Tinh thể lỏng

5

Tinh thể lỏng

Thế giới tuyệt vời của tinh thể lỏng đã mở ra trước mắt các nhà khoa học cách đây tương đối lâu, nhưng trong 15-20 năm qua đã có bước nhảy vọt trong việc tìm hiểu bản chất của trạng thái tinh thể lỏng, tính chất vật lý của các chất này và vai trò của chúng trong khoa học và công nghệ hiện đại. Và giờ đây không còn nghi ngờ gì nữa rằng tiến bộ khoa học và công nghệ hơn nữa không thể đạt được nếu không có những vật liệu này, đa dạng về tính chất, tính kinh tế cao và chế tạo và sử dụng tương đối đơn giản.

Và thông tin đầu tiên về những chất như vậy đã được báo cáo vào năm 1888 bởi nhà thực vật học gốc F. Reinitzer, người đã tổng hợp các tinh thể chưa qua đào tạo. Khi chúng được đun nóng, thu được một chất lỏng, tùy thuộc vào nhiệt độ, có màu đục, rõ rệt hoặc có màu xanh lam. Nhà vật lý người Đức O. Lehmann đã bắt đầu một nghiên cứu có hệ thống về những chất như vậy và phát hiện ra rằng một trạng thái đặc biệt đã được phát hiện, vốn có trong nhiều hợp chất hữu cơ.

Chất lỏng chuyên dụng

Chất lỏng rất khác với chất khí và tinh thể rắn. Các nguyên tử hoặc phân tử tạo nên chất lỏng không thể di chuyển rất xa nhau. Điều này có nghĩa là trong chất lỏng, lực hút giữa các nguyên tử hoặc phân tử rất quan trọng. Điều tương tự cũng có thể nói về một tinh thể rắn, nhưng trong một tinh thể, những lực này chỉ lớn khi các nguyên tử buộc phải chiếm những vị trí được xác định rõ ràng trong đó, tạo thành một mạng tinh thể ba chiều. Trong mạng như vậy luôn có các hướng được chọn, gọi là trục tinh thể. Dọc theo những hướng này, các nguyên tử được sắp xếp theo một trật tự tuần hoàn chặt chẽ. Trong chất lỏng nói chung không có hướng xác định, nó không có hình dạng riêng, bởi vì các phân tử chất lỏng không liên kết nhiều với nhau và có thể trộn lẫn trong không gian - nhảy từ nơi này sang nơi khác.

Do đó, trong chất lỏng chảy, các phân tử chỉ nằm ở vị trí trung bình ở một khoảng cách đặc trưng nhất định với nhau. Đáp số câu hỏi về cách các phân tử tương tác với nhau và khoảng cách trung bình $a$ giữa chúng là bao nhiêu đã được cơ học lượng tử trả lời. Hóa ra là ở khoảng cách lớn giữa các phân tử, sự tương tác của chúng được xác định bởi lực hấp dẫn và ở khoảng cách rất ngắn bởi lực đẩy. Do đó, các phân tử không thể dính vào nhau trong một khoảng cách rất ngắn do lực đẩy rất lớn - trong trường hợp này họ nói rằng các phân tử không thể xuyên qua nhau. Ở khoảng cách $a$, xấp xỉ bằng kích thước của các phân tử, tương tác yếu giữa các phân tử trở thành bằng không.

Đây là cách một chất lỏng nói chung được cấu tạo, bao gồm các phân tử hoặc nguyên tử tương đối đơn giản. Tuy nhiên, một khám phá đáng chú ý đang chờ chúng ta nếu các phân tử có hình dạng dị hướng rõ rệt, nghĩa là liệu một số trục đặc trưng có thể được xác định rõ ràng trong phân tử hay không. Các phân tử như vậy được thể hiện dưới dạng sơ đồ trong Hình 1; trong đó, các nguyên tử không nằm ngẫu nhiên mà xếp thành một đường phân biệt nhanh (Hình 1, $a$) hoặc nằm trong một mặt phẳng đã chọn (Hình 1, $b$; các hình vẽ biểu thị các nguyên tử tạo thành trục

