Жидкий кристалл

Профессии жидких кристаллов

Всё чаще мы стали встречаться с термином «жидкие кристаллы». Мы все часто с ними общаемся и они играют немаловажную роль в нашей жизни. Многие современные приборы и устройства работают на них. К таким относятся часы термометры дисплеи мониторы и прочие устройства. Что же это за вещества с та­ким парадоксальным названием «жидкие кристаллы» и почему к ним проявляется столь значительный интерес? В наше время наука стала производительной силой и поэтому как правило повышенный научный интерес к тому или иному явлению или объекту означает что это явление или объект представляет интерес для материаль­ного производств а. В этом отношении не являются ис­ключением и жидкие кристаллы. Интерес к ним прежде всего обусловлен возможностями их эффективного при­менения в ряде отраслей производственной деятельно­сти. Внедрение жидких кристаллов означает экономиче­скую эффективность простоту удобство.

Жидкий кристалл – это специфическое агрегатное со­стояние вещества в котором оно проявляет одновре­менно свойства кристалла и жидкости. Сразу надо огово­риться что далеко не все вещества могут находиться в жидкокристаллическом состоянии. Большинство веществ может находиться только в трех всем хорошо известных агрегатных состояниях: твердом или кристаллическом жидком и газообразном. Оказывается некоторые органические вещества обладающие сложными молеку­лами кроме трех названных состояний могут образовы­вать четвертое агрегатное состояние — жидкокристалли­ческое. Это состояние осуществляется при плавлении кристаллов некоторых веществ. При их плавлении обра­ зуется жидкокристаллическая фаза отличающаяся от обычных жидкостей. Эта фаза существует в интервале от температуры плавления кристалла до некоторой более высокой температуры при нагреве до которой жидкий кристалл переходит в обычную жидкость. Чем же жидкий кристалл отличается от жидкости и обычного кристалла и чем похож на них? Подобно обыч ной жидкости жидкий кристалл обладает текучестью и принимает форму сосуда в который он помещен. Этим он отличается от известных всем кристаллов. Однако несмотря на это свойство объединяющее его с жид­костью он обладает свойством характерным для кри­сталлов. Это — упорядочение в пространстве молекул образующих кристалл. Правда это упорядочение не та­кое полное как в обычных кристаллах но тем не менее оно существенно влияет на свойства жидких кристаллов чем и отличает их от обычных жидкостей. Неполное про­странственное упорядочение молекул образующих жид­кий кристалл проявляется в том что в жидких кристал­лах нет полного порядка в пространственном располо­жении центров тяжести молекул хотя частичный порядок может быть. Это означает что у них нет жесткой кри­сталлической решетки. Поэтому жидкие кристаллы по­добно обычным жидкостям обладают свойством текуче­сти.

Обязательным свойством жидких кристаллов сбли­жающим их с обычными кристаллами является наличие порядка» пространственной ориентации молекул. Такой порядок в ориентации может проявляться например в том что все длинные оси молекул в жидкокристалличе­ском образце ориентированы одинаково. Эти молекулы должны обладать вытянутой формой. Кроме простейше­го названного упорядочения осей молекул в жидком кристалле может осуществляться более сложный ориентационный порядок молекул.

В зависимости от вида упорядочения осей молекул жидкие кристаллы разделяются на три разновидности: нематические смектические и холестерические.

Исследования по физике жидких кристаллов и их при­менениям в настоящее время ведутся широким фрон­том во всех наиболее развитых странах мира. Отечествен­ные исследования сосредоточены как в академических так и отраслевых научно-исследовательских учреждени­ ях и имеют давние традиции. Широкую известность и признан ие получили выполненные еще в тридцатые годы в Ленинграде работы В. К. Фредерикса к В. Н. Цветкова. В последние годы бурного изучения жидких кристаллов отечественные исследователи также вносят весомый вклад в развитие учения о жидк их крист аллах в целом и в частности об оптике жидких кристаллов. Так работы И. Г. Чистякова А. П. Капустина С. А. Бразовского С. А. Пикина Л. М. Блинова и многих других советских иссле­дователей широко известны научной общественности и служат фундаментом ряда эффективных технических приложений жидких кристаллов.

Существование жидких кристаллов было установлено очень давно а именно в 1888 году то есть почти столетие назад. Хотя учёные и до 1888 года сталкивались с данным состоянием вещества но официально его открыли позже.

