Жидкие кристаллы

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.jkbk часто 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 нагреве до 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'n является 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 палочек одинаковой 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 ориентационные

колебания 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 с, 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 ориентационному порядку. 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 жидкий

кристалл. 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

нематике может 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, «.свойства которой 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.

Страницы: 1, 2, 3, 4