Необычные свойства жидких кристаллов

Оптической активностью называют способность неко­торых веществ вращать плоскость поляризации проходя­щего через них света. Это означает, что линейно поля­ризованный свет, распространяясь в таких средах, изме­няет ориентацию плоскости поляризации. Причем угол поворота плоскости поляризации прямо пропорционален пути, пройденному светом.

Так, в твердых телах, как, впрочем, и в обычных жид­костях, удельная вращательная способность Р_а имеет вполне определенный, независящий от длины волны све­та знак. Это означает, что вращение плоскости поляри­зации света в них происходит в определенном направле­нии. Против часовой стрелки при положительном ф_а  и по часовой стрелке при отрицательном Р_а. При этом подра­зумевается, что наблюдение за вращением плоскости по­ляризации осуществляется вдоль направления распрост­ранения света. Поэтому все оптически активные веще­ства подразделяются на правовращающие (если враще­ние происходит по часовой стрелке) и левовращающие (если вращение происходит против часовой стрелки).

В случае оптически активных жидких кристаллов та­кая классификация сталкивалась с трудностями. Дело в том, что направление (знак) вращения в жидких кристал­лах зависело от длины волн света. Для коротких длин волн величина Р_а, например, могла быть положи­тельной, а для более длинноволнового света - отрица­тельной. А могло быть и наоборот. Однако характерным для всех случаев было изменение знака вращения плос­кости поляризации в зависимости от длины волны света, или, как говорят, инверсия знака оптической активности. Такое поведение вращения плоскости поляризации со­вершенно не укладывалось в рамки существовавших представлений об оптической активности.

Удивительными были также и другие свойства, такие, как сильная температурная зависимость названных ха­рактеристик, их очень высокая чувствительность к внеш­ним магнитным и электрическим полям и так далее. Но прежде чем пытаться объяснить перечисленные свойства, необ­ходимо понять, как устроены жидкие кристаллы, и, в частности, ознакомиться с их структурными свойствами, ибо в конечном итоге для объяснения описанных свойств наиболее существенными оказываются именно структур­ные характеристики жидких кристаллов.

Здесь следует заметить, что в конце девятнадцатого - начале двадцатого века многие очень авторитетные учёные весьма скептически относились к открытию Рейнитцера и Лемана. (Имя Лемана также можно по праву свя­зывать с открытием жидких кристаллов, поскольку он очень активно участвовал в первых исследованиях жидких кристаллов, и даже самим термином «жидкие кри­сталлы» мы обязаны именно ему.) Дело в том, что не только описанные противоречивые свойства жидких кри­сталлов представлялись многим авторитетам весьма со­мнительными, но и в том, что свойства различных жидко­кристаллических веществ (соединений, обладавших жид­кокристаллической фазой) оказывались существенно различными. Так, одни жидкие кристаллы обладали очень большой вязкостью, у других вязкость была невелика. Одни жидкие кристаллы проявляли с изменением тем­пературы резкое изменение окраски, так что их цвет пробегал все тона радуги, другие жидкие кристаллы та­кого резкого изменения окраски не проявляли. Наконец, внешний вид образцов, или, как принято говорить, тек­стура, различных жидких кристаллов при рассматрива­нии их под микроскопом оказывался совсем различным. В одном случае в поле поляризационного микроскопа могли быть видны образования, похожие на нити, в дру­гом - наблюдались изображения, похожие на горный рельеф, а в третьем - картина напоминала отпечатки пальцев. Стоял также вопрос, почему жидкокристаллическая фаза наблюдается при плавлении только некоторых веществ?

Время шло, факты о жидких кристаллах постепенно накапливались, но не было общего принципа, который позволил бы установить какую-то систему в представле­ниях о жидких кристаллах. Со временем ученые подошли к проведению классификации предмета исследований. Заслуга в создании основ современной классификации жидких кри­сталлов принадлежит французскому ученому Ж. Фриделю.

В двадцатые годы Фридель предложил разделить все жидкие кристаллы на две большие группы. Одну группу жидких кристаллов Фридель назвал нематическими, дру­гую смектическими. Он же пред­ложил общий термин для жидких кристаллов - «мезо морфная фаза». Этот термин происходит от греческого слова «мезос» (промежуточный), а вводя его, Фридель хотел подчеркнуть, что жидкие кристаллы занимают про­межуточное положение между истинными кристаллами и жидкостями как по температуре, так и по своим физи­ческим свойствам.

