Жидкие кристаллы

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.

По картинам ориентации оптических осей в холестерике судят о величине шага холестерической спирали, который не изменяется эффектом Фредерикса. Но спираль можно не только поворачивать, но и раскручивать электрическим полем, делая её шаг сколь угодно большим. Подав пороговое поле Е перпендикулярно оси винта, мы заставим молекулы, поляризующиеся вдоль длинных осей, повернутся так, чтобы они все без исключения стали параллельными полю (холестерик превращается в нематик). При меньших значениях поля холестерик остаётся холестериком, но его шаг чутко следит за полем и быстро возрастает с увеличением приложенной разности потенциалов. При этом он непрерывно меняет и избранные длины волн, которые отражаются холестериком.

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

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

Болсун А.И., Габец П.С.. Физика: Справочник школьника. - Минск: «Беларуская энцыклапедыя», 1998. - 192 с.

Блинов Л.М., Пикин С.А.. Жидкие кристаллы. - Москва: «Наука», 1982. - 208 с.

Брюханов А.В., Пустовалов В.И.. Физический энциклопедический словарь. - Москва: «Просвещение», 1987. - 396 с.

Размещено на Allbest.ru