Первым кто обнаружил жидкие кристаллы был авст­рийский ученый-ботаник Рейнитцер. Исследуя новое син­тез ированное им вещество холестерилбензоат он обн а­ружил что при температуре 145° С кристаллы этого ве­щества плавятся образуя мутную сильно рассеивающую свет жидкость. При продолжении нагрева по достижении температуры 179°С жидкость просветляется т. е. начина­ет вести себя в оптическом отношен ии как обычная жидкость например вода. Неожиданные свойства холестерилбензоат обнаруживал в мутной фазе Рассматри­вая эту фазу под поляризационным микроскопом Рей­нитцер обнаружил что она обладает двупреломлением. Это означает что показатель преломления света т. е скорость света е этой фазе зависит о т поляризации.

Явление двупреломления —это типично кристалличе­ский эффект состоящий в том что скорость света в кри­сталле зависит от ориентации плоскости поляризации света. Существенно что она достигает экстремального максимального и минимального значений для двух вза­имно ортогональных ориентаций плоскости поляризации. Разумеется ориентации поляризации соответствующие экстремальным значениям скорости свете в кристалле определяются анизотропией свойств кристалла и одно­значно задаются ориентацией кристаллических осей отно­сительно направления распространения света.

Поэтому сказанное поясняет что существование дву­преломления в жидкости которая должна быть изотроп­ной т. е. что ее свойства должны быть независящими от направления представлялось парадоксальным. Наиболее правдоподобным в то время могло казаться наличие в мутной фазе нерасплавившихся малых частичек кристалла кристаллитов которые и являлись источником двупреломления. Однако более детальные исследования к которым Рейнитцер привлек известного немецкого фи­зика Леймана показали что мутная фаза не является двух­фазной системой т. е. не содержит в обычной жидкости кристаллических включений а является новым фазовым состоянием вещества. Этому фазовому состоянию Лейман дал название «жидкий кристалл» в связи с одновре­менно проявляемыми им свойствами жидкости и кристал­ла. Употребляется также и другой термин для названия жидких кристаллов. Это — «мезофаза» что буквально означает «промежуточная фаза».

В то время существование жидких кристаллов пред­ставлялось каким-то курьезом и никто не мог предполо­жить что их ожидает почти через сто лет большое буду­щее в технических приложениях. Поэтому после некото­рого интереса к жидким кристаллам сразу после их от­крытия о них через некоторое время практически за­были.

Тем не менее уже в первые годы были выяснены мно­гие другие удивительные свойства жидких кристаллов. Так некоторые виды жидких кристаллов обладали не­обычно высокой оптической активностью.

Оптической активностью называют способность неко­торых веществ вращать плоскость поляризации проходя­щего через них света. Это означает что линейно поля­ризованный свет распространяясь в таких средах изме­няет ориентацию плоскости поляризации. Причем угол поворота плоскости поляризации прямо пропорционален пути пройденному светом

Так в твердых телах как впрочем и в обычных жид­костях удельная вращательная способность Ра имеет вполне определенный независящий от длины волны све­та знак. Это означает что вращение плоскости поляри­зации света в них происходит в определенном направле­нии. Против часовой стрелки при положительном фа и по часовой стрелке при отрицательном Ра. При этом подра­зумевается что наблюдение за вращением плоскости по­ляризации осуществляется вдоль направления распрост­ранения света. Поэтому все оптически активные веще­ства подразделяются на правовращающие(если враще­ние происходит по часовой стрелке) и левовращающие(если вращение происходит против часовой стрелки).

В случае оптически активных жидких кристаллов та­кая классификация сталкивалась с трудностями. Дело в том что направление (знак) вращения в жидких кристал­лах зависело от длины волн света. Для коротких длин волн величина Ра например могла быть положи­тельной а для более длинноволнового света—отрица­тельной. А могло быть и наоборот. Однако характерным для всех случаев было изменение знака вращения плос­кости поляризации в зависимости от длины волны света или как говорят инверсия знака оптической активности. Такое поведение вращения плоскости поляризации со­вершенно не укладывалось в рамки существовавших представлений об оптической активности.

Удивительными были также и другие свойства такие как сильная температурная зависимость названных ха­рактеристик их очень высокая чувствительность к внеш­ним магнитным и электрическим полям и так далее. Но прежде чем пытаться объяснить перечисленные свойства необ­ходимо понять как устроены жидкие кристаллы и в частности ознакомиться с их структурными свойствами ибо в конечном итоге для объяснения описанных свойств наиболее существенными оказываются именно структур­ные характеристики жидких кристаллов.

