Жидкие кристаллы

5

Жидкие кристаллы

Удивительный мир жидких кристаллов открылся глазам ученых сравнительно давно, но за последнее 15—20 лет произошел огромный скачок в понимании природы жидкокристаллического состояния, физических свойства этих веществ, их роли в современной науке и технике. И сейчас уже нет сомнений в том, что без этих материалов, разнообразных по своим свойствам, высокозкономичных, сравнительно простых в изготовлении и применении, дальнейший научно-технический прогресс не может обойтись.

А самые первые сведения о таких веществ были сообщены в 1888 году авторским ботаником Ф. Рейницером, который синтезировал необучные кристаллы. При их нагревании получалась жидкость, которая в зависимости от температуры была то мутной, то произной, то прибретала синевая цвет. Немецкий физик О. Леман начал систематическое изучение таких веществ и установил, что открыто особое состояние, присуще многим организаским соедининиям.

Нематическая жидкость

Жидкость сльно отличится от газов и твердых кристаллов. Атомы или молекуры, из которых состоит жидкость, не могут разойти на скольудно большое расстояние друг от друга. Это означает, что в жидкости очень важны силы притяжения между атомами или молекулами. То же самое можно сказать и о твердом кристалле, но в кристалле эти силы нас только велики, что атомы вынуждены заниматься в нем строго определенные места, образуя трехмерную кристаллическую решетку. В такой решетке всегда имеются выделенные направления, называемые осями кристалла. Вдоль этих направлений атомы располагаются в строго периодическом порядке. В общий жидкость нет никаких выделенных направлений, она не обладает собственной формуой, потому что молекулы жидкости не столько связаны друг с другом и могут перемешаться в пространстве — перескакивать с места на месте.

Таким образом, в текущей жидкости молекуры только в среднем находится на некотором характераном расстоянии друг от друга. Ответ на вопрос, как взаимодействуют между собой молекуры и чему равно среднее расстояние $a$ между ними, дает квантовая механика. Оказывается, что на больших расстояниях между молекуами их взаимодействие определяется силами притяжения, а на очень малых расстояниях — силами отталкивания. Следовательно, молекуры не могут слизиться на скольудно малое расстояние из-за очень больших сил отталкивания — в этом случае говорят, что молекуры не могут пронкать друг в друга. На расстоянии $a$, применно равном размеру молекул, слая взаимодействие между молекуами становится равной нулю.

Такystроена общная жидкость, состоящая из относительно простых молекул или атомов. Однако нас поджидает замечательное открытие, если молекуры имеют ярко выраженную анизотропную форму, то есть если у молекул можно четко выделить какие-нибудь характерные оси. Такие молекуры схематически изображены на рисунке 1; в них атомы располагаются не как попало, а быстроевыдельной линии (рис. 1, $a$) или лежат в выделенной плоскости (рис. 1, $b$; на рисунках указаны атомы, образующие оси

6

остов молекул). Взаимодействие молекул такой формы приводит к тому, что в жидком состоянии они не только удерживаются на некотором среднем расстоянии друг от друга, но могут сохраняться определенный порядок в своей относительной расположении — длиные оси молекул (рис. 2, а) или плоскости молекул (рис. 2, б) оказываются параллельными друг другу. В такой необчисленный жидкости появляется особое направление, как в твердом кристалле, вдоль которого ориентируется видение оси молекул. Это сходство между кристаллом и описанной удивительной жидкостю и привело к созданию двух понятий в одной новое — «жидкий кристалл». А жидкое состояние, изображенное на рисунке 2, называют нематическим жидким кристаллом*).

Рассмотрим теперь силы, действующие в нематической жидкости. Эти силы — электрического процесхождения. Интересно, что сила пряжения возникает между двумя atomsми или молекулами, которые сами по себе являются электрическими нейтральными. Попытаемся на примере atomов разобраться, как это получается.

Представим себе, что по какой-то случайной причине в atomе произшло смешение отрицательного электронного облака относительно положительного заряженного

*) Изваивание «нематический» образовано от греческого слова γημα — нить. В жидких кристаллах под микросомом видны тонкие подвижные нити, которые представляют собой дефекты структуры. В идеальном жидком кристалле таких нитей нет.

Рис. 1.

Рис. 2.

ядра. Такой atom можно рассматривать как совокупность двух разноименных точных зарядов, одинаковых по абсолотной величины, находящихся на некотором расстоянии друг от друга (рис. 3, а). Подобную систему зарядов называют электрическим диполем. В окрестности.atoma-диполя возникает электрическое поле. Напримерность этого поля быстро убивает при удалении от.atoma, но вблизи.atoma полезно величко. Если в окрестность.atoma I попадает нейтральный.atom II (рис. 3, б), то электрическое поле.atoma I должно сместить заряды электронов и ядра.atoma II так, как изобравенно на рисунке 3, б. Такое относительное смешение зарядов в.atome II должно, в свою очередь, создавать электрическое поле, поддерживающее разделение зарядов в.atome I.