6

xương sống của phân tử). Sự tương tác của các phân tử có hình dạng này dẫn đến thực tế là ở trạng thái lỏng, chúng không chỉ được giữ ở một khoảng cách trung bình nhất định với nhau mà còn có thể duy trì một trật tự nhất định trong sự sắp xếp tương đối của chúng - trục dài của các phân tử (Hình 2, a) hoặc các mặt phẳng của các phân tử (Hình 2, b) hóa ra là song song với nhau. Trong một chất lỏng không định lượng như vậy, một hướng đặc biệt xuất hiện, giống như trong một tinh thể rắn, dọc theo đó tầm nhìn về trục của các phân tử được định hướng. Sự giống nhau giữa tinh thể và chất lỏng tuyệt vời được mô tả đã dẫn đến việc tạo ra hai khái niệm mới trong một - “tinh thể lỏng”. Và trạng thái lỏng thể hiện trong Hình 2 được gọi là tinh thể lỏng nematic*).

Bây giờ chúng ta hãy xem xét các lực tác dụng trong chất lỏng nematic. Những lực này là các quá trình điện. Điều thú vị là lực kéo xảy ra giữa hai nguyên tử hoặc phân tử trung hòa về điện. Chúng ta hãy thử tìm hiểu cách thức hoạt động của nó bằng cách sử dụng các nguyên tử làm ví dụ.

Hãy tưởng tượng rằng vì một lý do ngẫu nhiên nào đó trong nguyên tử có sự trộn lẫn giữa đám mây electron âm và đám mây mang điện tích dương.

*) Điêu khắc “nematic” có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp γημα - thread. Trong tinh thể lỏng, các sợi chuyển động mỏng có thể nhìn thấy được dưới microsome, biểu hiện các khiếm khuyết về cấu trúc. Không có những sợi như vậy trong một tinh thể lỏng lý tưởng.

Hình 1.

Hình 2.

hạt nhân. Một nguyên tử như vậy có thể được coi là tập hợp của hai điện tích chính xác trái dấu, giống hệt nhau về giá trị tuyệt đối, nằm ở một khoảng cách nhất định với nhau (Hình 3, a). Một hệ thống điện tích như vậy được gọi là lưỡng cực điện. Một điện trường xuất hiện ở vùng lân cận của lưỡng cực nguyên tử. Tính hữu ích của trường này nhanh chóng bị loại bỏ khi di chuyển khỏi .atoma, nhưng gần với .atoma thì nó rất hữu ích. Nếu một nguyên tử trung hòa II rơi vào vùng lân cận của nguyên tử I (Hình 3, b) thì điện trường của nguyên tử I sẽ làm dịch chuyển điện tích của các electron và hạt nhân của nguyên tử II như trên Hình 3, b. Sự trộn lẫn tương đối các điện tích trong nguyên tử II sẽ tạo ra một điện trường duy trì sự phân tách điện tích trong nguyên tử I.

Từ Hình 3, b rõ ràng là các phần tích điện trái dấu của các nguyên tử phải liên hợp với nhau, nghĩa là toàn bộ nguyên tử phải liên hợp với nhau. Khi các nguyên tử trở nên mạnh hơn, lực đẩy bắt đầu tác dụng giữa chúng. Khi xem xét xấp xỉ bằng kích thước của các nguyên tử, lực tương tác giữa các nguyên tử bằng không.

