Жидкие кристаллы

Жидкие кристаллы. Таким образом, жидкость имеет определенную структуру, хотя и не так ярко выраженную, как кристаллическая структура твердого тела. Однако возможны случаи, когда жидкость имеет еще более ярко выраженную структуру, чем просто наличие структуры ближнего порядка. Оказывается, для многих веществ, особенно для органических материалов, вообще нельзя говорить о переходе из твердого состояния в жидкое как об одном переходе. У них переход из твердого состояния в жидкое состоит из последовательности переходов, при каждом из которых изменяются состояние и строение вещества, и нельзя сказать, что оно находится либо в жидком, либо в твёрдом состоянии. Механические свойства и структура веществ в этих промежуточных состоянияхявляются промежуточными между жидким и кристаллическим состояниями. Вещество в таких промежуточных состояниях называется жидким кристаллом.

Виды жидких кристаллов. Особенностью жидкостей является отсутствие какого-либо пространственного упорядочения и изотропия их свойств. Наиболее существенной чертой кристаллической структуры твердых тел является наличие трехмерного упорядочения. Жидкие кристаллы проявляют упорядоченность, которая является промежуточной между упорядоченностью жидкости и твердых тел, приводящей к соответствующей анизотропии их свойств. В соответствии с этим жидкие кристаллы делятся на две группы. Первая группа жидких кристаллов, называемых смектиками, характеризуется одномерной пространственной упорядоченностью. Жидкость представляется состоящей из параллельных жидких слоев, регулярно следующих друг за другом и отличающихся друг от друга упорядоченностью структуры. Вторая группа жидких кристаллов, называемых нематиками, не имеет пространственной упорядоченности, а характеризуется ориентационной упорядоченностью их молекул. Они сильно вытянуты, и ориентационная упорядоченность возникает из-за преимущественной ориентации этих длинных молекул. У смектиков молекулы также сильно вытянуты. Поэтому можно сказать, что особенностью жидких кристаллов с молекулярной точки;зрения является вытянутая структура их молекул, приводящая к анизотропии свойств.

Смектики. Смектики делятся на три типа. Обозначим их А, В, С. У смектиков типов А и С слои жидкости ведут себя как двумерная жидкость, центры масс молекул которой в слое описываются бинарной функцией распределения. У смектиков типа В слои жидкости по своим свойствам ближе к двумерному твердому телу. В пределах слоев имеются периодичность и жесткость, характерные для твердого тела. Благодаря этому, в частности, наблюдается дифракция рентгеновских лучей на твердотельной упорядоченности внутри каждого слоя. В отличие от смектиков типов А и С, у которых слои, как правило, искривлены, слои смектиков типа В являются плоскими.

Толщина слоев смектика типа А близка к длине молекул, направленных в среднем перпендикулярно поверхности раздела между слоями (рис. 16).

рис. 6.16

Локальные свойства системы слоев аксиально-симметричны относительно оси вращения, перпен­дикулярной поверхности раздела между слоями, причем оба направления вдоль перпендикуляра эквивалентны. Отсюда следует, что в оптическом отношении смектики типа А проявляют свойства одноосного кристалла.

Толщина слоев смектика типа С меньше длины молекул, и естественным является предположение, что молекулы у него направлены под углом к поверхности раздела (рис. 17). Благодаря этому локальные свойства не являются аксиально-симметричными относительно оси, перпендикулярной поверхности раздела.

рис. 6.17 рис. 6.18

Смектики типа С обладают типичными свойствами двуосных кристаллов. Если длинные молекулы, образующие смектик типа С, оптически активны, причем правые и левые формы молекул присутствуют не в одинаковом количестве, то его структура усложняется. В этом случае при переходе от слоя к слою направление наклона осей молекулы прецессирует вокруг перпендикуляра к поверхности разде­ла между слоями (рис. 18).

Кроме смектиков типов А, В и С существуют также смектики других типов (Н, D, Е,...), которые здесь не рассматриваются.

Нематики. Они не обладают пространственной упорядоченностью. Анизотропия их свойств возникает из-за ориентационной упорядоченности их длинных молекул (рис. 6.19) а дальний порядок в расположении центров масс молекул отсутствует, как это характерно для бинарной функции распределения жидкости.

рис. 6.19

Выделенным направлением служит линия ориентации молекул нематика. Эта линия является осью симметрии свойств нематика, причем оба направления вдоль линии являются эквивалентными. Если молекулы обладают дипольным моментом, то ориентация диполей в обоих направлениях равновероятна: дипольные моменты одной половины молекул ориентированы в одном направлении, а у другой половины - в противоположном. Поэтому в оптическом отношении нематик является одноосным кристаллом, причем оптическая ось совпадает с выделенным направлением. Нематики встречаются лишь среди ве­ществ, у которых правые и левые формы молекул совпадают. Если они различны, то присутствуют в одинаковом количестве (рацемическая система).

Холестерики. Если в нематике создать избыток правых или левых молекул, то структура нематической фазы искажается, а именно появляется спиральное искажение. Оно наблюдается, в частности, у чистого эфира холестерина. Поэтому возникающая при этом спиральная фаза называется холестерической. Распределение центров масс молекул при этом, так же как и в нематической фазе, не обнаруживает дальнего порядка, а локальные свойства в каждой области характеризуются направлением ориентации молекул в ней. Однако в отличие от нематиков при переходе от одной области к другой направление преимущественного ориентирования молекул изменяется, в результате че­го возникает спиральная структура (рис. 6.20).

Спирали могут быть как правого, так и левого вращения в за­висимости от того, какие молекулы присутствуют в избытке. Ясно, что холестерики могут существовать лишь у веществ, правые и левые формы молекул которых различны и присутствуют в разных пропорциях (нерацемические системы).

рис. 6.20

Свойства и применение жидких кристаллов. Жидкие кристаллы обладают очень важными оптическими свойствами, которые обеспечили их многочисленное применение и большой интерес к их изучению. Как нематики, так и смектики типа А являются одноосными кристаллами, свойства которых легко и в широких пределах изменяются внешними воздействиями. Это открывает широкие возможности управления световыми потоками с помощью жидких кристаллов.

Холестерики вследствие спиральной периодичности их структуры проявляют дифракционные свойства в видимой части спектра. Поскольку шаг спирали изменяется под влиянием внешних воздействий, например температуры, то с помощью этих внешних воздействий также можно управлять световым потоком.

На свойства жидких кристаллов большое влияние оказывают электрические и магнитные поля. Изучение этих влияний является в настоящее время предметом интенсивных научных исследований, а получаемые результаты используются в практике. Широко известны цифровые указатели на жидких кристаллах, дисплеи. Разработан метод визуализации изображений в ультрафиолетовом излучении. Большими преимуществами жидкокристаллических пленок являются их сравнительная дешевизна и малая величина используемых мощностей и электрических напряжений.