Нематические жидкие кристаллы в классификации Фриделя включали уже упоминавшиеся выше холестерические жидкие кристаллы как подкласс. Когда классификация жидких кристаллов была созда­на, более остро встал вопрос: почему в природе реализу­ется жидкокристаллическое состояние? Полным ответом на подобный вопрос принято считать создание микроско­пической теории. Но в то время на такую теорию не при­ходилось и надеяться (кстати, последовательной микро­скопической теории жидких кристаллов  не существует и по сей день), поэтому большим шагом вперед было создание чешским ученым X. Цохером и голландцем С. Озерном феноме­нологической теории жидких кристаллов, или, как ее при­нято называть, теории упругости жидких кристаллов.

В 30-х годах в СССР В.К. Фредерике и В.Н. Цветков первыми изучили не­обычные электрические свойства жидких кристаллов. Можно условно считать, что рассказанное выше отно­силось к предыстории жидких кристаллов, ко времени, когда исследования жидких кристаллов велись малочисленными коллек­тивами.

 Современный этап изучения жидких кристаллов, который начался в 60-е годы и придал науке о жидких кристаллах сегод­няшние формы, методы исследований, широкий размах работ сформировался под непосредственным влиянием успехов в технических приложениях жидких кристаллов, особенно в системах отображения информации. В это время было понято и практически доказано, что в наш век микроэлектроники, характеризующийся внедрением микроминиатюрных электронных устройств, потребляю­щих ничтожные мощности энергии для устройств инди­кации информации, т. е. связи прибора с человеком, наи­более подходящими оказываются индикаторы на жидких кристаллах.

Дело в том, что такие устройства отображения инфор­мации на ЖК естественным образом вписываются в энер­гетику и габариты микроэлектронных схем. Они потреб­ляют ничтожные 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 в 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. Так 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.

Другим важным обстоятельством является то, что проводимость в жидких кристаллах носит ионный харак­тер. Это означает, что ответственными за перенос элек­трического тока в жидких кристаллах являются не электроны, как в ме­таллах, а гораздо более массивные частицы. Это поло­жительно и отрицательно заряженные фрагменты моле­кул (или сами молекулы), отдавшие или захватившие из­быточный электрон. По этой причине электропроводность жидких кристаллов сильно зависит от количества и хими­ческой природы содержащихся в них примесей. В част­ности, электропроводность нематика можно целена­правленно изменять, добавляя в него контролируемое количество ионных добавок, в качестве которых могут выступать некоторые соли.

Из сказанного понятно, что ток в жидком кристалле представляет собой направленное движение ионов в системе ориентированных палочек-молекул. Если ионы представить себе в виде шариков, то свойство нематика обладать проводимостью вдоль директора в p раз больше, чему, представляется совершенно естественным и по­нятным. Действительно, при движении шариков вдоль директора они испытывают меньше помех от молекул-палочек, чем при движении поперек молекул-палочек. В результате чего и следует ожидать, что продольная проводимость будет превосходить поперечную про­водимость.

Более того, обсуждаемая модель шариков-ионов в системе ориентированных палочек-молекул с необходи­мостью приводит к следующему важному заключению. Двигаясь под действием электрического тока поперек направления директора (считаем, что поле приложе­но поперек директора), ионы, сталкиваясь с молекула­ми-палочками, будут стремиться развернуть их вдоль направления движения ионов, т. е. вдоль направления электрического тока. Мы приходим к заключению, что электрический ток в жидком кристалле должен приво­дить к переориентации директора.

Эксперимент подтверждает выводы рассмотренной выше простой механической модели прохождения тока в жидком кристалле. Однако во многих случаях ситуа­ция оказывается не такой простой, как может показать­ся на первый взгляд.

Часто постоянное напряжение, приложенное к слою нематика, вызывает в результате возникшего тока не однородное изменение ориентации молекул, а периоди­ческое в пространстве возмущение ориентации директо­ра. Дело здесь в том, что, говоря об ориентирующем молекулы нематика воздействии ионов носителей тока, мы пока что пренебрегали тем, что ионы будут вовле­кать в свое движение также и молекулы нематика. В ре­зультате такого вовлечения прохождение тока в жид­ком кристалле может сопровождаться гидродинамичес­кими потоками, вследствие чего может установиться пе­риодическое в пространстве распределение скоростей течения жидкого кристалла. Вследствие обсуждав­шейся в предыдущем разделе связи потоков жидкого кристалла с ориентацией директора в слое нематика воз­никнет периодическое возмущение распределения директора.

Флексоэлектрический эффект

Говоря о форме мо­лекул жидкого кристалла, мы пока аппроксимировали ее жесткой палочкой. Рассматривая модели структур молекул, можно прийти к заключению, что не для всех соединений приб­лижение молекула-палочка наиболее адекватно их фор­ме. C формой молекул связан ряд интересных, наблюдаемых на опыте, свойств жид­ких кристаллов. Особого внимания заслуживают свойства жидких кристаллов, связанные с отклоне­нием его формы от простейшей молекулы-палочки, про­являющемся в существовании флексоэлектрического эффекта.

