Жидкие кристаллы

Сдавался/использовался	1. МГТУ им.Баумана, каф. Химии, 1998
	Загрузить архив:
	Файл: 240-1249.zip (46kb [zip], Скачиваний: 226) скачать

   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 кристаллотличается 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 фазанаблюдается 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.jkbkчасто 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 может быть у одного и того же соединения несколько. Но сначала для того, что­бы не осложнять знакомство с жидкокристаллической фазой несущественными здесь подробностями, рассмот­рим наиболее простую ситуацию, когда соединение обла­дает одной жидкокристаллической фазой. В этом случае процесс плавления кристалла идет в .две стадии) Сначала при повышении температуры кристалл испытывает «пер­вое плавление», переходя в мутный расплав. Затем при дальнейшем нагреведо вполне определенной темпе­ратуры происходит «просветление» расплава. «Просвет­ленный расплав» обладает всеми свойствами жидкостей. Мутный расплав, который и представляет собой жидко' кристаллическую фазу, по своим свойствам существенно отличается от жидкостей, хотя обладает наиболее харак­терным свойством жидкости — текучестью. Наиболее рез­кое отличие жидкокристаллической фазы от жидкости проявляется в оптических свойствах. Жидкий кристалл, обладая текучестью жидкости, проявляет оптические свойства всем нам знакомых обычных кристаллов) -Кем— oiwpoJSyflef^icHO, наблюдаемая на.опыте мутность рас­плава как uaa'nявляется результатом такого удивитель­ного сочетания свойств жидкости и кристалла.^

При понижении температуры все превращения про­исходят в обратном порядке и точно при тех же темпе­ратурах, т. е. последовательность фаз такова: прозрач­ный расплав-смутный расплав-^кристалл или в принятых сокращениях ИЖ-^НЖК-^ТК. " Если все описанные превращения наблюдаются, на­пример, для соединения п—метонсйбензилиден—п'—бу-тиланилин или, как принято сокращенно называть это соединение, МББА, то наблюдаемая жидкокристалличе­ская фаза называется нематической или просто немати-KOMj Смена же фазовых состояний характеризуется сле­дующими температурами. Температура первого плавле­ния Гя,=21°С. Ниже ТдМББА находится в обычном кри­сталлическом состоянии. От Т^ до температуры просвет­ления 7^==41°С МББА обладает нематической жидко­кристаллической фазой, и выше Тм — обычная (изотроп­ная) жидкость. Интервал температур от Гд, до tn для различных веществ может быть от единиц до сотни гра дусов. Типичное же значение этого интервала — порядка нескольких десятков градусов.

Для того чтобы разобраться, как устроена жидкокри­сталлическая фаза и чем она отличается от обычной жид­кости или, как мы иногда будем дальше говорить, от изотропной жидкости *, нужно обратить внимание на фор­му молекул соединения, образующего жидкокристалли­ческую фазу.

^ Чтобы схематично представить себе устройство нематика,  удобно образующие его молекулы представить в виде палочек. Для такой идеализации есть физические основания. Молекулы, образующие жидкие кристаллы, как уже говорилось, представляют собой типичные для многих органических веществ образования со сравни­тельно большим молекулярным весом, протяженности которых в одном направлении в 2—3 раза больше, чем в поперечном. Структура молекулы типичного нематика приведена на рис. 3. Можно считать, что направление введенных нами палочек совпадает с длинными осями мо­лекул. При введенной нами идеализации структуру нема­тика следует представлять как «жидкость одинаково ори­ентированных палочек». Это означает, что центры тяже­сти палочек расположены и движутся хаотически, как в жидкости, а ориентация при этом остается у всех палочекодинаковой и неизменной (см. рис. 4).

Напомним, что в обычной жидкости не только центры тяжести молекул движутся хаотически, но и ориентации выделенных направлений молекул совершенно случайны

и не скоррелированны между собой. А в качестве выде­ленных направлений в молекуле могут выступать различ­ные величины, например, электрический дипольный мо­мент, магнитный момент или, как в рассматриваемом на­ми случае, анизотропия формы, характеризуемая выде­ленными направлениями или, как говорят, осями. В свя­зи с описанным полным хаосом в жидкости жидкость (даже состоящая из анизотропных молекул) изотропна, т. е. ее свойства не зависят от направления.