Здесь следует сказать что в конце девятнадцатого — начале двадцатого века многие очень авторитетные учёные весьма скептически относились к открытию Рейнит-цера и Лемана. (Имя Лемана также можно по праву свя­зывать с открытием жидких кристаллов поскольку он очень активно участвовал в первых исследованиях жидких кристаллов и даже самим термином «жидкие кри­сталлы» мы обязаны именно ему.) Дело в том что не только описанные противоречивые свойства жидких кри­сталлов представлялись многим авторитетам весьма со­мнительными но и в том что свойства различных жидко­кристаллических веществ (соединений обладавших жид­кокристаллической фазой) оказывались существенно раз­личными. Так одни жидкие кристаллы обладали очень большой вязкостью у других вязкость была невелика. Одни жидкие кристаллы проявляли с изменением тем­пературы резкое изменение окраски так что их цвет пробегал все тона радуги другие жидкие кристаллы та­кого резкого изменения окраски не проявляли. Наконец внешний вид образцов или как принято говорить тек­стура различных жидких кристаллов при рассматрива­нии их под микроскопом оказывался совсем различным. В одном случае в поле поляризационного микроскопа могли быть видны образования похожие на нити в дру­гом — наблюдались изображения похожие на горный рельеф а в третьем — картина напоминала отпечатки пальцев. Стоял также вопрос почему жидкокристаллическая фаза наблюдается при плавлении только некоторых веществ?

Время шло факты о жидких кристаллах постепенно накапливались но не было общего принципа который позволил бы установить какую-то систему в представле­ниях о жидких кристаллах. Как говорят настало время для классификации предмета исследований. Заслуга в создании основ современной классификации жидких кри­сталлов принадлежит французскому ученому Ж. Фриделю. В двадцатые годы Фридель предложил разделить все жидкие кристаллы на две большие группы. Одну группу жидких кристаллов Фридель назвал нематическими дру­гую смектическими. (Почему такие на первый взгляд не­понятные названия дал Фридель разновидностям жидких кристаллов будет понятно несколько ниже.) Он же пред­ложил общий термин для жидких кристаллов — «мезо морфная фаза». Этот термин происходит от греческого слова «мезос» (промежуточный) а вводя его Фридель хотел подчеркнуть что жидкие кристаллы занимают про­межуточное положение между истинными кристаллами и жидкостями как по температуре так и по своим физи­ческим свойствам. Нематические жидкие кристаллы в классификации Фриделя включали уже упоминавшиеся выше холестерические жидкие кристаллы как подкласс. Когда классификация жидких кристаллов была созда­на более остро встал вопрос: почему в природе реализу­ется жидкокристаллическое состояние? Полным ответом на подобный вопрос принято считать создание микроско­пической теории. Но в то время на такую теорию не при­ходилось и надеяться (кстати последовательной микро­скопической теории ЖК не существует и по сей день) поэтому большим шагом вперед было создание чешским ученым X. Цохером и голландцем С. Озерном феноме­нологической теории жидких кристаллов или как ее при­нято называть теории упругости ЖК. В 30-х годах в СССР В. К. Фредерике и В. Н. Цветков первыми изучили не­обычные электрические свойства жидких кристаллов. Можно условно считать что рассказанное выше отно­силось к предыстории жидких кристаллов ко времени когда исследования ЖК велись малочисленными коллек­тивами. Современный этап изучения жидких кристаллов который начался в 60-е годы и придал науке о ЖК сегод­няшние формы методы исследований широкий размах работ сформировался под непосредственным влиянием успехов в технических прилож ениях жидких кристаллов особенно в системах отображения информации. В это время было понято и практически доказано что в наш век микроэлектроники характеризующийся внедрением микроминиатюрных электронных устройств потребляю­щих ничтожные мощности энергии для устройств инди­кации информации т. е. связи прибора с человеком наи­более подходящими оказываются индикаторы на ЖК. Дело в том что такие устройства отображения инфор­мации на ЖК естественным образом вписываются в энер­гетику и габариты микроэлектронных схем. Они потреб­ляют ничтожн ые мощности и могут быть выполнены в виде миниатюрных индикаторов или плоских экранов. Все это предопределяет массовое внедрение жидкокристал­лических индикаторов в систе мы отобра жения информа­ции свидетел ями которого мы являемся » настоящее время. Чтобы осознать этот процесс достаточно вспом­нить о часах или микрокалькуляторах с жидкокристалли­ческими индикаторами. Но это только начало. На смену традиционным и привычным устройствам идут жидко­кристаллические системы отображения информации.jkbkчасто бывает технические потребности не только стимулируют разработку проблем связанных с практи­ческими приложениями но и часто заставляют переос­мыслить общее отношение к соответствующему разделу науки. Так произошло и с жидкими кристаллами. Сейчас понятно что это важнейший раздел физики конденсиро­ванного состояния.

