Жидкие кристаллы

Жидкие кристаллы (которые называют также мезофазами, веществами в мезоморфном состоянии, анизотропной жидкостью) представляют собой вещества в состоянии, промежуточном между твердым кристаллическим и изотропным жидким. Сохраняя основные свойства жидкости, прежде всего, текучесть, они проявляют характерную для твердых кристаллов анизотропию. В отсутствие внешних воздействий в жидких кристаллах анизотропны диэлектрическая проницаемость, диамагнитная восприимчивость, электропроводность и теплопроводность. Жидкие кристаллы были открыты в 1888 г. австрийским ботаником Ф. Рейнитцером (F. Reinitzer) и немецким физиком О. Леманом (O. Lehman). Они оставались мало изученными до тех пор, пока не стали ясны перспективы их использования в технике.

Структура жидких кристаллов образована молекулами удлиненной или дискообразной формы. В результате межмолекулярного взаимодействия они выстраиваются в определенном порядке. Тепловое движение препятствует этому, и при повышенных температурах жидкие кристаллы превращаются в обычную жидкость. На диаграмме состояния температурный интервал существования жидких кристаллов ограничен температурой плавления твердых кристаллов и так называемой температурой просветления, при которой жидкокристаллические мутные образцы становятся прозрачными вследствие плавления и исчезновения мезофазы.

Различают термотропные и лиотропные жидкие кристаллы. Термотропные жидкие кристаллы образуются при расплавлении твердых кристаллов или при охлаждении изотропной жидкости и существуют в узком интервале температур. Лиотропные жидкие кристаллы возникают при растворении твердых органических веществ в воде или других растворителях. И те, и другие обычно содержат несколько жидкокристаллических фаз, температурный интервал существования которых может находиться как при низких (до 60 ^оС), так и высоких (до 400 ^оС) температурах.

Для описания дальнего ориентационного порядка в жидких кристаллах используют вектор L, названный директором, который указывает направление, вдоль которого ориентированы оси молекул. Фаза с плотностью r = const и L = const названа нематическим жидким кристаллом (нематиком). Длинные оси его молекул имеют фиксированную ориентацию, а центры их тяжести распределены хаотически (рис. 8.10, а). Благодаря сильному рассеянию света из-за тепловых флуктуаций, нарушающих ориентацию молекул, нематический жидкий кристалл выглядит как мутная непрозрачная жидкость. С помощью поляризационного микроскопа в нем видны тонкие нити, от которых произошло название этого кристалла: nema – по-гречески – нить. Они образуют линии, названные дисклинациями, на которых направление ориентации молекул (L) не определено.

У смектических жидких кристаллов (от греч. smegta – мыло) L= const, а плотность r(r), где r - пространственная координата, изменяется периодически вдоль оси z и постоянна в плоскости ху (рис. 8.10, б). Молекулы расположены слоями, которые легко скользят относительно друг друга, но при нагружении вдоль оси z подобны твердому телу. Смектические жидкие кристаллы обычно имеют несколько модификаций – смектических фаз А, В, С, ..., различающихся симметрией расположения молекул и корреляционными функциями r(r).

Рис. 8.10 Типы жидкокристаллических структур:

а – нематические, б – смектические, в - холестерические

Плотность холестерических жидких кристаллов r(r) = const. Их слоистая структура характеризуется тем, что вектор L в каждом слое повернут относительно направления L в соседнем слое на некоторый угол, образуя спираль (рис. 8.10, в). В плоскости ху холестерические жидкие кристаллы обладают такой же текучестью, как и нематические, а вдоль оси z их механические свойства подобны свойствам смектических жидких кристаллов.

Фазовые переходы в жидких кристаллах сопровождаются критическими явлениями, наблюдаемыми вблизи критических точек жидкостей. Так, при переходе жидких кристаллов нематического типа в смектические (фаза А) аномально возрастает теплоемкость. При охлаждении некоторых органических соединений ниже температур существования первичных (нематических, холестерических, смектических) фаз возникают так называемые возвратные жидкокристаллические фазы.

