической оси L от единственного направления, которые наблюдаются на разных участках при различных нагрузках. Теперь оптическая ось жёстко связана с настоящей кристаллической решёткой, хотя и существует лишь в двух измерениях. Фактически вектор L совпадает по направлению с осями жёстких трубок, поэтому тут недопустимы закручивание оптической оси в твист-ориентацию и её изгиб. Такие деформации означали бы, что в некоторых местах трубки должны сильно разрушиться, а чтобы так искорёжить трубки, нужны невероятные усилия по преодолению сил отталкивания, при которых само существование решётки становится невозможным. Значит, оптическая ось может изогнуться только в виде изгиба пучка жёстких трубок, плотно подогнанных друг к другу. Такие ограниченные возможности изменения оптических свойств и показывают, что мы имеем дело с отчасти твёрдым жидким кристаллом. Расплавив его в диско-нематик, который обладает очень большой вязкостью, можно убедиться, что в таком нематике существуют и кручение, и два вида изгибов оптической оси.

Кристалл, твёрдый только в одном направлении

Рассмотрим ещё один вид жидких кристаллов - смектики. В переводе с греческого это означает «мыльный». Уже давно было обнаружено, что есть сорт жидких кристаллов, похожих по своему строению на мыльные плёнки. Плёнка устроена так. Тонкая прослойка молекул воды окружена с двух сторон дипольными молекулами. При этом дипольные головки обращены к воде, а длинные хвосты торчат наружу. При этом поверхность плёнки совершенно нейтральна, т.к. хвосты не несут на себе никаких электрических зарядов. Такая оболочка ни к чему не прилипает, кроме того она обладает поверхностным натяжением, что придаёт ей прочность и эластичность.

Так, например, рассматривая мыльный пузырь, мы имеем дело с тонким слоем, равным сумме длин нескольких молекул, в котором все частицы, ориентированные одинаково (перпендикулярно поверхности), свободно перемещаются вдоль поверхности так, что центры масс молекул находятся на одной и той же плоскости. Эта плоскость называется смектической. Смектическая плоскость параллельна поверхности такого тонкого слоя. Можно сделать и толстую мыльную плёнку, представляющую собой стопку тонких слоёв, параллельных между собой. В каждом индивидуальном слое молекулы беспрепятственно передвигаются вдоль плоскости под воздействием тепловых толчков. Но все плоскости в стопке слоёв находятся друг от друга на совершенно определённом расстоянии. Это расстояние одинаково для любых соседних плоскостей и примерно равно длине молекулы. Фактически это описание ещё одной конструкции кристаллической решётки. Она периодична только в одном направлении - вдоль z. Период решётки составляет примерно длину одной молекулы. Вдоль плоскостей этот жидкий кристалл ведёт себя как обычная жидкость, но вдоль единственной кристаллической оси он демонстрирует свойства твёрдого тела, т.е. упругость.

Жидкий кристалл, твёрдый лишь в одном направлении, называется смектиком.

Химией получено множество смектиков, молекулы которых отвечают двум обязательным требованиям: они длинные и «хвостатые». В некоторых случаях они могут обладать и постоянными диполями. Действительно, чтобы получился тонкий слой молекул, не выскакивающих из него при умеренной температуре, необходимо гораздо большее сцепление между молекулами, чем в нематике. А при одном и том же расстоянии между молекулами их сцепление тем больше, чем они длиннее. Постоянные диполи также содействуют большему сцеплению благодаря силам притяжения между разноимёнными электрическими зарядами.

Таким образом, в большинстве смектиков от мыльной плёнки остаётся только свойство слоистости и жидкого поведения отдельных слоёв. Изображают такие смектики обычно в виде стопки слоёв, внутри которых вертикальные чёрточки обозначают длинные оси молекул. Чёрточки должны быть строго перпендикулярные смектическим плоскостям и в том случае, когда слои искривляются под действием каких-либо сил. Следовательно, на каждом участке искривлённого смектика оптическая ось обязательно перпендикулярна касательной к поверхности слоя: ось как бы накрепко вмонтирована перпендикулярно смектическим плоскостям в каждом месте. Столь прочная связь оптической оси с конструкцией кристаллической решётки является серьёзным препятствием для управления пропусканием света сквозь смектик. Например, для осуществления эффекта Фредерикса в смектике требуются электрические поля, в десятки и сотни раз большие, чем в нематике, т.к. чтобы повернуть оптическую ось, теперь необходимо сильно искривить смектические слои, а это требует преодоления гораздо больших упругих сил. Поэтому электромагнитное воздействие на смектик практически не применяется, но есть другой относительно простой способ механического воздействия.