На самом деле, конечно, молекулы нематика подвер­жены не только случайному поступательному движению, но и ориентация их осей испытывает отклонения от на­правления, определяющего ориентацию палочек в рас­сматриваемой нами жидкости. Поэтому направления па­лочек задают преимущественную, усредненную ориента­цию, и реально молекулы совершают хаотические ориентационныеколебания вокруг этого направления усред­ненной ориентации. Амплитуда соответствующих ориен-тационных колебаний молекул зависит от близости жид­кого кристалла к точке фазового перехода в обычную жидкость tn,возрастая по мере приближения темпера­туры нематика к температуре фазового перехода. В точ­ке фазового перехода ориентационное упорядочение мо­лекул полностью исчезает и ориентационные движения молекул так же, как и трансляционные, оказываются пол­ностью хаотическими.

В связи с описанной картиной поведения нематика его принято описывать следующим образом. Для характери­стики ориентационного порядка вводится вектор единич­ной длины ñ, называемый директором, направление которого  совпадает с направлением введенных выше палочек.Таким образом, директор задает выделенное, пре­имущественное, направление ориентации молекул в хо­лестерине. Кроме того, вводится еще ОДНА величина, па­раметр порядка, который характеризует, насколько вели­ка степень ориентационного упорядочения молекул или, что то же самое, насколько мала разупорядоченность ориентаций молекул. Параметр порядка определяется следующим образом:

S=^«cos»e>-73),             (1) где в—угол между направлениями директора и мгно-

                     венным направлением длинной оси молекул, a •

                       обозначает среднее по времени значении cos'@.

Из формулы (1) ясно, что параметр 5 может принимать значения от 0 до 1. Значение -S==1 соответствует полному ориентационномупорядку. Причем .S==1 достигается, как не­трудно понять, если значение в не изменяется во времени и равно 0, т. е. если направление длинных осей моле­кул строго совпадает с направлением директора. =='/3. Значение S==0, таким образом, соответствует уже нематику, перешедшему в изотропную жидкость.

В нематической же фазе значение параметра порядка S^>0, минимально непосредственно при температуре пе­рехода Т 14 из изотропной жидкости в нематическую фазу и возрастает по мере понижения температуры ниже tn' В целом же при изменении температуры происходит сме­на следующих фазовых состояний. При температуре ни­же точки перехода нематика в обыкновенный кристалл или, как ее называют, температуре плавления Тщ — кри­сталлическое состояние. В интервале температур от Т м, до tn—нематический жидкийкристалл. Выше tin— обычная жидкость.

Пока что речь шла об однодоменном состоянии нема-тического образца, в котором ориентация директора одинакова во всех его точках, как изображено на рис. 4. В таком однодоменном образце нематика наиболее ярко проявляются его свойства, типичные для твердых кри­сталлов, в частности, двупреломление света. Последнее означает, что показатели преломления для света, плос­кость поляризации которого перпендикулярна директору и плоскость поляризации которого содержит директор, указываются различными. Однако для того чтобы полу­нить однодоменный образец нематика, как, впрочем, и любых других разновидностей жидких кристаллов, необ ходимо принятие специальных мер, о которых будет рас­сказано ниже.