Свойства жидких кристаллов характеризуются спонтанной (самопроизвольной) анизотропией. Анизотропны их электрические, магнитные и механические свойства. Анизотропия упругости вызвана тем, что неоднородность поля директора L(r) обусловливает ориентационную деформацию жидких кристаллов – закручивания, продольного или поперечного изгиба.

Оптические свойства одноосных жидких и твердых кристаллов сильно отличаются в области высоких интенсивностей света. Электрическое поле световой волны вызывает переориентацию молекул жидких кристаллов. По этой причине жидкие кристаллы являются предметом исследования нелинейной оптики, которая изучает явления, вызванные нелинейным откликом вещества на световое поле. Особый интерес представляют имеющие спиральную структуру холестерические и хиральные смектические С-фазы (хиральность – принадлежность молекулы или кристалла к одной из зеркально симметричных модификаций, условно называемых "правой" и "левой"). Жидким кристаллам присуща оптическая активность, т.е. свойство вращать плоскость поляризации проходящего через них света. Вращение плоскости поляризации зависит от структуры жидкого кристалла, длины пути света в образце и не зависит от интенсивности света.

Анизотропия электрических и оптических свойств жидких кристаллов в сочетании с присущей им текучестью обусловливают многообразие электрооптических эффектов. Наиболее важны те из них, которые не связаны с протеканием тока через кристалл. Во внешнем поле происходит переориентация директора, и молекулы жидких кристаллов ориентируются так, чтобы направление, в котором их диэлектрическая проницаемость максимальна, совпало с направлением поля. Это приводит к изменению направления оптической оси кристалла и, следовательно, к изменению практически всех его оптических свойств – двойного лучепреломления, поглощения света, вращения плоскости поляризации и др. Изменение направления оптической оси жидких кристаллов под действием внешних электрического или магнитного полей названо переходом Фредерикса (В.К. Фредерикс – русский физик, работы 1930-х г.г. в области жидких кристаллов). В черно-белых индикаторах информации реализуют так называемый твист-эффект. Он представляет собой переход Фредерикса в жидком кристалле, подвергнутом предварительно деформации кручения. В цветных устройствах используют эффект, вызванный переориентацией молекул красителя («гость»), введенных в жидкокристаллическую матрицу («хозяин»), сопровождающейся трансформацией самой матрицы (эффект «гость-хозяин»).

Каждому виду жидких кристаллов (холестерическим, нематическим, смектическим) присущи характерные только для них специфические электрооптические эффекты. Большинство перечисленных электрооптических эффектов имеет свои магнитооптические аналоги.

Практическое применение жидких кристаллов основано главным образом на проявлении ими электрооптических эффектов. Изменение ориентации директора L в нематических жидких кристаллах происходит во внешнем электрическом поле при напряжениях порядка 1 В и мощностях порядка 1 мкВт. Поэтому жидкие кристаллы широко используют для устройства индикаторов и табло, отображающих буквенную, цифровую и аналоговую информацию в электронных часах, калькуляторах, измерительных приборах. В комбинации с фоточувствительными полупроводниковыми приборами жидкие кристаллы служат средством усиления и преобразования изображений, а также оптической обработки информации. Зависимость шага спирали холестерических жидких кристаллов от температуры обусловила использование пленок этих веществ как индикаторов распределения температуры на поверхности тел (жидкокристаллическая термография).

Сложные биологически активные молекулы (такие, как ДНК) и некоторые неклеточные частицы (вирусы) могут находиться в жидкокристаллическом состоянии. Жидкие кристаллы играют определенную роль в реализации механизмов жизнедеятельности человеческого организма. Установлено, что некоторые болезни (атеросклероз, желчнокаменная болезнь), связанные с образованием в организме твердых кристаллов, происходят через стадию возникновения жидкокристаллических состояний. Жидкокристаллические мембраны регулируют ионный транспорт в процессах самоорганизации биологических структур.

Количество известных в настоящее время жидких кристаллов превышает десятки тысяч и непрерывно увеличивается.