Chúng ta có thể kiểm tra chính xác lý luận tương tự đối với hai phân tử gồm có một số nguyên tử hoạt động. Các phân tử trung tính phải liên hợp với nhau do sự hình thành các nguyên tử lưỡng cực điện. Thật vậy, các phân tử phải được liên hợp. Nhưng làm thế nào? Rõ ràng là, theo các nguyên tắc được mô tả ở trên, hầu hết

8

Hình 4.

chùm ánh sáng. Các tinh thể đặc biệt - bộ phân cực - chuyển đổi ánh sáng không phân cực thành ánh sáng phân cực tuyến tính, vì chúng chỉ có thể truyền ánh sáng thành các sóng trong đó vectơ $\vec{E}$ được định hướng khá cụ thể so với trục quang của bộ phân cực. Ví dụ, một tinh thể tourmaline chỉ truyền ánh sáng phân cực dọc theo trục quang của tinh thể này, trong khi các sóng có phân cực vuông góc bị nó hấp thụ mạnh. Nếu hai bản phân cực được đặt trên đường đi của chùm sáng, các trục của chúng song song, thì ánh sáng (phân cực) sẽ đi qua một hệ thống quang học như vậy (Hình 4, a) và nếu trục của các bản phân cực giao nhau thì ánh sáng sẽ không thể đi qua hệ thống này (Hình 4, b).

Bây giờ chúng ta hãy đặt hai chiếc kính giữa hai bản phân cực chéo và một chất lỏng nematic giữa chúng, trước đó đã đánh bóng nhẹ kính theo một hướng nhất định. Việc đánh bóng thủy tinh như vậy là cần thiết để định hướng trục quang của tinh thể lỏng ($\vec{n}$) theo một hướng nhất định. Ví dụ, trong quá trình đánh bóng song song kính, các phân tử bám vào kính song song với các rãnh vi mô trên bề mặt kính, do các tương tác cơ học được mô tả, đặt cùng hướng của vectơ $\vec{n}$ và

Ánh sáng
phân cực
Thủy tinh
Tinh thể lỏng
Thủy tinh
phân cực
Không có ánh sáng
MỘT)
b)
Ánh sáng phân cực
V)
Hình ảnh các con số
Điện cực hình
Điện cực rắn
Gương

Hình 5.

9

ở độ sâu của lớp chất lỏng nematic (Hình 5, a). Nếu các ngăn xếp không sử dụng được được hình thành sơ bộ bằng các hóa chất đặc biệt thì có thể đạt được hướng của trục $\vec{n}$ vuông góc với bề mặt kính (Hình 5, b). Cuối cùng, nếu các ngăn xếp hữu ích được xoay vuông góc với nhau thì có thể thu được hướng của vectơ $\vec{n}$ xoắn dọc theo độ dày của lớp (Hình 5, c hiển thị các hình chiếu của trục $\vec{n}$ lên mặt phẳng vẽ).

Làm thế nào để ánh sáng phân cực truyền qua một lớp chất lỏng định hướng và qua các hệ thống quang học được mô tả nói chung? Nếu sự phân cực của ánh sáng song song với trục $\vec{n}$ (vectơ $\vec{E}$ dao động dọc theo hướng $\vec{n}$), thì ánh sáng sẽ truyền qua tinh thể lỏng mà không thay đổi độ phân cực của nó (Hình 5, a). Điều tương tự cũng xảy ra nếu sự phân cực của ánh sáng vuông góc với trục quang học (Hình 5, b). Trong trường hợp hướng xoắn $\vec{n}$, sự phân cực của ánh sáng cũng quay sau trục $\vec{n}$ (Hình 5, c).

Bạn có thể hiểu tại sao điều này xảy ra.