Если же не приняты специальные предосторожности, то жидкокристаллический образец представляет собой совокупность хаотическим образом ориентированных ма­лых однодоменных областей. Именно с такими образца­ми, как правило, имели дело первые исследователи жид­ких кристаллов, и мутный расплав, возникавший после первого плавления МББА, о котором говорилось выше, и был образцом такого вида. На границах раздела различ­ным образом ориентированных однодоменных областей в таких образцах происходит, как говорят, нарушение оп­тической однородности или, что то же самое, скачок значения показателя преломления. Это непосредственно следует из сказанного выше о двупреломлении однодо­менного нематического образца и просто соответствует тому, что для света, пересекающего границу раздела двух областей с различной ориентацией директора, по­казатели преломления этих областей различны, т. е. по­казатель преломления испытывает скачок. А как хо­рошо известно, на границе раздела двух областей с различными показателями преломления свет испы­тывает отражение. С таким отражением каждый знаком на примере оконных стекол. Так же, как и в случае с оконным стеклом, на одной границе раздела (одном скачке оптической однородности) отражение света в нематикеможет быть невелико, но если таких границ много (в образце много неупорядоченных однодоменных об­ластей), такие нерегулярные нарушения оптической од­нородности приводят к сильному рассеянию света. Вот почему нематики, если не принять специальных мер, сильно рассеивают свет. После первого плавления при температуре Тд, возникает мутный расплав.

Пока что речь шла о том, как выглядит нематик в не­поляризованном свете. Очень интересную и своеобраз­ную картину представляет нематик, если его рассматри­вать в поляризованном свете и анализировать поляриза­цию прошедшего через него света (см. рис. 5). На рис. 5 представлена схема такого опыта. Поляризатор Pi ли­нейно поляризует свет от источника света, а поляриза­тор Pi пропускает только определенным образом линей­но поляризованный свет, прошедший через нематический образец А. Картина, которую увидит наблюдатель в све­те, прошедшем через поляризатор, представляет собой

причудливую совокупность пересекающихся линий. Эти линии или, как их называют, нити и представляют собой изображение границ раздела между однодоменными об­ластями. А почему эти границы можно видеть или, как говорят, визуализовать, в поляризованном свете будет понятно из дальнейшего.

Наблюдениям этих нитей первыми исследователями нематик и обязан своему названию. Нема —это по гречески нить. Отсюда и название—нематический жидкий кристалл или нематик. Здесь же надо сказать, что реально наблюдения описанной картины нематика в связи с малостью размеров областей с одинаковой ори­ентацией директора осуществляются с помощью поляри­зационного микроскопа.

Упругость жидкого кристалла. Выше в основном го­ворилось о наблюдениях, связанных с проявлением не­обычных оптических свойств жидких кристаллов. Первым исследователям бросались в глаза, естественно, свойства, наиболее доступные наблюдению. А такими свойствами как раз и были оптические свойства. Техника оптическо­го эксперимента уже в девятнадцатом веке достигла вы­сокого уровня, а, например, микроскоп, даже поляриза­ционный, т. е. позволявший освещать объект исследова­ния поляризованным светом и анализировать поляриза­цию прошедшего света, был вполне доступным прибо­ром для многих лабораторий.

Оптические наблюдения дали значительное количест­во фактов о свойствах жидкокристаллической фазы, ко­торые необходимо было понять и описать. Одним из первых достижений в описании свойств жидких кристал­лов, как уже упоминалось во введении, было создание теории упругости жидких кристаллов. В современной форме она была в основном сформулирована английским ученым Ф. Франком в пятидесятые годы.

Постараемся проследить за ходом мысли и аргумен­тами создателей теории упругости ЖК. Рассуждения бы­ли (или могли быть) приблизительно такими. Установле­но, что в жидком кристалле, конкретно нематике, сущест­вует корреляция (выстраивание) направлений ориента­ции длинных осей молекул. Это должно означать, что ес­ли по какой-то причине произошло небольшое наруше­ние в согласованной ориентации молекул в соседних точ­ках нематика, то возникнут силы, которые будут старать­ся восстановить порядок, т. е. согласованную ориента цию молекул. Конечно, исходной, микроскопической, причиной таких возвращающих сил является взаимодей­ствие между собой отдельных молекул. Однако надеять­ся на быстрый успех, стартуя от взаимодействия между собой отдельных молекул, да еще таких сложных, как в жидких кристаллах, было трудно. Поэтому создание тео­рии пошло по феноменологическому пути, в рамках ко­торого вводятся некоторые параметры (феноменологи­ческие), значение которых соответствующая теория не берется определить, а оставляет их неизвестными или из­влекает их значения из сравнения с экспериментом. При этом теория не рассматривает молекулярные аспекты строения жидких кристаллов, а описывает их как сплош­ную среду, обладающую упругими свойствами.

