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

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 иQ 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.

Таким образом, получен световой затвор, перекрывающий или пропускающий данный луч. Соответствующий электрооптический эффект принято называть эффектом «гость — хозяин».

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.