Смектик помещается между двумя стеклянными пластинами, причем оптическая ось должна быть им перпендикулярна. К пластинкам прикладываются силы, тянущие их в противоположные стороны вдоль оси z. При этом пропорционально действующим силам увеличивается и относительное удлинение между смектическими плоскостями. Это воздействие приводит к искривлению слоёв, которое без разрыва является энергетически выгодным. Если на одном участке смектика произошёл перекос тонких слоёв в какую-то сторону, то на соседнем участке должен произойти такой же по величине перекос, но в противоположную сторону. Таким образом, вдоль стеклянных пластинок возникает периодическое искривление смектических плоскостей.

На практике сжатие смектика поперёк исходной оптической оси осуществляется помощью сравнительно длительного разогрева смектика (например, лучом лазера) и последующего резкого охлаждения этого участка. При этом участок, где действовал луч, быстро остывает и сжимается вдоль смектической плоскости, что и приводит к появлению «гармошки» оптических осей. Такая гармошка действует как дифракционная решётка, которая благодаря интерференции лучей, проходящих сквозь неё в разных местах, усиливает освещённость экрана на определённых участках, но ослабляет освещённость по соседству. Оптическая картинка на экране выглядит как периодическое чередование светлых и тёмных полосок.

Виды смектиков

Смектиков много. Точнее, много разных типов смектического состояния. Выше был рассмотрен самый простой из них - смектик А. Остаётся заключить, что есть ещё смектики B, C, D, E, F, G, H и т.д. Алфавитный порядок в обозначении новых типов смектического состояния в целом отражает возрастающую сложность строения жидких кристаллов, которые проявляют твёрдость не во всех измерениях. Комбинации кристаллических решёток разного вида с разными ориентациями молекул в этих решётках весьма многочисленны. Реально обнаружен примерно десяток таких комбинаций.

При охлаждении некоторых веществ смектик А превращается в смектик В. по внешнему виду он напоминает мёд и обладает примерно такой же вязкостью. Под микроскопом этот жидкий кристалл выглядит как цветное мозаичное панно. По дифракции рентгеновских лучей в этом смектике заключают, что в смектической плоскости такого кристалла, по крайней мере на небольших участках, молекулы расположены в правильном порядке. Обычно в этой плоской мини-решётке центры масс молекул располагаются в вершинах правильных шестиугольников. При наличии хотя бы слабого взаимодействия между смектическими плоскостями, обеспечивающего притяжение молекул, в объёме смектика В должна существовать кристаллическая решётка в трёх измерениях, в то время как смектик А имеет одномерную решётку. От обычного твёрдого кристалла смектик В отличается слабым взаимодействием решёток, расположенных в соседних плоскостях, что обуславливает его большую податливость в отношении сдвигов таких плоскостей в направлениях x и y.

Смектик С, как и смектик А, обладает кристаллической решёткой в одном измерении, но в отличие от смектика А здесь в каждой смектической плоскости длинные оси молекул наклонены по отношению к кристаллической оси z на некоторый угол. Если мы будем рассматривать стопку плоскостей смектика С, то заметно, что стопка плоскостей с разных направлений выглядит по-разному: неодинаково будут выглядеть молекулы. Такой жидкий кристалл называется менее симметричным.

Таким образом, в смектике С оптическая ось L не совпадает с осью решётки z. Можно сказать, что в нём не одна оптическая ось, а несколько. Это усложняет оптические явления в таких жидких кристаллах. Такое вещество состоит уже не из длинных стержней, а из особых молекул зигзагообразной формы. Для этого подходят молекулы, в составе которых на концах жёсткого стержня находятся гибкие хвостики. Такая молекула похожа на букву S. Неизменность положения этих «зигзагов» в конкретной смектической плоскости объясняется тем, что молекулам такой формы очень трудно поворачиваться вокруг своих длинных осей. Такой поворот неизбежно приводит к тому, что хвосты молекул должны оказаться хотя бы временно в соседних тонких слоях, что невозможно, т.к. между слоями действуют мощные силы отталкивания. Это приводит к тому, что векторы постоянных диполей ориентируются в смектической плоскости совершенно одинаково у всех молекул. Таким образом противоположные торцы тонкого слоя в смектике С противоположно заряжены, если молекулы имеют постоянные диполи, встроенные перпендикулярно плоским участкам «зигзагов». Это явление одинаковой ориентации электрических диполей в отсутствие электрического поля называется сегнетоэлектрическтво.