Другим важным обстоятельством является то что проводимость в жидких кристаллах носит ионный харак­тер. Это означает что ответственными за перенос элек­трического тока в ЖК являются не электроны как в ме­таллах а гораздо более массивные частицы. Это поло­жительно и отрицательно заряженные фрагменты моле­кул (или сами молекулы) отдавшие или захватившие из­быточный электрон. По этой причине электропроводность жидких кристаллов сильно зависит от количества и хими­ческой природы содержащихся в них примесей. В част­ности электропроводность нематика можно целена­правленно изменять добавляя в него контролируемо» количество ионных добавок в качестве которых могут выступать некоторые соли.

Из сказанного понятно что ток в жидком кристалле представляет собой направленное движение ионов в системе ориентированных палочек-молекул. Если ионы представить себе в виде шариков то свойство нематика обладать проводимостью вдоль директора в р. больше чему представляется совершенно естественным и по­нятным. Действительно при движении шариков вдоль директора они испытывают меньше помех от молекул-палочек чем при движении поперек молекул-палочек. В результате чего и следует ожидать что продольная проводимость о II будет превосходить поперечную про­водимость.

Более того обсуждаемая модель шариков-ионов в системе ориентированных палочек-молекул с необходи­мостью приводит к следующему важному заключению. Двигаясь под действием электрического тока поперек направления директора (мы считаем что поле приложе­но поперек директора) ионы сталкиваясь с молекула­ми-палочками будут стремиться развернуть их вдоль направления движения ионов т. е. вдоль направления электрического тока. Мы приходим к заключению что электрический ток в жидком кристалле должен приво­дить к переориентации директора.

Эксперимент подтверждает выводы рассмотренной выше простой механической модели прохождения тока в жидком кристалле. Однако во многих случаях ситуа­ция оказывается не такой простой как может показать­ся на первый взгляд.

Часто постоянное напряжение приложенное к слою нематика вызывает в результате возникшего тока не однородное изменение ориентации молекул а периоди­ческое в пространстве возмущение ориентации директо­ра. Дело здесь в том что говоря об ориентирующем молекулы нематика воздействии ионов носителей тока мы пока что пренебрегали тем что ионы будут вовле­кать в свое движение также и молекулы нематика. В ре­зультате такого вовлечения прохождение тока в жид­ком кристалле может сопровождаться гидродинамичес­кими потоками вследствие чего может установиться пе­риодическое в пространстве распределение скоростей течения жидкого кристалла. Вследствие обсуждав­шейся в предыдущем разделе связи потоков жидкого кристалла с ориентацией директора в слое нематика воз­никнет периодическое возмущение распределения директора. Подробней на этом интересном и важном в при­ложении жидких кристаллов явлении мы остановимся ниже рассказывая об электрооптике нематиков.

Флексоэлектрический эффект. Говоря о форме мо­лекул жидкого кристалла мы пока аппроксимировали ее жесткой палочкой. А всегда ли такая аппроксимация хороша? Рассматривая модели структур молекул можно прийти к заключению что не для всех соединений приб­лижение молекула-палочка наиболее адекватно их фор­ме. Далее мы увидим что с формой молекул связан ряд интересных наблюдаемых на опыте свойств жид­ких кристаллов. Сейчас мы остановимся на одном из таких свойств жидких кристаллов связанном с отклоне­нием ее формы от простейшей молекулы-палочки про­являющемся в существовании флексоэлектрического эффекта.

Интересно что открытие флексоэлектрического эф­фекта как иногда говорят о теоретических предсказа­ниях было сделано на кончике пера американским физи­ком Р. Мейером в 1969 году.

Рассматривая модели жидких кристаллов образо­ванных не молекулами-палочками а молекулами более сложной формы он задал себе вопрос: «Как форма молекулы может обнаружить себя в макроскопических свойствах?» Для конкретности Р. Мейер предположил что молекулы имеют грушеобразную или банановидную форму. Далее он предположил что отклонение формы молекулы от простейшей рассматривавшейся ранее сопровождается возникновением у нее электрического дипольного момента.

Возникновение дипольного момента у молекулы не­симметричной формы — типичное явление и связано оно с тем что расположение «центра тяжести» отрица­тельного электрического заряда электронов в молекуле может быть несколько смещено относительно «центра тяжести» положительных зарядов атомных ядер моле­кулы. Это относительное смещение отрицательных и по­ложительных зарядов относительно друг друга и приво­дит к возникновению электрического дипольного момен­та молекулы. При этом в целом молекула остается нейт­ральной так как величина отрицательного заряда элек­тронов в точности равна положительному заряду ядер.

Страницы: 1 2 3