Жидкие кристаллы

Сенсация года. Некоторое время тому назад необыч¬ной популярностью в США пользовалась новинка юве¬лирного 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 внима¬ние любители бижутерии к этому перстню? Оказывается, он обладал совершенно мистическим свойством реагиро¬вать на настроение его владельца. Реакция состояла в том, что цвет камешка перстня следовал за настроением вла¬дельца, пробегая все цвета радуги от красного до фио¬летового. Вот это сочетание таинственного свойства уга¬дывать настроение, декоративность перстня, обеспечи¬ваемая яркой и меняющейся окраской камешка, плюс низкая цена и обеспечили успех перстню настроения.

Пожалуй, именно тогда впервые широкие массы стол¬кнулись с загадочным термином «жидкие кристаллы». Ни¬чего толком не было известно, говорилось, только, что камешек перстня сделан на жидком кристалле. Для чита¬теля, который знаком с жидкими кристаллами, нужно сде¬лать уточнение — на холестерическом жидком кристалле, а секрет перстня настроения связан с его удивительными оптическими свойствами.

Зачем нужны Жидкие кристаллы. Все чаще на страницах научных, а последнее время и научно-популярных журналов появ¬ляется термин «жидкие кристаллы» (в аббревиатуре ЖК) и статьи, посвященные жидким кристаллам. В повседневной жизни мы сталкиваемся с часами, термометра¬ми на жидких кристаллах. 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 материаль¬ного производства. В этом отношении не являются ис¬ключением и жидкие кристаллы. Интерес к ним прежде всего обусловлен возможностями их эффективного при¬менения в ряде отраслей производственной деятельно¬сти. Внедрение жидких кристаллов означает экономиче¬скую эффективность, простоту, удобство.

Жидкий кристалл — это специфическое агрегатное со¬стояние вещества, в котором оно проявляет одновре¬менно свойства кристалла и жидкости. Сразу надо огово¬риться, 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 молеку¬лами, кроме трех названных состояний, могут образовы¬вать четвертое агрегатное состояние — жидкокристалли¬ческое. 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 обычной 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 жид¬костью, он обладает свойством, характерным для кри¬сталлов. Это — упорядочение в пространстве молекул, образующих кристалл. Правда, это упорядочение не та¬кое полное, как в обычных кристаллах, но тем не менее оно существенно влияет на свойства жидких кристаллов, чем и отличает их от обычных жидкостей. Неполное про¬странственное упорядочение молекул, образующих жид¬кий кристалл, проявляется в том, что в жидких кристал¬лах нет полного порядка в пространственном располо¬жении центров тяжести молекул, хотя частичный порядок может быть. Это означает, что у них нет жесткой кри¬сталлической решетки. Поэтому жидкие кристаллы, по¬добно обычным жидкостям, обладают свойством текуче¬сти.

Обязательным свойством жидких кристаллов, сбли¬жающим 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 жидкокристалличе¬ском образце ориентированы одинаково.

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

Немного истории. Как были обнаружены не¬обычные свойства жидких кристаллов? Вероятно, исследователи уже очень давно стал¬кивались с жидкокристаллическим состоянием, но не от¬давали 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 авст¬рийский ученый-ботаник Рейнитцер. Исследуя новое син¬тезированное им вещество холестерилбензоат, он обна¬ружил, что при температуре 145° С кристаллы этого ве¬щества плавятся, образуя мутную сильно рассеивающую свет жидкость. При продолжении нагрева по достижении температуры 179°С жидкость просветляется, т. е. начина¬ет вести себя в оптическом отношении, как обычная жидкость, например вода. Неожиданные свойства холестерилбензоата обнаружились в мутной фазе. Рассматри¬вая эту фазу под поляризационным микроскопом, Рей¬нитцер обнаружил, что она обладает двупреломлением. Это означает, что показатель преломления света, т. е. скорость света в этой фазе, зависит от поляризации.

Явление двупреломления—это типично кристалличе¬ский эффект, состоящий в том, что скорость света в кри¬сталле зависит от ориентации плоскости поляризации света. Существенно, что она достигает экстремального максимального и минимального значений для двух вза¬имно ортогональных ориентаций плоскости поляризации. Разумеется, ориентации поляризации, соответствующие экстремальным значениям скорости свете в кристалле, определяются анизотропией свойств кристалла и одно¬значно задаются ориентацией кристаллических осей отно¬сительно направления распространения света.

Поэтому сказанное поясняет, что существование дву¬преломления в жидкости, которая должна быть изотроп¬ной, 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 фи¬зика Лемана, показали, что мутная фаза не является двух¬фазной системой, т. е. не содержит в обычной жидкости кристаллических включений, а является новым фазовым состоянием вещества. Этому фазовому состоянию Леман дал название «жидкий кристалл» в связи с одновре¬менно проявляемыми им свойствами жидкости и кристал¬ла. Употребляется также и другой термин для названия жидких кристаллов. Это — «мезофаза», что буквально означает «промежуточная фаза».

В то время существование жидких кристаллов пред¬ставлялось каким-то курьезом, и никто не мог предполо¬жить, что их ожидает почти через сто лет большое буду¬щее в технических приложениях. Поэтому после некото¬рого интереса к жидким кристаллам сразу после их от¬крытия о них через некоторое время практически за¬были.

В конце девятнадцатого — начале двадцатого века многие очень авторитетные ученые весьма скептически относились к открытию Рейнитцера и Лемана. Дело в том, что не только описанные противоречивые свойства жидких кри¬сталлов представлялись многим авторитетам весьма со¬мнительными, но и в том, что свойства различных жидко¬кристаллических веществ (соединений, обладавших жид¬кокристаллической фазой) оказывались существенно раз¬личными. Так, одни жидкие кристаллы обладали очень большой вязкостью, у других вязкость была невелика. Одни жидкие кристаллы проявляли с изменением тем¬пературы резкое изменение окраски, так что их цвет пробегал все тона радуги, другие жидкие кристаллы та¬кого резкого изменения окраски не проявляли. Наконец, внешний вид образцов, или, как принято говорить, тек¬стура, различных жидких кристаллов при рассматрива¬нии их под микроскопом оказывался совсем различным. В одном случае в поле поляризационного микроскопа могли быть видны образования, похожие на нити, в дру¬гом — 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?

Время шло, факты о жидких кристаллах постепенно накапливались, но не было общего принципа, который позволил бы установить какую-то систему в представле¬ниях о жидких кристаллах. Как говорят, настало время для классификации предмета исследований. Заслуга в создании основ современной классификации жидких кри¬сталлов 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, дру¬гую смектическими. Он же пред¬ложил общий термин для жидких кристаллов — «мезоморфная фаза». Этот термин происходит от греческого слова «мезос» (промежуточный), а вводя его, Фридель хотел подчеркнуть, что жидкие кристаллы занимают про¬межуточное положение между истинными кристаллами и жидкостями как по температуре, так и по своим физи¬ческим свойствам. Нематические жидкие кристаллы в классификации Фриделя включали уже упоминавшиеся выше холестерические жидкие кристаллы как подкласс.

Самые “кристаллические” среди жидких кристаллов - смекатические. Для смекатических кристаллов характерна двумерная упорядоченность. Молекулы размещаются так, чтобы их оси были параллельны. Более того, они “понимают” команду “равняйся” и размещаются в стройных рядах, упакованных на смекатических плоскостях, и в шеренгах - на нематических, что поясняет рис. 1а. Смекатическим жидким кристаллам свойственно