Если жидкий кристалл обладает, помимо смектического (слоистого) порядка, кристаллической решёткой в двух измерениях в смектической плоскости, как смектик В, а также наклоном зигзагообразных молекул смектика С, то он обозначается как смектик G. Если каждый тонкий слой смектика С является жидким в смектической плоскости, то о смектике G этого сказать нельзя: его молекулы, остающиеся на своих правильных местах, похожи на жерди покосившегося частокола.

Смектик F очень похож на смектик С, но более вязок вдоль смектических плоскостей. Покосившиеся молекулы собираются здесь в более или менее плотные группы, которые тоже могут «плыть» вдоль плоскостей, но не так легко, как это делают отдельные молекулы в смектике С. можно сказать, что в смектике F есть что-то от смектического состояния G, «частокол» которого разорван на более или менее крупные части.

Смектик Е - жидкий кристалл, в котором при низкой температуре тепловое расшатывание не в силах разрушить порядок в ориентации коротких осей удлинённых и уплощённых молекул.

Наконец, самым несимметричным из всех известных смектиков является жидкий кристалл типа Н. Его строение в смектической плоскости можно изобразить как поваленный набок частокол смектика Е в направлении одной из осей (например, х). В этой конструкции трудно отыскать симметрию.

Приведённые примеры наглядно показывают, насколько многолик мир жидких кристаллов, который далеко не исчерпывается перечисленными типами жидкокристаллического состояния. Некоторые вещества в интервале температур в несколько десятков градусов даже могут находиться во всех этих состояниях, поочерёдно сменяющих друг друга.

Применение жидких кристаллов

Внешнее воздействиеОбласть примененияТип жидкого кристалла Температураиндикаторы температуры, тепловая запись лучом лазера, оптические фильтры, голография, тепловая самофокусировка света, декоративные и ювелирные изделияхолестерики холестерики, смектики А холестерики, нематики холестерики, нематики нематики холестерикиДавление и другие механические воздействияакусто-оптика, визуализация течений, датчики давления, неразрушающий контроль качества изделийнематики нематики, холестерики смектики С - сегнетоэлектрики нематикиХимические примесианализ газовых смесей, криминалистикахолестерики холестерикиЭлектромагнитное полеэлектрооптические экраны, материалы для нелинейной оптики, электрофотография, фотохимическая запись, модуляторы и управляемые оптические фильтрынематики, холестерики, смектики смектики С - сегнетоэлектрики холестерики холестерики нематикиКорпускулярное излучениедозиметры излученияхолестерики, смектики

Обобщение

Подводя итог проделанной работе, можно сделать общие выводы.

Жидкий кристалл - жидкость с оптической осью, образованная молекулами продолговатой формы. Оптическая ось - направление, с которым связаны особенности прохождения света сквозь среду. В жидких кристаллах наблюдается эффект Фредерикса - изменение направления оптической оси под действием электрического поля. Кристаллы обладают двойным лучепреломлением, эффектом динамического рассеяния и особой упругостью. В них присутствует определённая ориентация молекул, похожая на неполную кристаллическую решётку.

Жидкие кристаллы делятся на нематики, холестерики и смектики. Название «нематик» возникло от греческого слова «нить». В нематике происходит искривление оптической оси, что и приводит к образованию нитей и их сплетений. Под действием электрического поля в нематике наблюдается явление конвекции и взбалтывания его слоёв.

Холестерик выглядит как стопка нематических слоёв, и оптические оси в этих слоях при совмещении в одну плоскость составляют некоторый малый угол. Холестерики образованы спиральными молекулами, которые могут раскручиваться под действием сильного ультрафиолетового облучения. Они очень чувствительны к изменению температуры, т.к. меняется шаг спирали, а вслед за ним и цвет кристалла. В толстом слое холестерика наблюдается вращение линейной поляризации света и избирательное отражение света, что зависит от шага спирали и длины световой волны.

Смектики по своему строению более других напоминают настоящие твёрдые кристаллы, т.к. обладают частичной кристаллической решёткой, представляют собой мыльные плёнки. Смектики делятся на подгруппы, различающиеся взаимным расположением молекул в «решётке».

Практическое применение сведено в общую таблицу.

Список использованной литературы

1. Болсун А.И., Габец П.С.. Физика: Справочник школьника. - Минск: «Беларуская энцыклапедыя», 1998. - 192 с.
2. Блинов Л.М., Пикин С.А.. Жидкие кристаллы. - Москва: «Наука», 1982. - 208 с.
3. Брюханов А.В., Пустовалов В.И.. Физический энциклопедический словарь. - Москва: «Просвещение», 1987. - 396 с.