Некоторые физические свойства жк

Особенности структуры ЖК определяют необычность их физических свойств. По плотности ЖК ближе к плотности воды. Вязкость нематиков меньше вязкости воды, а смектиков — сравнительна с вязкостью масла. Коэффициент поверхностного натяжения при переходе из мезофазы в изотропную жидкость переносит скачкообразное изменение.

Переход ЖК в изотропную жидкость (как и переход твердого кристалла в ЖК) сопровождается скрытой теплотой преобразования. Удельный объем при фазовых преобразованиях изменяется прерывисто. Теплопроводность ЖК характеризуется точно определенной анизотропией. ЖК по-разному проводят теплоту в зависимости от того, распространяется тепловой поток вдоль молекул или поперек.

Все ЖК являются диамагнитными материалами. Магнитная восприимчивость анизотропна. Она максимальна вдоль длинной оси молекулы и минимальна поперек этой оси. Потому молекулы ЖК в магнитном поле всегда ориентируются вдоль его силовых линий.

ЖК являются диэлектриками, их среднее удельное сопротивление меняется в пределах от 10¹⁰ до 10¹⁴ Ом·м. Величина диэлектрической проницаемости ЖК определяется величиной и направлением дипольного момента молекул. В одном и том же ЖК диэлектрическая проницаемость разная в разных направлениях (диэлектрическая анизотропия). Направления наибольшего и наименьшего значения , как правило, совпадают с длинными осями молекул или перпендикулярны им. Диэлектрическая проницаемость, измеренная вдоль осей молекул, обозначается , а поперек осей — . Величины и зависят от структуры молекул, которые составляют ЖК. Если молекулы ЖК имеют максимальный электрический заряд на концах, то наибольшую величину имеет и наименьшую — . Если же максимальный электрический заряд находится около середины молекулы, то имеет минимальное, а максимальное значение.

Величину называют диэлектрической анизотропией ЖК. В зависимости от знака ЖК делят на две группы: кристаллы с положительной диэлектрической анизотропией и кристаллы с отрицательной диэлектрической анизотропией. Понятия диэлектрической проницаемости и диэлектрической анизотропии очень важны для ЖК, потому что эти величины характеризуют взаимодействие ЖК с электрическими полями. Жидкий монокристалл в электрическом поле ориентируется таким образом, чтобы направление максимальной диэлектрической проницаемости в нем совпадало с вектором напряженности электрического поля Е.

Электропроводимость ЖК тоже анизотропная. Для нематиков проводимость вдоль длинных осей молекул всегда больше, чем проводимость поперек осей , это значит для нематиков . В смектических ЖК ионам легче двигаться вдоль слоев, т. е. перпендикулярно длинным осям молекул, и тяжелей — поперек слоев. Поэтому смектики обладают отрицательной анизотропией электропроводимости ( ).

Анизотропия электропроводности в достаточно сильном электрическом поле также оказывает действие на ориентацию молекул. По той же причине молекулы нематического ЖК ориентируются длинными осями вдоль вектора Е. На ориентацию молекул ЖК в электрическом поле оказывают влияние и другие их свойства.

Наличие в ЖК, а также и в некоторых твердых кристаллах, которые состоят, например, из продолговатых молекул, определенного направления придает им особенные свойства с точки зрения оптики. Это направление называют оптической осью. Надо заметить, что некоторые твердые и жидкие кристаллы, которые отличаются более сложным строением, имеют не одну, а две оптические оси. Твердые кристаллы кубической симметрии оптическими осями не владеют.

В кристаллах с оптическими осями скорость света зависит от направления ее распространения относительно оптической оси. В одноосном кристалле один из лучей испытывает такое же самое преломление, что и луч света на границе раздела двух изотропных сред. Для него показатель преломления не зависит от направления распространения света в кристалле. Он называется обыкновенным лучом. В двуосном кристалле оба луча необыкновенные (коэффициент преломления не зависит от направления распространения света). Таким образом, как некоторые твердые, так и жидкие кристаллы обладают двойным лучепреломлением, которое характеризуется разностью показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей . Кристалл считается оптически положительным, если , и оптически отрицательным, если . Из твердых кристаллов оптически положительным является кварц, а оптически отрицательным — исландский шпат. Нематические и смектические ЖК являются оптически положительными, а холестерические — оптически отрицательными.

Многие ЖК полиахроические, т. е. неодинаково поглощают свет разной длины волны. Это ведет к тому, что при пропускании через них белого света они выглядят окрашенными. Коэффициент поглощения зависит также от ориентации плоскости поляризации падающего света относительно оптической оси. ЖК сильно рассеивают свет; слой толщиной в несколько миллиметров уже совсем непрозрачный.

Во всех ЖК холестерического типа наблюдается вращение плоскости поляризации, значит, они оптически активные. Удельное вращение плоскости поляризации (угол вращения, который приходится на единицу толщины слоя вещества) превышает соответствующую величину для кварца в 10 000 раз. Кроме того, угол поворота зависит от длины волны падающего света. Таким образом, имеет место дисперсия вращения плоскости поляризации.

