Жидкие кристаллы

Жидкие кристаллы

ВВЕДЕНИЕ.

Сенсация года. Некоторое время тому назад необычной популярностью в США

пользовалась новинка ювелирного производства, получившая название «перстень

настроения». За год было продано 50 миллионов таких перстней, т. е.

практически каждая взрослая женщина имела это ювелирное изделие. Что же

привлекло внимание любители бижутерии к этому перстню? Оказывается, он

обладал совершенно мистическим свойством реагировать на настроение его

владельца. Реакция состояла в том, что цвет камешка перстня следовал за

настроением владельца, пробегая все цвета радуги от красного до

фиолетового. Вот это сочетание таинственного свойства угадывать настроение,

декоративность перстня, обеспечиваемая яркой и меняющейся окраской камешка,

плюс низкая цена и обеспечили успех перстню настроения.

Пожалуй, именно тогда впервые широкие массы столкнулись с загадочным

термином «жидкие кристаллы». Дело в том, что каждому владельцу перстня

хотелось знать его секрет слежения за настроением. Однако ничего толком не

было известно, говорилось, только, что камешек перстня сделан на жидком

кристалле. Для читателя, который знаком с жидкими кристаллами, нужно

сделать уточнение — на холестерическом жидком кристалле, а секрет перстня

настроения связан с его удивительными оптическими свойствами. Тем, который

только слышал о жидких кристаллах, а может быть, и не слышал о них вообще,

чтобы раскрыть секрет перстня настроения, необходимо сначала познакомиться

с тем, что такое жидкие кристаллы, и тогда он узнает не только о том, как

жидкие кристаллы позволяют следить за настроением человека, но и о многих

других удивительных их свойствах и практических применениях.

Зачем нужны ЖК. Все чаще на страницах научных, а последнее время и

научно-популярных журналов появляется термин «жидкие кристаллы» (в

аббревиатуре ЖК) и статьи, посвященные жидким кристаллам. В повсе. дневной

жизни мы сталкиваемся с часами, термометрами на жидких кристаллах. 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 производства. 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.

Прежде чем рассказывать о конкретных областях применения жидких

кристаллов, необходимо сказать несколько общих слов о том, что же это все-

таки такое — жидкие кристаллы. Тем более, что этому пока что не учат ни в

школе, ни в вузе, а ожидается, что в ближайшее время изделия, содержащие

жидкокристаллические элементы, будут так же широко распространены, как

устройства, содержащие электронные лампы или транзисторы.

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 образуется

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

крис1аллами, является наличие порядка» пространственной ориентации молекул.

Такой порядок в ориентации может проявляться, например, в том, ^4то 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 ори-ентационный 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 б академических, так и

отраслевых научно-исследовательских учреждениях и имеют довние традиции.

Широкую известность и признание 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 жидких кристаллах 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 эффекгивных гехнических приложений жидких кристаллов [1—4].

Об успехах отечественной промышленности в освоении выпуска продукции, в

которой существенным элементом являются жидкие кристаллы, говорит

присуждение в 1983 году Государственной премии СССР большой группе

работников науки и техники за разработку и внедрение в народное хозяйство

индикаторных устройств. Основными элементами этих индикаторных устройств,

совершенные технические характеристики которых послужили основанием для

присуждения премии, являются жидкокристаллические вещества. Присуждение

этой премии символизирует плодотворный союз науки и производства в деле

технических приложений жидких кристаллов. Тут же следует сказать, что среди

лауреатов, представителей науки, — В. Н. Цветков, ветеран научных

исследований жидких кристаллов.

Немного истории. Пока мы просто декларировали необычные свойства жидких

кристаллов. Как же они были обнаружены? Ведь, не обладая современной

огромной информацией о строении материи, очень трудно поверить, что такие,

казалось бы, взаимно исключающие друг друга свойства могут проявляться у

одного вещества. Поэтому, вероятно, исследователи уже очень давно

сталкивались с жидкокристаллическим состоянием, но не отдавали себе в этом

отчета. Тем не менее существование жидких кристаллов было установлено очень

давно, почти столетие тому назад, а именно в 1888 году.

Первым, кто обнаружил жидкие кристаллы, был австрийский ученый-ботаник

Рейнитцер. Исследуя новое синтезированное им вещество холестерилбензоат, он

обнаружил, 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 отношении, как обычная жидкость, например вода.

Неожиданные свойства холе-стерилбензоат 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 от поляризации.