Để làm điều này, chúng ta hãy nhớ lại các tính chất cơ bản của ánh sáng và các điều kiện truyền của nó trong tinh thể. Thứ nhất, ánh sáng dưới dạng sóng điện từ có thể được phát ra khi các điện tích dao động, chẳng hạn, trong một sự thay đổi nhanh chóng có chu kỳ về khoảng cách giữa các điện tích khác nhau trong nguyên tử (Hình 3, a) hoặc phân tử. Trong trường hợp này, ở gần các điện tích, điện trường thay đổi theo cùng chu kỳ, tạo ra một từ trường thay đổi định kỳ $\vec{B}$, và từ trường sau tạo ra, ở khoảng cách lớn hơn so với các điện tích, một điện trường xen kẽ $\vec{E}$, v.v. (điều này được giải thích bằng hiện tượng cảm ứng điện từ Faraday nổi tiếng). Đây là cách một trường điện từ thay đổi định kỳ phát sinh trong không gian xung quanh các điện tích dao động. Trong một trường điện từ như vậy, như đã biết, các vectơ $\vec{E}$ và $\vec{B}$ vuông góc với nhau và vuông góc với hướng truyền sóng (Hình 6). Sóng truyền đi theo mọi hướng từ nguồn. Nếu nguồn sáng là một lưỡng cực thì ban đầu ánh sáng được phát ra theo hướng vuông góc với trục của lưỡng cực. Không có bức xạ dọc theo trục lưỡng cực, vì theo hướng này, từ trường được tạo ra bởi sự dao động của điện trường ở các phía đối diện của trục triệt tiêu lẫn nhau một cách chính xác.

Nếu một sóng điện từ lan truyền trong môi trường gồm các nguyên tử và phân tử thì sự dao động của vectơ $\vec{E}$ sẽ gây ra các dao động điện trong các nguyên tử và phân tử. Kết quả là sẽ xuất hiện các dipole, trong đó khoảng cách điện giữa các điện tích khác nhau sẽ thay đổi. Nhưng những dao động lưỡng cực như vậy lại dẫn đến sự phát ra sóng ánh sáng. Điều này có nghĩa là cả sóng thứ nhất và sóng thứ cấp do các phân tử và nguyên tử phát ra dưới tác dụng của trường của sóng thứ nhất thực sự lan truyền trong môi trường. Các sóng này giao thoa với nhau, nghĩa là chúng tăng cường hoặc làm suy yếu lẫn nhau, tùy thuộc vào việc chúng đến một điểm nhất định trong không gian cùng pha hay phản pha tại một thời điểm nhất định. Cùng pha - điều này có nghĩa là biên độ của sóng chỉ đơn giản là cộng lại; trong phản pha - biên độ bị trừ.

Điều gì xảy ra trong lớp tinh thể lỏng khi ánh sáng đi qua nó? Trong tinh thể lỏng, sóng ánh sáng rất hữu ích trong việc gây ra sự phân tách điện tích trong phân tử và xuất hiện các dao động lưỡng cực. Giả sử rằng trong một phân tử tinh thể, các electron dễ dàng trộn lẫn dọc theo chiều dài của trục phân tử, nghĩa là dọc theo hướng $\vec{n}$. Sau đó, trong trường hợp được hiển thị trong Hình 5, sóng tới và sóng thứ cấp lan truyền khắp độ dày của lớp và các vectơ $\vec{E}$ trong sóng trùng nhau về hướng. Trong trường hợp như ở Hình 5, b, các lưỡng cực không hình thành và sóng thứ cấp không phát ra; Điều này có nghĩa là sóng tới đi qua và không bị suy yếu. Cuối cùng, trong trường hợp 5, sự phân cực của ánh sáng thay đổi hướng theo chuyển động quay của trục quang $\vec{n}$ dọc theo độ dày của lớp. Việc quay vectơ $\vec{E}$ cùng lúc với trục $\vec{n}$ đảm bảo sự phát xạ của sóng thứ cấp không bị suy giảm ở bất kỳ độ sâu nào của lớp. (Hiện tượng giao thoa này sẽ xảy ra khi có nhiều lưỡng cực trên đường đi của cung ánh sáng - nguồn của sóng thứ cấp, tức là

10

khi độ dày lớp lớn hơn nhiều so với bước sóng ánh sáng.)