Из рисунка 3, б видно, что разноименное заряженные части atomов должны прягировать друг к другу, а значит и atoms целиком должны прягировать друг друга. При сильении atomов между ними начинают действовать силы отталкивания. На рассмотрении, примерно равном размеру atomов, силы взаимодействия между atomами равны нулю.

Точно такое же рассужждение мы можем проверить и в отношении двух молекул, состоящих из нескольких деяктивов.atомов. Неятальные молекул должны прягировать друг друга за счет образования электрических диполей-atомов. Действительно, молекул должны прягировать. Но как? Ясно, что по описанным выше принципам большая часть

8

Рис. 4.

световой пучок. Особые кристаллы — поляризаторы — преобразуют неполяризованный свет в линейно поляризованный, поскольку они могут пропускать светь себя только волны, в которых вектор $\vec{E}$ ориентирован совершенно определенно по отношению к оптической оси поляризатора. Например, кристалл турмалина пропускает светь себя лишь свет, поляризованный вдоль оптической оси этого кристалла, в то время как волны с перпендикулярной поляризцией им сильно поглощаются. Если на пути светового пучка расположить два поляризатора, оси которых параллельны, то свет (поляризованный) пройдёт сквозь такую оптическую систему (рис. 4, а), а если оси поляризаторов скрещены, то свет сквозь эту систему пройдёт не сможет (рис. 4, б).

Поместим теперь между двумя скрещенными поляризаторами два стекла, а между ними — нематическое жидкость, предварительно слегка пополировав стекла вдоль определенного направления. Такая полировка стекол нужно для того, чтобы сорентировать в заданном направлении оптическую ось жидкого кристалла ($\vec{n}$). Например, при параллельной полировке стекол молекулы, прилипшие к стеклам параллельно микроборозам на стеклянной поверхности, задают благодаря описанным механическим взаимодействием такую же ориентацию вектора $\vec{n}$ и

Свет
Поляризатор
Стекло
Жидкий кристалл
Стекло
Поляризатор
Нет света
а)
б)
Поляризованный свет
в)
Изображение цифры
Фигурный электрод
Сплошной электрод
Зеркало

Рис. 5.

9

в глубине слоя нематического жидкости (рис. 5, а). Если непользовные стека предварительно образотать специальных химических веществ, то можно добиться ориентации оси $\vec{n}$ перpendикулярно стеклянной поверхности (рис. 5, б). Наконец, если пользовные стека развернуть перpendикулярно друг другу, то можно получить закрученную по толщине слоя ориентацию вектора $\vec{n}$ (на рисунке 5, в показаны проекции оси $\vec{n}$ на плоскость рисунка).

Как же проходит поляризованный свет сквозь ориентированный слой нематического жидкости и сквозь изобразенные оптические системы вообше? Если поляризация света параллельна оси $\vec{n}$ (вектор $\vec{E}$ колеблется вдоль направления $\vec{n}$), то свет проходит сквозь жидкий кристалл, не изменяя свой поляризация (рис. 5, а). То же происходит и в случае, если поляризация света перpendикулярна оптической оси (рис. 5, б). В случае закрученной ориентации $\vec{n}$ поляризация света также поворачивается всед за осью $\vec{n}$ (рис. 5, в).

Можно понять, почему это происходит.

Для этого вспомним основные свойства света и условия его распространения в кристаллах. Во-первых, свет как электромагнитная волна может излучаться при колебаниях электрических зарядов, например при быстром перiodическом изменении расстояния между разноменными зарядами в atomе (рис. 3, а) или молекULE. При этом влиззи зарядов с тем же перiodом изменяется электрическое поле, которое создает перiodическими меняющимися магнитное поле $\vec{B}$, а последнее порождает, уже на большем расстоянии от зарядов, переменное электрическое поле $\vec{E}$ и т. д. (это объясняется хорошо известным явлением электромагнитной индукции Фарадея). Так возникает в пространстве вокруг колеблюшихся зарядов перiodических изменяющихся электромагнитное поле. В таком электромагнитном поле, как известно, векторы $\vec{E}$ и $\vec{B}$ перpendикулярны друг другу и направлено распространения волны (рис. 6). Волны бегут по всем направлениям от источника. Если источником света является диополь, то свет премишесенно излучается в направлении, перpendикулярном оси диополя. Вдоль оси диополя излучения нет, поскольку в этом направлении магнитные поля, порождаемые колебаниями электрического поля по разные стороны от оси, в точности газят друг друга.