Напомним, что линейно поляризованным светом, или как часто говорят,

поляризованным светом, называют свет (электромагнитную волну),

электрическое поле которой в процессе распространения остается лежащим в

некоторой неизменной в пространстве плоскости. Эту плоскость принято

называть плоскостью поляризации света. А указания ориентации в пространстве

этой плоскости достаточно для описания линейной поляризации света.

Поскольку в плоскости поляризации лежит и направление распространения

волны, то для задания линейной поляризации достаточно одного параметра, а

именно угла (р, определяющего ориентацию этой плоскости в пространстве (ее

вращения вокруг направления распространения волны, см. рис. 1).

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 кри* сталла, кристаллитов, которые и

являлись источником двупреломления. Однако более детальные исследования, к

которым Рейнитцер привлек известного немецкого физика Лемана, 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 Ле-ман 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 пропорциока-лен пути L, пройденному светом, т. е.

выражается формулой (р==(ра^, где величина q)a определяет угол поворота на

единичном пути и называется удельной вращательной способностью.

Было удивительным не только то, что величина вращательной способности q)a

для жидких кристаллов могла в сотни и тысячи раз превосходить эту величину

для наиболее оптически активных кристаллов, гаких, как, например, кварц, но

и то, что зависимость вращения плоскости поляризации от длины волны света в

жидких кристаллах была совершенно необычной.

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—-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 (рис. 2). 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 т д. 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 уие-ные весьма скептически относились к открытию

Рейнит-цера и Лемана. (Имя Ломана также можно по праву связывать с

открытием жидких кристаллов, поскольку он очень активно участвовал в первых

исследованиях жид ких 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 (см. рисунки на обложке). Стоял также

вопрос, почему жидкокристаллическая фаза наблюдается при плавлении только

некоторых веществ?

Вот в таких условиях скептицизма со стороны многих авторитетов и изобилия

противоречивых фактов вели свои работы первые, тогда немногочисленные,

исследователи жидких кристаллов, настоящие энтузиасты своего дела. К их

числу следует отнести немецкого химика Д. Форлендера, который в начале

двадцатого века в уни верситетском городе Галле совместно со своими

учениками изучал химию жидких кристаллов. Он пытался ответить на вопрос,

какими свойствами должны обладать молекулы вещества, чтобы оно имело

жидкокристаллическую фазу. Форлендер нашел большое количество новых

соединений, обладающих жидкокристаллической фазой, и внимательно исследовал

свойства молекул соответствующих соединений, в частности структурные. В

результате его работ стало ясно, что жидкие кристаллы образуют вещества,

молекулы которых имеют удлиненную форму (рис. 3).

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. Озееном 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 приложениях 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

ничтожньсг мощности и могут быть выполнены в виде миниатюрных индикаторов

или плоских экранов. Все это предопределяет массовое внедрение

жидкокристаллических индикаторов в системы отображения информации,

свидетелями 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.jkbk часто 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.

ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ — НОВОЕ СОСТОЯНИЕ ВЕЩЕСТВА.

Многообразие жидких кристаллов. Теперь обратим внимание на то, что

сказать о каком-то веществе: просто жидкий кристалл, это еще слишком мало.

И если неспециалистов вполне удовлетворяет общий термин жидкий кристалл, то

специалисту требуется дать более детальную информацию. Здесь ситуация

похожа на ту, которая возникла бы с вами в столовой или ресторане, если бы

вам в качестве третьего блюда предложили бы просто жидкость, не

конкретизируя, что это такое. Несомненно, большинство из вас такое общее

определение третьего блюда не удовлетворило бы, и каждый в зависимости от

своего вкуса потребовал бы что-либо более определенное—чай, кофе, молоко и

т. д. Так же дело обстоит для специалистов и с жидкими кристаллами,

поскольку под этим термином, как уже бегло говорилось выше, скрывается

большое количество весьма отличающихся друг от друга жидкокристаллических

фаз. Однако все характерные особенности этого фазового состояния вещества

удобно рассмотреть сначала на примере одной разновидности жидких кристаллов

стронция.

Нематики. Начнем описание устройства жидких кристаллов на примере наиболее

простой и хорошо изученной их разновидности, нематических жидких

кристаллов, или, как еще принято говорить, нематиков, Итак, кристаллы

некоторых органических веществ при нагревании, прежде чем расплавиться и

перейти в обычную жидкость, проходят при повышении температуры через стадию

жидкокристаллической фазы. Как мы увидим ниже, жидкокристаллических фаз

Страницы: 1, 2, 3, 4