Для кристаллов существует хорошо развитая теория упругости. Еще в школе учат тому, что деформация твер­дого тела прямо пропорциональна приложенной силе и обратно пропорциональна модулю упругости К. Возника­ет мысль, если оптические свойства жидких кристаллов подобны свойствам обычных кристаллов, то, может быть, жидкий кристалл, подобно обычному кристаллу, облада­ет и упругими свойствами. Может показаться на первый взгляд, что эта мысль совсем уж тривиальна. Однако не торопитесь с суждениями. Вспомните, что жидкий кри­сталл течет, как обычная жидкость. А жидкость не прояв­ляет свойств упругости, за исключением упругости по от­ношению к всестороннему сжатию, и поэтому для нее модуль упругости по отношению к обычным деформаци­ям строго равен нулю. Казалось бы, налицо парадокс. Но его разрешение в том, что жидкий кристалл — это не обычная, а анизотропная жидкость, т. е. жидкость, «.свойствакоторой различны в различных направлениях.

Таким образом, построение теории упругости для жидких кристаллов было не таким уж простым делом и нельзя было теорию, развитую для кристаллов, непо­средственно применить к жидким кристаллам. Во-первых, Существенно, что, когда говорят о деформации в жидких кристаллах, то имеют в виду отклонения направления ди­ректора от равновесного направления. Для нематика, на­пример, это означает, что речь идет об изменении от Точки к точке в образце под влиянием внешнего воздей­ствия ориентации директора, который в равновесной си­туации, т. е. в отсутствии воздействия, во всем образце ориентирован одинаково. В обычной же теории упруго сти деформации описывают смещение отдельных точек твердого тела относительно друг друга под влиянием приложенного воздействия. Таким образом, деформа­ции в жидком кристалле — это совсем не те привычные всем деформации, о которых говорят в случае твердого тела. Кроме того, упругие свойства жидкого кристалла в общем случае следует рассматривать, учитывая его тече­ние, что также вносит новый элемент и тем самым услож­няет рассмотрение по сравнению с обычной теорией уп­ругости. Поэтому здесь ограничимся рассказом об упру­гости жидких кристаллов в отсутствие течений.

Оказывается, любую деформацию в жидком кристал­ле можно представить как одну из трех допустимых в ЖК видов изгибных деформаций либо как комбинацию этих трех видов деформации. Такими главными деформа­циями являются поперечный изгиб, кручение и продоль­ный изгиб. Рис. 6, иллюстрирующий названные виды де­формаций, делает понятным происхождение их названий.

В поперечном изгибе меняется от точки к точке вдоль оси образца на рис. 6, а направление, перпендикулярное (по­перечное) директору, в продольном изгибе — ориента­ция директора, а в кручении происходит поворот дирек­тора вокруг оси изображенного на рис. 6, б образца.

Коэффициенты пропорциональности между упругой энергией жидкого кристалла и деформациями изгибов называют упругими модулями. Таких упругих модулей в жидких кристаллах по числу деформаций три —K1, К2 и Кз. Численные значения этих модулей несколько отлича­ются друг от друга. Так, модуль продольного изгиба Кз обычно оказывается больше двух других модулей. Наименьшую упругость жидкий кристалл проявляет по отношению к кручению, т. е. модуль Кг, как правило, меньше остальных.

Такой результат качественно можно понять, вспоми­ная обсуждавшуюся выше модель нематика как жидко­сти ориентированных палочек. Действительно, чтобы осуществить продольный изгиб, надо прикладывать уси­лия, которые стремятся изогнуть эти палочки (а они жест­кие)). В деформации же кручения, например, происходит просто поворот палочек-молекул относительно друг дру­га, при этом не возникает усилий, связанных с деформа­цией отдельной палочки-молекулы.

Поэтому и оказывается, что упругость по отношению к продольному изгибу (модуль Кз), больше упругости по отношению к кручению (модуль К2). Модуль же К) име­ет промежуточную между К2 и Кз величину.