Нематические жидкие кристаллы. Обычно ЖК имеют доменную структуру, т. е. их молекулы имеют одинаковую ориентацию только в малых объемах. Для того чтобы ориентация молекул была одинаковой во всем объеме образца, необходимо принять специальные меры. Практически это возможно осуществить в тонких слоях ЖК, которые находятся между плоскими твердыми поверхностями (пластинки стекла, кварца, пластмассы). Для этого используется способность молекулы ЖК ориентироваться при соприкосновении с твердой поверхностью (подложкой) под воздействием поверхностных сил. Если поверхностная энергия подложки больше, чем поверхностная энергия ЖК (жидкость смачивает подложку), то молекулы размещаются параллельно подложке. Такая ориентация будет соответствовать минимуму поверхностной энергии. Если же (жидкость не смачивает подложку), это значит взаимодействие между молекулами ЖК меньше, чем между молекулами подложки и ЖК, молекулы ЖК ориентируются перпендикулярно подложке. Чем больше разность , тем больше вероятность возникновения определенной ориентации молекул (параллельно подложке или перпендикулярно ей).

Однако, даже когда ЖК хорошо смачивает подложку и его удлиненные молекулы размещены параллельно подложке, в разных участках слоя молекулы могут быть ориентированы по разным направлениям и напоминают подобие поликристалла. Чтобы ориентировать молекулы во всех областях параллельно друг другу и создать монокристаллический слой, поверхность подложки полируют в одном направлении. В этом случае на поверхности подложки в направлении полировки возникают микроцарапины.

Молекулы ЖК своими длинными осями размещаются параллельно микроцарапинам, потому что при такой ориентации поверхностная энергия будет минимальна. Поскольку ориентирующее воздействие поверхности на молекулу тем крепче, чем меньше они отдалены от этой поверхности, то однородную ориентацию молекуле нематика легче всего получить в тонких слоях. Конечно, полной однородности структуры возможно добиться, если нематик поместить между двумя пластинами, предварительно отполированными в одном направлении, зазор между которыми не больше 100 микрон.

Однородно ориентированные слои нематика с осями молекулы, параллельными поверхностям пластин, называют планарной текстурой. Планарные слои можно получить также, если напылять на подложку под углом атомы какого-нибудь металла. В этом случае на подложке создаются микронеоднородности, которые идут в направлении напыления и задают направление преимущественной ориентации молекул ЖК.

Чтобы получить жидкокристаллический слой с нормальной ориентацией молекул относительно подложки на поверхность подложки наносят специальное вещества (ориентанты), которые уменьшают свободную энергию. ЖК с положительной диэлектрической анизотропией часто составляют нормальные слои спонтанно. Слои ЖК с нормальной ориентацией молекул относительно подложки называют гомеотропной текстурой. Широкое практическое использование получили монодоменные слои нематиков, в которых направления ориентации молекул на ограничивающих плоскостях подложек создают между собой угол 90°. Такие однородно закрученные слои получили название твист-структуры. Сродни холестерикам они владеют оптической активностью. При прохождении плоскополяризованного света через такой слой плоскость поляризации поворачивается на 90°.

Электрические эффекты в нематических жидких кристаллах. ЖК легко изменяют структуру под воздействием разных внешних факторов (например, под воздействием электрического поля). Это ведет к изменениям их оптических свойств и возникновению интересных электрооптических эффектов, которые соответствуют только мезофазному состоянию вещества. Наблюдаются электрооптические эффекты в тонких слоях ЖК (5 — 10) мкм, которые находятся между двумя стеклянными подложками 1 (рис. 9.7), на внутренние стороны которых нанесены прозрачные электроды 2 из диоксида олова SnO₂ . Толщина ЖК слоя 3 определяется толщиной прокладок 4 из слюды, полиэтилена, тефлона или других изоляторов.

Рис. 9.7. Ячейка для наблюдения электрооптических эффектов

Ориентация молекул ЖК, необходимая для наблюдения того или другого эффекта, задается разными способами обработки электродов. При этом возможны три типа ориентации молекул ЖК: планарная, гомеотропная и закрученная (или твист-структура). Планарная ориентация соответствует случаю, когда длинные оси молекул ЖК параллельны плоскости подложки; гомеотропная — длинные оси молекула перпендикулярны плоскости подложки. При закрученной структуре длинные оси молекул ЖК параллельны плоскости электродов, но взаимные направления длинных осей молекул ЖК на разных электродах взаимно перпендикулярны. В глубине слоя ЖК наблюдается плавный переход от ориентации на одном электроде к ориентации на втором электроде.

Нематик в оптическом отношении эквивалентен одноосному кристаллу. Поэтому оптические характеристики планарной и гомеотропной текстур разные. В ячейке с гомеотропной текстурой свет распространяется вдоль оптической оси (вдоль направления директора), поэтому оптические характеристики слоя не зависят от поляризации света. В ячейке с планарной текстурой свет распространяется перпендикулярно оптической оси, поэтому, как и в твердых одноосных кристаллах, показатель преломления зависит от ориентации плоскости поляризации света применительно к оптической оси. В нематике с положительной диэлектрической анизотропией фазовая скорость света, поляризованного перпендикулярно направлению директора, больше, чем скорость света, поляризованного в направлении директора. В кристаллах с отрицательной диэлектрической анизотропией — наоборот.