Если электромагнитная волна распространется в среде, состоящей из atomов и молекул, то колебания вектора $\vec{E}$ вызывают электрическое колебания в atomах и молекулах. В результате возникнет диополи, у которых электрические изменения расстояние между разномыми зарядами зарядами. Но такие диопольные колебания, в свою очередь, приводят к излучению световой волны. Это означает, что в среде на самом деле распространяется как первая волна, так и вторичные волны, излучаемые молекулами и atomами под действием поля первой волны. Эти волны интерференуют друг с другом, то есть усиливают или ослабляют друг друга в зависимости от того, приходит ли они в данной момент времени в данную точку пространства в фазе или противофазе. В фазе — это значит, что амплитуды волн просто складываются; в противофазе — амплитуды вычитаются.

Что же происходит в слое жидкого кристалла при прохождении через него света? В жидком кристалле полезно световой волны приходить к разделению зарядов в молекулах и возникновению диопольных колебаний. Предположим, что в молекULE кристалла электроны легко смешаются вдоль длиной оси молекулы, то есть вдоль направления $\vec{n}$. Тогда в случае, изобразенном на рис. 5, а по толщине слоя распространяется падающая волна и вторичные волны, причем векторы $\vec{E}$ в волнах совпадают по направлению. В случае, изобразенном на рис. 5, б, диополи не образуют и вторичные волны не излучаются; значит, падающая волна проходит, не ослабляется. Наконец, в случае 5, в поляризация света изменяет свое направление в соответствии с поворотом оптической оси $\vec{n}$ по толщине слоя. Поворот вектора $\vec{E}$ в такт с осью $\vec{n}$ обеспечивает излучение вторичных волн, не ослабляем на любой глубине слоя. (Это интерференционное явление возникнет тогда, когда на пути светового лука находится многочисленные диополи — источники вторичных волн, то есть

10

когда толщина слоя намного больше длины волны света.)

Так свет проходит сквозь слой нематический жидкости и доходит до второго поляризатора. И здесь возникает уже знакомая нам ситuation. В случае а и б (рис. 5) свет сквозь оптическую систему прояты не может, а в случае в он проходит беспрерывтевно. А теперь представим себе промежутный слуай, когда оси $\vec{n}$ на стенках скрещены между собой, но в толщце слоя, благодаря какому-то воздействию, они повернуть почти перpendикулярно стеклам. В этой ситuation свет практически не проходит сквозь второй поляризатор. Остался еще один шаг до массового применения подобной системы: надо научиться управлять оптической осью нематической жидкости так, чтобы в отсутствие воздействия эта ось ориентировалась, как на рисунке 5, в при включении воздействия она наклонлась на заметный угол, как на рисунках 5, 6 и 2. После выключения воздействия молекулы занимают, размещется, свои прежние позиции вседствие условий на стеклянных поверхностях и взаимодействия между собой.

И оказалось, что именно в нематической жидкости кристалле это очень просто сделать с помощью электрического поля, заключив слой между полированными стеклами, на которые нанесены произчные электроды. Подключив к этим электродам слабенькую батарейку и замкнув цель, мы сделаем нашу оптическую систему светопропонизаемой, а разомкнув цель — произной, что и осуществил впервые Фредерикс. Осталось обсуить интересный физический вопрос: почему электрическое поле поворачивает молекулы так, как нам нужно, и сколько сильно оно при этом должно быть.

Ответ на первую часть вопроса легко даить с помощью рисунка 7. Пусть молекula, у которой диполь легко образуется вдоль длиной оси, находится в электрическом поле и между векторами $\vec{E}$ и $\vec{n}$ имеет некоторый угол. Тогда в образователься диполе на заряды $+Q$ и $-Q$ действуют силы $\vec{F}_+ = +Q\vec{E}$ и $\vec{F}_- = -Q\vec{E}$; таким образом, возникает пара сил, создающая кругящий момент. Этот момент сил и поворачивает молекулу так, чтобы она свеяя длиной осью ориентировалась вдоль вектора $\vec{E}$.

Здесь важно иметь, что на самом деле необходимо повернуть одновременно очень большое число молекул, но, к счастью, при этом нет необходимости поворачивать каждую молекулу в отдельности. Поискольку молекулы, взаимодействующие между собой, ориентированы одинаково, то, грубо говоря, достаточно тольконуть одну, чтобы другие, как костяшки домино, другно повернуть вседз за первой. Поэтому для осуществления описанного эфективе необходимо неокторое конечное значение разности потенциальов на электридов — пороговое напряжение. Это пороговое значение определяется из условия равенства моментов двух сил: силы, действующей со стороны электрического поля, и возврашающей силы взаимодействия между молекулами, которая стремится ориентировать молекулы так, как сорентированы молекулы, прилипшие к стеклу. И оказывается, что независимо от толщины слоя пороговое напряжение может составлять доли волта, причем толщина слоя, использых на практике, составляет долу миллиметра! Это во много раз меньше, чем требуется для получения таких же оптических эфективов в твердых кристаллах, что и обусловило громадный практический интерес к жидким кристаллам при создании циферблатов всевозможных типов.

Циферблат в упомянутых электриных часах устроен так, как показано.