Чтобы сравнить упругость жидкого кристалла с упру­гостью обычного кристалла, надо сравнить их упругие энергии, приходящиеся на единицу объема. При этом можно для качественной оценки пренебречь различием модулей поперечного, продольного изгиба и кручения и, вычисляя упругую энергию жидкого кристалла, исполь­зовать их среднее значение. Сравнение показывает, что упругая энергия твердого тела в типичной ситуации ока­зывается по меньшей мере на десять порядков больше упругой энергии жидкого кристалла)))

Таким образом, теория упругости жидких кристаллов, описывающая их как сплошную среду, т. е. претендую­щая только на описание свойств ЖК, усредненных по расстояниям больше межмолекулярных, приводит к вы­воду, что минимальная энергия жидкого кристалла соот­ветствует отсутствию деформаций в нем. Для нематика таким состоянием с минимальной энергией или, как гово­рят, основным состоянием является конфигурация с одинаковой ориентацией директора во всем объеме об­разца. Любое отклонение распределения направлений директора от однородного (т. е. постоянного во всем объеме) связано с наличием в нематике дополнительной упругой энергии, т. е. может быть реализовано только за счет приложения внешних воздействий, например, свя­занных с поверхностями образца, внешними электриче­скими и магнитными полями и т. д. В отсутствие этих воз­действий или при снятии их нематик стремится возвра­титься в состояние с однородной ориентацией дирек­тора.

Континуальная теория применима для описания и других типов жидких кристаллов. Для них, однако, тре­буются определенные модификации теории. Но об этом речь пойдет дальше.

Гидродинамика ЖК.Только что мы познакомились с упругими свойствами жидкого кристалла, сближающими его с твердыми телами. При этом обнаружились сущест­венные отличия его упругих свойств от свойств кристал­ла как в качественном, так и количественном отношении. Теперь познакомимся детально со свойством жидкого кристалла, типичным для жидкости, — текучестью, изуче­нием которой занимается наука гидродинамика.

Сразу следует сказать, что несмотря на солидный воз­раст гидродинамики, одной из древнейших научных ди­сциплин, и большие достижения, в этой науке сущест­вуют проблемы, не решенные до сих пор. К их числу относится проблема турбулентного, т. е. сопровождаю­щегося нерегулярными вихрями, как в бурном потоке, течения жидкости. Эта проблема, находящаяся, кстати сказать, сейчас в центре внимания специалистов, не ре­шена еще для самых обычных жидкостей, таких, как во­да. А о полном описании турбулентного течения таких сложных сред, как жидкие кристаллы, пока что не идет и речи. Поэтому, говоря здесь о текучести жидких кристал­лов, мы будем иметь в виду их спокойное течение, в которомнет нерегулярных вихрей, или, как принято назы­вать его, «ламинарное течение».

Ламинарное течение обычных жидкостей хорошо изу­чено. Основной характеристикой, определяющей тече­ние в этих условиях, является вязкость, свойство жидко стей, всем хорошо известное на практике. Так, каждый, не задумываясь, скажет, что у воды вязкость небольшая, у смазочных масел гораздо больше, а у смолы—очень большая.

Вязкость характеризуется количественно коэффици­ентом вязкости ò, который показывает, как сильно тре­ние между соседними слоями текущей жидкости и на­сколько интенсивно передается движение жидкости от одной ее точки к другой (см. рис. 7). Именно из-за вяз­кости при течении жидкости по трубе ее скорость непо­средственно на стенках трубы равна нулю, а в сечении трубы не постоянна, а возрастает по мере удаления от стенок, достигая максимума в центре.

Типичными задачами в течении жидкостей являются течение жидкости по трубе (например, нефтепродуктов в трубопроводе) и движение тела (например, шарика под действием силы тяжести) в жидкости. Понятно, что оба эти примера имеют непосредственное отношение к прак­тическим задачам. Гидродинамика давно уже дала точ­ное описание таких течений и, зная вязкость жидкости и давление, создаваемое насосными станциями, можно аб­солютно точно рассчитать поток нефти в трубопроводе или скорость движения тела в жидкости. Для нас здесь важно то, что именно в таких условиях выполняют изме­рение вязкости жидкостей. В соответствующих экспери­ментах трубу заменяют капилляром, а движущееся тело шариком, падающим под действием силы тяжести в жидкости.