Открытие флексоэлектрического эф­фекта, как иногда говорят о теоретических предсказа­ниях, было сделано на кончике пера американским физи­ком Р. Мейером в 1969 году.

Рассматривая модели жидких кристаллов, образо­ванных не молекулами-палочками, а молекулами более сложной формы, он задал себе вопрос: «Как форма молекулы может обнаружить себя в макроскопических свойствах? » Для конкретности Р. Мейер предположил, что молекулы имеют грушеобразную или банановидную форму. Далее он предположил, что отклонение формы молекулы от простейшей, рассматривавшейся ранее, сопровождается возникновением у нее электрического дипольного момента.

Возникновение дипольного момента у молекулы не­симметричной формы - типичное явление и связано оно с тем, что расположение «центра тяжести» отрица­тельного электрического заряда электронов в молекуле может быть несколько смещено относительно «центра тяжести» положительных зарядов атомных ядер моле­кулы. Это относительное смещение отрицательных и по­ложительных зарядов относительно друг друга и приво­дит к возникновению электрического дипольного момен­та молекулы. При этом в целом молекула остается нейт­ральной, так как величина отрицательного заряда элек­тронов в точности равна положительному заряду ядер. Величина дипольного момента равна произведению за­ряда одного из знаков на величину их относительного смещения. Направлен дипольный момент вдоль направ­ления смещения от отрицательного заряда к положительному. Для грушеобразной молекулы направление ди­польного момента по симметричным соображениям должно совпадать с осью вращения, для банановидной молекулы - направлено поперек длинной оси.

Рассматривая жидкий кристалл таких молекул, легко понять, что без влияния на него внешних воздействий дипольный момент макроскопически малого, но, разуме­ется, содержащего большое число молекул объема жид­кого кристалла, равен нулю. Это связано с тем, что нап­равление директора в жидком кристалле задается ориен­тацией длинных осей молекул, количество же молекул, дипольный момент которых направлен по директору в ту и другую сторону - для грушеобразных молекул, или для банановидных молекул - поперек направления ди­ректора в ту и другую сторону, одинаково. В ре­зультате дипольный момент любого макроскопиче­ского объема жидкого кристалла равен нулю, так как он равен сумме дипольных моментов отдельных молекул.

Так, однако, дело обстоит лишь в неискаженном об­разце. Стоит путем внешнего воздействия, например ме­ханического, исказить, скажем, изогнуть его, как моле­кулы начнут выстраиваться, и распределение направле­ний дипольных моментов отдельных молекул вдоль ди­ректора для грушеподобных молекул и поперек директо­ра для банановидных будет неравновероятным. Это означает, что возникает преимущественное направление ориентации дипольных моментов отдельных молекул и, как следствие, появляется макроскопический дипольный момент в объеме жидкого кристалла. Причиной такого выстраивания являются сферические факторы, т. е. фак­торы, обеспечивающие плотнейшую упаковку молекул. Плотнейшей упаковке молекул именно и соответствует такое выстраивание молекул, при котором их дипольные моменты «смотрят» преимущественно в одну сто­рону.

С макроскопической точки зрения рассмотренный эффект проявляется в возникновении в слое жидкого кристалла электрического поля при деформации. Это связано с тем, что при выстраива­нии диполей на одной поверхности деформированного кристалла оказывается избыток зарядов одного, а на противоположной поверхности - другого знака. Таким обрезом, наличие или отсутствие флексоэлектрического эффекта несет информацию о форме молекул и ее дипольном моменте. Для молекул-палочек такой эффект отсутствует. Для только что рассмотренных форм моле­кул эффект есть. Однако, для грушеподобных и банановидных молекул для наблюдения возникновения электрического поля в слое надо вызвать в нем разли­чные деформации. Грушеподобных молекулы дают эф­фект при поперечном изгибе, а банановидные — при продольном изгибе жидкого кристалла

Предсказанный теоретически флексоэлектрический эффект вскоре был обнаружен экспериментально. При­чем на эксперименте можно было пользоваться как пря­мым, так и обратным эффектом. Это означает, что можно не только путем деформации жидких кристаллов индуцировать в нем электрическое поле и макроскопический диполь­ный момент (прямой эффект), но и, прикладывая к об­разцу внешнее электрическое поле, вызывать дефор­мацию ориентации директора в жидком кристалле.

⇐ Предыдущая123

Поделиться: