12. Жидкие кристаллы

В ряде случаев дальний порядок, который свойственен кристаллам, наблюдается и в жидкой фазе. Это так называемое жидкокристаллическое, или мезоморфное, состояние. В твердых кристаллах наблюдается дальний порядок по всем трем направлениям, а в жидких кристаллах имеет место одноосный дальний порядок, а по двум другим направлениям дальний порядок отсутствует. Жидкие кристаллы – это жидкости с упорядоченной молекулярной структурой, при которой вещество одновременно обладает физическими свойствами как твердого тела – анизотропией, так и жидкости – текучестью.

По химическому составу жидкие кристаллы принадлежат к органическим веществам, построенным из атомов элементов C, Н, О и N. Молекулы жидкокристаллических соединений часто называют мезогенами. На рис 1.21 приведены примеры стержнеобразных мезогенов – каломитиков (а), дискообразных – дискотиков (б) и планкообразных – санидиков (в), а также химические формулы.

Особенности жидкокристаллического состояния связаны с формой молекул – удлиненной или дискообразной. Например, молекула параазоксианизола имеет следующие размеры: 1,8х0,7х0,36 нм³. Удлиненная форма молекул способствует их взаимному параллельному расположению, что свойственно всем жидким кристаллам.

По способу получения жидкие кристаллы разделяются на термотропные и лиотропные. Первые образуются при нагревании твердых кристаллов или охлаждении изотропной жидкости и существуют в определенном температурном интервале. Жидкие лиотропные кристаллы образуются при растворении твердых органических веществ в различных растворителях, например, в воде.

Промежуточное состояние с упорядоченной структурой сохраняется в интервале температур от точки плавления вещества до точки перехода жидкого кристалла в изотропную жидкость. При переходе из-за усилившихся тепловых колебаний упорядоченная молекулярная структура полностью исчезает, увеличивается прозрачность вещества, и поэтому верхнюю температурную точку существования жидкого кристалла называют точкой просветления.

Для описания дальнего ориентационного порядка молекулярных осей вводят единичный вектор , названный директором, указывающий направление, вдоль которого в среднем ориентированы молекулярные оси.

Одноосевые жидкокристаллические структуры (фазы) принято классифицировать по виду функции плотности вещества , где – пространственная координата, и их локальной ориентации .

Фаза с  =const и L=const называется жидким нематематическим кристаллом (рис.1.22, а). Молекулы в них выстроены в цепочки, направление преимущественной ориентации молекул является оптической осью жидкого кристалла. Благодаря сильному рассеиванию света на тепловых флуктуациях ориентации жидкие нематематические кристаллы выглядят как мутная непрозрачная жидкость.

Жидкие смектические кристаллы характеризуются L=const, а плотность периодична вдоль выделенной оси Z и постоянная в плоскости XY (рис.1.22, б). Молекулы образуют параллельные слои, которые могут скользить относительно друг друга, обуславливая текучесть таких жидких кристаллов вдоль слоев. Относительно нагрузки перпендикулярно этим слоям (оси Z) они ведут себя как твердые тела.

Жидкие смектические кристаллы имеют большое число модификаций (фаз А, B, С... ). Смектическая фаза В имеет такую же слоистую структуру, что и фаза А, однако преимущественное направление длинных осей палочкообразных молекул составляет некоторый угол с нормалью к смектическим плоскостям.

Холестерические жидкие кристаллы характеризуются =const и макроскопически модулированной структурой, причем концы векторов образуют в пространстве спираль (рис.1.22, в). Длинные молекулы образуют параллельные слои, каждый слой имеет нематическую структуру. Направление преимущественной ориентации плавно изменяется при переходе от слоя к слою, образуя пространственную спираль с определенным шагом.

Ориентационный порядок в расположении молекул приводит к анизотропии: показатель преломления света, диэлектрическая проницаемость, электрическое сопротивление, вязкость и многие другие свойства зависят от направления, вдоль которого измеряют их величины. Например, в жидкокристаллических диэлектриках удельное электросопротивление, измеренное перпендикулярно молекулярным осям, достигает 10¹²-10¹⁴ , а вдоль молекулярных осей – на несколько порядков ниже.

Структура жидких кристаллов легко изменяется под действием давления, электрического поля или нагрева, что дает возможность управлять их свойствами путем слабых воздействий. Изменение структуры при внешних воздействиях сопровождается перемещением молекул, на что требуется время 1–10 мс. На возвращение молекул в исходное состояние необходимо время 20–200 мс. Такая особенность ограничивает применение жидких кристаллов областью низких частот.

Наиболее важные из практических приложений жидких кристаллов основаны главным образом на электрооптических свойствах. В нематичних жидких кристаллах наблюдается электрооптический эффект динамического рассеяния света. Сущность эффекта заключается в нарушении исходной упорядоченности молекул (изменение L) под действием электрического поля, появлении турбулентного перемешивания молекул и увеличении прозрачности.

Изменение ориентации L требует напряжения порядка 1В и мощностей порядка мкВт, что можно обеспечить непосредственной подачей сигналов с интегральных схем без дополнительного усиления. Поэтому жидкие кристаллы широко используются как индикаторы и табло для отображения цифровой, буквенной и аналоговой информации.

Одно из важных направлений использования жидких кристаллов – термография. Подбирая состав жидкокристаллического вещества, создают индикаторы для различных диапазонов температур и для различных целей. Например, проверка печатных электронных плат и интегральных схем проводится нанесением пленки ЖК. Неисправные элементы – сильно нагретые или холодные, неработающие – сразу выделяются яркими цветовыми пятнами.

	в
а
б
г	д
е
Рис. 1.22. Молекулы и структура жидких кристаллов. Молекулы: каломитики (а), дискотики (б), санидики (в); структура: нематики (г), смектики (д), холестерики (е)

Для цветных изображений применяют смеси жидких кристаллов с красителями, которые также имеют вытянутые молекулы. При низком напряжении поля молекулы жидкого кристалла размещаются перпендикулярно электродам ячейки и захватывают за собой молекулы красителя. В таком положении окрашивания не видно. При вращении молекул под воздействием поля более высокого напряжения молекулы красителя окрашивают изображение в определенный цвет.

Жидкие кристаллы с успехом применяются и для отображения информации в реальном масштабе времени, например в плоских экранах телевизоров. В комбинации с фоточувствительными полупроводниковыми слоями жидкие кристаллы применяются в качестве усилителей и преобразователей изображений и в устройствах оптической обработки информации.

В холестерических жидких кристаллах шаг спирали h может достигать сотен нм. Периодичность приводит к тому, что падающий на тонкий слой кристалла луч света может претерпевать селективное отражение. Зависимость шага спирали от температуры позволяет использовать пленки этих веществ для регистрации и измерения стационарных и медленно изменяющихся температурных полей. Здесь используется как увеличение прозрачности при переходе жидкого кристалла в изотропную жидкость, так и изменение цвета отраженного потока света. Этот метод применяется, например, при медицинской диагностике воспалительных процессов, неразрушающем контроле электронных приборов и визуализации теплового излучения.

Использование жидкокристаллических состояний играет существенную роль в технологии сверхпрочных полимерных и углеродных волокон.