Течение жидкости в капилляре описывается законом Пуазейля, названным так в честь французского ученого, открывшего эту закономерность. В соответствии с этим законом количество жидкости, протекающей через трубу (капилляр), прямо пропорционально разности давлений на концах трубы, второй степени площади сечения трубы и обратно пропорционально коэффициенту вязкости. Скорость движения шарика в жидкости описывается законом Стокса, названного так по имени английского фи­зика девятнадцатого века, современника Пуазейля. Эта закономерность гласит, что скорость движения шарика в жидкости прямо пропорциональна приложенной к нему силе и обратно пропорциональна радиусу шарика и вяз­кости жидкости.

Обратим здесь внимание читателя на то, что в де­вятнадцатом веке и ранее было часто принято многим установленным учеными соотношениям, даже не очень важным, давать громкое имя «закон». В результате этой традиции появились приведенные выше термины — за­кон Пуазейля, закон Стокса и многие другие законы. Это не должно смущать читателя и вводить его в заблужде­ние при оценке значимости названных соотношений по сравнению со знакомыми ему со школьной скамьи фун­даментальными законами, например, законами механи­ки Ньютона или законами электромагнетизма Фарадея. Конечно, значимость соотношений, найденных Пуазей-лем и Стоксом, несравнима со значимостью фундамен­тальных законов Природы, а установившаяся здесь тер­минология—это просто дань времени. По современной практике вместо слова «закон» следовало бы употребить термин «формула», т. е. формула Пуазейля, формула Стокса.

Названные закономерности, как будем их называть, после сделанного отступления прекрасно зарекомендо­вали себя при определении вязкости жидкостей. В част­ности, экспериментально была подтверждена их справед­ливость и показано, что значение коэффициента вязко­сти ò не зависит от скорости течения жидкости (скорости шарика), пока выполняются условия ламинарного тече­ния.

Приступая к изучению гидродинамики жидких кри­сталлов, исследователи начали с того, что просто приме­нили описанные методы измерения вязкости к жидким кристаллам. Такой подход ничего хорошего не дал. Ре­зультаты измерений вязкости не воспроизводились и за­висели, казалось бы, от случайных причин, таких, как предыстория образца, способа изготовления капилляров, применяемых в измерениях. Более того, некоторые из­мерения показывали зависимость коэффициента вязко­сти от скорости течения жидкого кристалла. Эти первые результаты показали, что гидродинамика жидких кристал­лов гораздо сложней и интересней, чем гидродинамика обычных жидкостей. И конечно, надо сказать, что иссле­дователи, начиная изучать гидродинамику жидких кри­сталлов, надеялись обнаружить новые, не известные для обычных жидкостей свойства и были бы разочарованы, если бы течение жидких кристаллов описывалось просты­ми формулами Пуазейля и Стокса.

В чем же дело? Почему течение нематика оказыва­ется более сложным, чем течение обычной жидкости?

Дело в том, что течение жидкости   вызывает переориентацию длинных осей молекул. А на введенном выше языке описания жидкого кристалла как сплошной среды с помощью задания в каждой его точке направле­ния директора означает, что течение нематика, с одной стороны, может приводить к переориентации директора, а с другой, к тому, что характеристики течения оказыва­ются различными при различной ориентации директора по отношению к направлению скорости течения жидко­сти. Эти результаты легко понять и на молекулярном уровне. При течении жидкости молекул-палочек по ка­пиллярам, особенно узким, течение будет выстраивать палочки-молекулы вдоль оси капилляра. Если каким-ли­бо' образом заставлять оставаться ориентацию палочек неизменной, то легко сообразить, что течение жидкости • случае ориентации палочек поперек капилляра будет затруднено по сравнению с течением при их ориентации вдоль капилляра.

