Жидкие кристаллы Бочагова

Жидкие кристаллы

Большинство веществ может находиться только в трех агрегатных состо¬яниях: твердом, жидком или газообразном. Однако некоторые органические вещества, обладающие сложными молекулами, могут образовывать четвер¬тое, жидкокристаллическое. Как следует из самого названия, речь идет о специфическом агрегатном состоянии вещества, в котором оно проявляет одновременно свойства кристалла и жидкости. Оказывается, что при плав¬лении кристаллов этих веществ образуется жидкокристаллическая фаза, отличающаяся от обычных жидкостей. Эта фаза существует в интервале от температуры плавления до некоторой более высокой температуры, при нагреве до которой жидкий кристалл переходит в обычную жидкость.

Первым, кто обнаружил жидкие кристаллы, то есть понял, что это самосто¬ятельное агрегатное состояние вещества, был австрийский ученый, ботаник Рейнитцер ^[1]. Исследуя новое синтезированное им вещество холестерилбензоат, он в 1888 году обнаружил, что при нагреве до температуры 145°С кристал¬лы этого вещества плавятся, образуя мутную, сильно рассеивающую свет жидкость. Затем по достижении температуры 179°С жидкость становится прозрачной, т. е. начинает себя вести в оптическом отношении как обычная жидкость, например вода. Неожиданные свойства холестерилбензоат обна¬руживал в мутной фазе. Рассматривая его под поляризационным микро¬скопом, Рейнитцер обнаружил, что в этой фазе он обладает двулучепреломлением. Это означает, что показатель преломления этой фазы зависит от поляризации света. Но явление двупреломления - это типично кристалли¬ческий эффект, и в изотропной жидкости он не должен наблюдаться.

Более детальные исследования, к которым Рейнитцер привлек известного физика Лемана, показали, что наблюдаемый эффект не может быть обусло¬влен двухфазностью этого состояния, т. е. мутная фаза полностью однород¬на, она не является жидкостью, в которой содержатся кристаллиты. Это фазовое состояние и было названо Ломаном жидкокристаллическим.

Подобно обычным жидкостям, жидкие кристаллы текучи и принимают форму сосуда, в котором помещены. А с другой стороны, образующие их молекулы упорядочены в пространстве. Правда, это упорядочение не такое полное, как в обычных кристаллах. Пространственная ориентация молекул жидких кристаллов состоит в том, например, что все длинные оси молекул одинаково ориентированы. Для характеристики ориентационного порядка вводится вектор единичной длины L, называемый директором, направле¬ние которого совпадает с направлением усредненной ориентации длинных осей молекул. Кроме того, вводится еще одна величина, параметр порядка 5, который характеризует степень ориентационного упорядочения молекул.

В жидких кристал¬лах выделяют три разновидности: нематические, смектические и холестерические. Нематики. Чтобы схематично описать устройство нематиков, удобно молекулы, образующие его, представить в виде палочек. Для такой идеа¬лизации есть физические основания. Молекулы жидких кристаллов пред¬ставляют собой типичные для многих органических веществ образования со сравнительно большим молекулярным весом, порядка сотни, сильно вытя¬нутые в одном направлении. Структура типичного нематика приведена на рис.10. При наблюдении нематика через микроскоп видна причудливая совокупность пересекающихся линий, или, как их называют, нитей, предста¬вляющих собой границы раздела между однодоменными областями.

Ам¬плитуда ориентационных колебаний молекул зависит от близости жидкого кристалла к точке фазового перехода в обычную жидкость, возрастая по ме¬ре приближения температуры нематика к температуре фазового перехода. В точке фазового перехода ориентационное упорядочение молекул исчезает, и ориентация молекул становится полностью хаотической.

Смектики. В смектических жидких кристаллах степень упорядочения молекул выше, чем в нематиках. Схематически структура смектика выгля¬дит так, как это показано на рис. 10(б). В смектиках, помимо ориентационной упорядоченности молекул, аналогичной случаю нематиков, существует ча¬стичное упорядочение центров тяжести молекул-молекулы смектика ор¬ганизованы в слои, расстояния между которыми фиксированы, что и дает упорядочение слоев. Ориентация молекул в слое может быть как перпенди¬кулярна плоскости слоя, так, и направлена под некоторым углом к нему.

Общим для всех смектиков, независимо от описанных выше деталей их структуры, является слабое взаимодействие молекул, принадлежащих к различным слоям, по сравнению с взаимодействием молекул внутри одно¬го слоя. По этой причине слои легко скользят друг относительно друга и смектики на ощупь мылоподобны. Аналогично нематикам, смектики обладают двулучепреломлением света. Если не созданы специ¬альные условия, образец смектического жидкого кристалла, так же как и нематик, представляет собой совокупность малых областей (доменов) с оди¬наковым упорядочением молекул только в их пределах.

Холестерики. Холестерики устроены более сложно, чем нематики и смектики. Локально холестерический жидкий кристалл имеет такую же структуру, что и нематик. Это означает, что в малом объеме упорядочение молекул холестерика можно характеризовать директором и параметром по¬рядка. Отличия холестерика от нематика проявляются в больших по срав¬нению с молекулярными размерами масштабах. Оказывается, что направле¬ние директора в холестерике, но остается неизменным по его объему даже для однодоменного образца. Существует такое направление, называемое холестерической осью (на рис. 10(в) это ось г), вдоль которого регулярным образом изменяется ориентация директора.