В планарной текстуре свет линейно поляризован перпендикулярно или параллельно директору, распространяется без изменения поляризации. Каждая другая поляризация изменяется по мере распространения света. Когда плоскость поляризации падающего света образует с директором угол 45°, то после прохождения ячейки она оказывается повернутой на угол

, (3)

где — частота; с — скорость света; L — толщина нематика; и — показатель преломления света, поляризованного соответственно вдоль и поперек директора.

Если ЖК-ячейку разместить между скрещенными поляроидами, то она будет непрозрачна. Планарная текстура при этом же размещении поляроидов пропускает свет, если «ориентация» поляроида не совпадает с направлением директора. Если подавать напряжение на ЖК-ячейку, планарную текстуру можно переводить в гомеотропную и этим управлять световым потоком. Кроме перехода планарной текстуры в гомеотропную, возможны различные изменения структуры нематика в электрическом поле.

Характер воздействия внешнего поля на нематик зависит от нескольких параметров, например, от знака диэлектрической анизотропии , анизотропии электропроводности , деформационных модулей упругости, характера соединения молекулы с поверхностями ячейки и др. Однако общим свойством переориентации структуры нематика под воздействием внешнего поля является ее пороговый характер. Т. е. в полях, меньших критических, изменение структуры нематика не происходит; только при достижении критической величины поля структура нематика начинает изменяться.

Для того чтобы перевести нематик с положительной диэлектрической анизотропией из планарной текстуры в гомеотропную, необходимо, чтобы напряженность поля в зазоре ячейки превышала критическое поле:

, (4)

где k — модуль упругости нематика, L — толщина зазора ячейки.

Чтобы обеспечить в зазоре напряженность поля выше чем , к ячейке необходимо приложить напряжение, большее, чем

,

которое не зависит от толщины слоя нематика. Типичное значение граничного напряжения оказывается порядка единиц вольт. При снятии приложенного к ячейке напряжения структура нематика возвращается к изначальной. Нематик с отрицательной диэлектрической анизотропией под воздействием поля может быть переведен из гомеотропной текстуры в планарную. Если нематик имеет закрученную текстуру (твист-структура), то приложенное поле переводит ее в гомеотропную (потому что в этом случае используются нематики с ).

Работа ЖК-ячейки с твист-структурой основана на ее свойстве вращать плоскость поляризации света. Если плоскость поляризации света совпадает с ориентацией молекул на входной поверхности ячейки, то по мере прохождения света плоскость его поляризации продолжает следить за ориентацией молекул, так что на выходе из ячейки плоскость поляризации света оказывается повернутой на угол 90°. Когда такая ячейка находится между скрещенными поляроидами, она будет прозрачна. При наличии поля ячейка становится непрозрачной, потому что нематик переходит в гомеотропную текстуру.

При определенных условиях электрическое поле может изменять окраску ЖК‑ячейки. Если в нематик в небольшом количестве добавить молекулы дихроического красителя, которые ориентируются нематиком так же, как и его собственные молекулы, то под воздействием электрического поля вместе с молекулами нематика происходит переориентация и молекул красителя, в итоге чего изменяется окраска ячейки.

В нематических ЖК с отрицательной диэлектрической анизотропией при определенных условиях наблюдается явление, которое получило название динамического рассеивания света. Наблюдать это явление возможно в ЖК-ячейке при увеличении приложенного к ней напряжения. При напряжении, меньшим или сравнимым с критическим, ячейка оптически однородная. При достижении некоторого критического напряжения в ячейке возникает система регулярно размещенных параллельных светлых и темных полос — цилиндрических доменов (рис. 9.8).

Рис. 9.8. Цилиндрические до-мены в нематике

При дальнейшем повышении напряжения, приложенного к ячейке, происходит изменение ширины светлых и темных полос. И наконец, при достижении некоторого напряжения и при более высоком напряжении ячейка перестает быть прозрачной и сильно рассеивает свет. Основным фактором, определяющим такое поведение нематика, является анизотропия его электро­проводности. Электропроводность в ЖК носит ионный характер, и прохождение тока в нем сопровождается гидродинамическими потоками, возникновение которых вместе с силами вязкого трения приводит к ориентации длинных осей молекул в направлении движения ионов. С другой стороны, этому препятствует электрическое поле и сила ориентационного действия подложки. В итоге между электродами возникает вихревое движение вещества. Эти вихри лежат в плоскости слоя параллельно друг другу. Таким образом, возникает периодическое изменение ориентации молекул в слое. А поскольку с изменением ориентации молекул изменяется и показатель преломления слоя ЖК, получается, что слой разбивается на светлые и темные полосы — домены. При напряжении выше 12 В домены приходят в движение и при (15 — 17) В полностью разрушаются. Поверхность ЖК становится молочно-белой, сильно рассеивает свет.