Эти интуитивные представления, которые мы черпаем из повседневного опыта, полностью подтверждаются на эксперименте. Еще в начале 40-х годов В. Н. Цветков исследовал зависимость скорости протекания нематика через капилляры от ориентации директора. При ориента­ции директора поперек капилляра скорость протекания жидкого кристалла через капилляр оказалась существен­но меньше, чем при ориентации директора вдоль оси ка­пилляра. Ориентация директора поперек оси капилляра осуществлялась с помощью прикладываемого перпенди­кулярно капилляру магнитного поля (о том, почему поле ориентирует нематик, речь еще впереди). Результат опы­та, интерпретация которого проводилась с помощью фор­мулы Пуазейля, показал, что при включенном магнитном поле наблюдаемая вязкость почти в 2 раза больше, чем в отсутствии магнитного поля.

Таким образом, опыт показал, что для жидких кри­сталлов надо разрабатывать свою, более сложную и общую, чем для обычных жидкостей, теорию текучести. Такая теория разрабатывается усилиями многих исследо­вателей. И оказалась она гораздо более сложной, чем обычная гидродинамика. Достаточно сказать, что в об­щем случае жидкий кристалл описывается восьмью коэф­фициентами вязкости. И даже упрощенный вариант этой теории, пренебрегающий сжимаемостью жидких кри­сталлов, содержит пять коэффициентов вязкости. Это оп­ределяет как трудности теоретического описания тече­ния жидких кристаллов, так и постановку экспериментов, допускающих однозначную интерпретацию результатов. Здесь надо добавить, что в экспериментальном отноше­нии дополнительные трудности связаны с тем, что в процессе течений в жидком кристалле могут возникать дефекты в ориентации директора. Дефектами называют точки или линии в нематике, на которых ориентация ди­ректора не определена. Поведение течений при наличии таких дефектов особенно сложно, и, в частности, упоми­навшуюся выше зависимость вязкости нематика от скоро­сти течения связывают с возникновением при возрастании скорости именно таких дефектов,

Таким образом, можно констатировать, что течение жидких кристаллов—это весьма сложный процесс, а ис­следования гидродинамики ЖК находятся в начале свое­го пути. Облегчает исследование гидродинамики жидких кристаллов их двулучепреломление, оно позволяет визу-ализировать наведенные течением жидкого кристалла, из­менения ориентации директора и, наоборот, по измене­нию двупреломления, т. е. оптических свойств нематика, судить о скоростях и изменении скоростей в потоке. Электрические свойства. Забегая вперед, скажем, что большинство применений жидких кристаллов связано с управлением их свойствами путем приложения к ним ! электрических воздействий. Податливость и «мягкость» жидких кристаллов по отношению к внешним воздейст­виям делают их исключительно перспективными матери­алами для применения в устройствах микроэлектроники, для которых характерны небольшие электрические на­пряжения, малые потребляемые мощности и малые га­бариты. Поэтому для обеспечения оптимального режима функционирования ЖК элемента в каком-либо устройст­ве важно хорошо изучить электрические характеристики жидких кристаллов. Начнем описание электрических свойств с электро проводности жидких кристаллов. Электропроводность — это величина, характеризующая количественно способ­ность вещества проводить ток. Она является коэффици­ентом пропорциональности в формуле l==oU, устанав­ливающей связь между током / и приложенным напря­жением U. Поскольку проводимость о — характеристика вещества, то ее значение всегда приводится для единич­ного объема вещества с единичным сечением поверхно­стей. Такой «объемчик» можно представить себе в виде кубика или цилиндра. Напряжение прикладывается к про­тивоположным граням куба или сечениям цилиндра, а ток в приведенной формуле—это суммарный ток через грани куба, к которым приложено напряжение, или че­рез сечение цилиндра. Вспомнив курс школьной физики, читатель скажет, что проводимость — это величина, об­ратная удельному сопротивлению (строго говоря, введен­ную нами величину следует также называть удельной проводимостью, но слово «удельная» обычно опускают). Совершенно правильно] Более того, проводимость изме­ряется в тех же, что и сопротивление, единицах — в омах, точнее, обратных омах. Для объема ЖК в один кубиче­ский сантиметр ее типичное значение ^0~"—