Следует отметить, что мы рассмотрели лишь жидкие кристаллы, моле¬кулы которых имеют удлиненную форму. Реально для жидких кристаллов существенным моментом является лишь анизотропия молекул, и поэтому жидкокристаллическую фазу могут образовывать и молекулы сплюснутой формы (доскообразные). Существует и другой класс жидких кристаллов - лиотропные, к которым относятся, в частности, клеточные мембраны, игра¬ющие большую роль в биологии. Мы ограничимся только подробно разо¬бранными выше термотропными жидкими кристаллами, в которых фазо¬вый переход в жидкокристаллическое состояние происходит при изменении температуры вещества.

Из всего многообразия физических свойств жидких кристаллов мы оста¬новимся лишь на их оптических свойствах, которые определяют необычайно широкое использование жидких кристаллов для отображения информации. Прежде всего, рассмотрим вопрос о том, как получить жидкий монокри¬сталл, например, нематик. Стабилизировать структуру жидкого кристалла можно, например, с помощью поверхностных сил, задающих определенную ориентацию молекул на поверхностях, ограничивающих нематик, который, в свою очередь, индуцирует за счет межмолекулярных взаимодействии со¬ответствующую ориентацию молекул в объеме.

Можно создавать ориентацию молекул и внешними полями, как прави¬ло, электрическими, ориентирующими молекулы однородным образом во всем объеме. Решающую роль в электрооптическом поведении жидких кри¬сталлов играет анизотропия их диэлектрических свойств. Во внешнем по¬ле жидкий кристалл стремится ориентироваться так, чтобы направление, в котором его диэлектрическая проницаемость £ максимальна, совпадало с направлением поля; при этом L || Е. С переориентацией директо¬ра связано изменение направления оптической оси, т. е. практически всех оптических свойств образца-поглощения света, вращения плоскости по¬ляризации, двойного лучепреломления и т. д.

Изменение ориентации L в нематическом жидком кристалле требует на¬пряжения порядка одного вольта и мощностей порядка микроватт, что мож¬но обеспечить непосредственной подачей сигналов с интегральных схем без дополнительного усиления. Поэтому жидкие кристаллы широко использу¬ются в малогабаритных электронных часах, калькуляторах, индикаторах, в плоских экранах портативных телевизоров и компьютеров. Для отображе¬ния цифровой информации в жидкокристаллических ячейках либо электро¬ды выполняются в виде нужных цифр, либо нужная цифра воспроизводится путем «включения» определенной комбинации ячеек, выполненных в виде полосок.

Если в нематике внешнее поле приводит к сравнительно простой пере¬ориентации молекул, то у холестерина наложение поля, перпендикулярного холестерической оси, приводит к увеличению шага спирали, угол поворота директора перестает быть линейной функцией координаты, а при достиже¬нии некоторого критического значения поля холестерическая спираль пол¬ностью раскручивается. Зависимость шага спирали холестерических кри¬сталлов от температуры позволяет использовать пленки этих веществ для наблюдения распределения температуры на поверхности различных тел, при медицинской диагностике, визуализации теплового излучения.

Наибольшее практическое значение имеет так называемый твист-эффект, представляющий собой переход Фредерикса, но в предваритель¬но закрученной структуре. Жидкокристаллическая нематическая твист-ячейка была изобретена Шнадтом и Гельфричем в 1970 г. Схема такой ячейки приведена на рис. 11: LC — жидкий кристалл, PI, PI — полярои¬ды, EI, EI — прозрачные электроды, / — экран, G — стекло. Твист-структура ^[2]. располагается между двумя скрещенными поляроидами. Без поля (а) молекулы образуют твист-структуру, которая вращает поляризацию света так, что свет проходит через анализатор. В электрическом поле (б) моле¬кулы выстраиваются параллельно полю, поляризация не вращается и свет блокируется анализатором. В отсутствие поля свет, предварительно поля¬ризованный с помощью, например, пленочного поляроида, проходит сквозь твист-структуру. Но если к прозрачным электродам, нанесенным на стекла, приложить электрическое поле, то в случае е > 0 ди¬ректор переориентируется перпендикулярно стеклам, и ячейка теряет спо¬собность поворачивать плоскость поляризации света. Тем самым ячейка пе¬рестает пропускать свет. Этот эффект изменения оптического пропускания под действием электрического поля применяют в черно-белых индикаторах информации.

Хорошие оптические свойства твист-ячейки делает ее даже сегодня наи¬лучшей среди дисплеев. Недостаток первых дисплеев - ограниченное число символов, но сейчас уже изготовляются дисплеи, которые имеют более по¬лумиллиона изображающих точек. Решена и проблема электроники, упра¬вляющей таким громадным числом отображающих точек.

Используемые источники

1. ↑ Трофимова Т.И., Курс общей физики. - М.: Высшая школа, 1997.
2. ↑ Савина О. М., Энциклопедия. - М.: АСТ, 1994.