Vì vậy, ánh sáng đi qua một lớp chất lỏng nematic và tới bản phân cực thứ hai. Và ở đây nảy sinh một tình huống vốn đã quen thuộc với chúng ta. Trong trường hợp a và b (Hình 5), ánh sáng không thể truyền qua hệ thống quang học, nhưng trong trường hợp c thì nó truyền liên tục. Bây giờ chúng ta hãy tưởng tượng một trường hợp trung gian, khi các trục $\vec{n}$ trên tường giao nhau, nhưng do độ dày của lớp, do một số ảnh hưởng, chúng gần như vuông góc với kính. Trong trường hợp này, hầu như không có ánh sáng nào đi qua bản phân cực thứ hai. Còn một bước nữa trước khi áp dụng đại trà một hệ thống như vậy: người ta phải học cách điều khiển trục quang của chất lỏng nematic sao cho khi không có ảnh hưởng, trục này được định hướng, như trong Hình 5, và khi bật tác động, nó nghiêng một góc dễ nhận thấy, như trong Hình 5, 6 và 2. Sau khi tắt ảnh hưởng, các phân tử chiếm giữ, định vị các vị trí trước đó của chúng do các điều kiện trên bề mặt kính và sự tương tác với nhau.

Và hóa ra là rất dễ dàng thực hiện điều này trong một tinh thể lỏng nematic bằng cách sử dụng điện trường, bao quanh một lớp giữa các tấm kính được đánh bóng trên đó áp dụng các điện cực chất lượng cao. Bằng cách kết nối một cục pin yếu với các điện cực này và làm chập mạch mục tiêu, chúng tôi sẽ làm cho hệ thống quang học của mình truyền ánh sáng và bằng cách mở mục tiêu, chúng tôi sẽ làm cho nó có thể phát âm được, đó là điều mà Fredericks lần đầu tiên đạt được. Vẫn còn phải thảo luận về một câu hỏi vật lý thú vị: tại sao điện trường lại biến các phân tử theo cách chúng ta cần và nó phải mạnh đến mức nào.

Đáp số Phần đầu tiên của câu hỏi rất dễ trả lời bằng Hình 7. Giả sử một phân tử, trong đó lưỡng cực dễ dàng hình thành dọc theo trục dài, nằm trong điện trường và có một góc nhất định giữa các vectơ $\vec{E}$ và $\vec{n}$. Sau đó, trong lưỡng cực được hình thành, các điện tích $+Q$ và $-Q$ chịu tác dụng của các lực $\vec{F}_+ = +Q\vec{E}$ và $\vec{F}_- = -Q\vec{E}$; Do đó, một cặp lực xuất hiện, tạo ra một mômen quay. Mômen lực này làm quay phân tử sao cho trục dài của nó hướng dọc theo vectơ $\vec{E}$.

Điều quan trọng cần lưu ý ở đây là bạn thực sự cần phải quay một số lượng rất lớn các phân tử cùng một lúc, nhưng may mắn thay là không cần phải quay từng phân tử riêng lẻ. Vì các phân tử tương tác với nhau được định hướng theo cùng một cách, nên, nói một cách đại khái, chỉ cần loại bỏ một phân tử để những phân tử khác, giống như quân domino, xoay chuyển nhau xung quanh phân tử đầu tiên là đủ. Do đó, để thực hiện hiệu ứng được mô tả, cần có một giá trị hữu hạn nhất định của hiệu điện thế giữa các điện cực—điện áp ngưỡng. Giá trị ngưỡng này được xác định từ điều kiện bằng nhau về mô men của hai lực: lực tác dụng từ điện trường và lực phục hồi tương tác giữa các phân tử, có xu hướng định hướng các phân tử giống như cách các phân tử dính vào thủy tinh được định hướng. Và hóa ra là bất kể độ dày của lớp, điện áp ngưỡng có thể là một phần của vôn, và độ dày của lớp được sử dụng trong thực tế là một phần của milimet! Con số này ít hơn nhiều lần so với những gì cần thiết để đạt được hiệu ứng quang học tương tự trong tinh thể rắn, điều này đã dẫn đến mối quan tâm thực tế to lớn đối với tinh thể lỏng khi chế tạo các loại mặt số.

Mặt số ở những chiếc đồng hồ điện nói trên được bố trí như hình.