Жидкие кристаллы

ВВЕДЕНИЕ.

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». Дело в том, что каждому владельцу перстня хотелось знать его секрет слежения за настроением. Однако 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. Тем, который только слышал о жидких кристаллах, а может быть, и не слышал о них вообще, чтобы раскрыть секрет перстня настрое¬ния, необходимо сначала познакомиться с тем, что такое жидкие кристаллы, и тогда он узнает не только о том, как жидкие кристаллы позволяют следить за настроени¬ем 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 появ¬ляется термин «жидкие кристаллы» (в аббревиатуре ЖК) и статьи, посвященные жидким кристаллам. В повсе. дневной жизни мы сталкиваемся с часами, термометра¬ми на жидких кристаллах. Что же это за вещества с та¬ким 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 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.

Прежде чем рассказывать о конкретных областях применения жидких кристаллов, необходимо сказать не¬сколько 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 ближай¬шее время изделия, содержащие жидкокристаллические элементы, будут так же широко распространены, как устройства, содержащие электронные лампы или транзи¬сторы.

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 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 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 крис1аллами, является наличие порядка» пространственной ориентации молекул. Такой порядок в ориентации может проявляться, например, в том, ^4то все длинные оси молекул в жидкокристалличе¬ском образце ориентированы одинаково. Эти молекулы должны обладать вытянутой формой. Кроме простейше¬го 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 при¬менениям в настоящее время ведутся широким фрон¬том во всех наиболее развитых странах мира. Отечествен¬ные исследования сосредоточены как Б Академических, так и отраслевых научно-исследовательских учреждени¬ях 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 иссле¬дователей широко известны научной общественности и служат фундаментом ряда эффекгивных гехнических приложений жидких кристаллов [1—4].

Об успехах отечественной промышленности в освое¬нии выпуска продукции, в которой существенным элемен¬том являются жидкие кристаллы, говорит присуждение в 1983 году Государственной премии СССР большой груп¬пе работников науки и техники за разработку и внедре¬ние в народное хозяйство индикаторных устройств. Ос¬новными элементами этих индикаторных устройств, со¬вершенные технические характеристики которых послу¬жили основанием для присуждения премии, являются жидкокристаллические вещества. Присуждение этой премии символизирует плодотворный союз науки и про¬изводства в деле технических приложений жидких кри¬сталлов. Тут же следует сказать, что среди лауреатов, представителей науки, — В. Н. Цветков, ветеран научных исследований жидких кристаллов.

Немного истории. Пока мы просто декларировали не¬обычные свойства жидких кристаллов. Как же они были обнаружены? Ведь, не обладая современной огромной информацией о строении материи, очень трудно пове¬рить, что такие, казалось бы, взаимно исключающие друг друга свойства могут проявляться у одного вещества. Поэтому, 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 холе-стерилбензоат обнаруживал 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 е этой фазе, зависит от поляризации.

Напомним, что линейно поляризованным светом, или как часто говорят, поляризованным светом, называют свет (электромагнитную волну), электрическое поле ко¬торой в процессе распространения остается лежащим в некоторой неизменной в пространстве плоскости. Эту плоскость принято называть плоскостью поляризации света. А указания ориентации в пространстве этой пло¬скости достаточно для описания линейной поляризации света. Поскольку в плоскости поляризации лежит и на¬правление распространения волны, то для задания ли¬нейной поляризации достаточно одного параметра, а именно угла (р, определяющего ориентацию этой пло¬скости в пространстве (ее вращения вокруг направления распространения волны, см. рис. 1).

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