Жидкие кристаллы, их виды и эффекты

Жидкие кристаллы (ЖК) — особое термодинамическое состояние вещества, промежуточное между кристаллическим твердым телом и аморфной жидкостью и характеризующееся определенным порядком в расположении молекул. В этом состоянии имеет место анизотропия механических, электрических, магнитных и оптических свойств. Способность целого ансамбля ЖК-молекул переориентироваться в магнитном поле была впервые изучена В. Фредериксом и В. И. Цветковым. Воздействие электрического поля при облучении ЖК когерентным излучением исследовалось С. А. Пикиным, Л. М. Блиновым, А. С. Сониным и рассмотрено в работах. Классификация ЖК была предложена О. Леманном, затем расширена М. Г. Фриделем.

По этой классификации выделяют три типа жидких кристаллов — нематические, холестерические и смектические. ЖК, входящие в каждую из групп, различаются физическими, прежде всего оптическими свойствами. Это различие следует из их структуры.

Нематическая жидкость

Жидкости сильно отличаются от газов и твёрдых кристаллов. Атомы или молекулы, из которых состоит жидкость, не могут разойтись на сколь угодно большое расстояние друг от друга. Это означает, что в жидкости очень важны силы притяжения между атомами или молекулами. То же самое можно сказать и о твёрдом кристалле, но в кристалле эти силы настолько велики, что атомы вынуждены занимать в нём определённые места, образуя трёхмерную кристаллическую решётку. В такой решётке всегда имеются выделенные направления, называемые осями кристалла. Вдоль этих направлений атомы располагаются в строго периодическом порядке. В обычной жидкости нет никаких выделенных направлений, она не обладает собственной формой, потому что молекулы жидкости не столь прочно связаны друг с другом и могут перемещаться в пространстве — перескакивать с места на место.

Таким образом, в текучей жидкости молекулы только в среднем находятся на некотором характерном расстоянии друг от друга. Ответ на вопрос, как взаимодействуют между собой молекулы и чему равно среднее расстояние, а между ними, дает квантовая механика. Оказывается, что на больших расстояниях между молекулами их взаимодействие определяется силами притяжения, а на очень малых расстояниях — силами отталкивания.

Следовательно, молекулы не могут сблизиться на сколь угодно малое расстояние из-за очень больших сил отталкивания — в этом случае говорят, что молекулы не могут проникать друг в друга.

На расстоянии а, примерно равном размеру молекул, сила, взаимодействующая между молекулами, становится равной нулю.

Так устроена обычная жидкость, состоящая из относительно простых молекул или атомов. Однако нас поджидает замечательное открытие, если молекулы имеют ярко выраженную анизотропную форму, то есть если у молекул можно четко выделить какие-нибудь характерные оси.

Рис. 1.

Такие молекулы схематически изображены на рис1. В них атомы располагаются не, как попало, а выстроены вдоль определённой линии (рис1,а) или лежат в выделенной плоскости (рис1,б).

Взаимодействие молекул такой формы приводит к тому, что в жидком состоянии они не только удерживаются на некотором среднем расстоянии друг от друга, но могут сохранять определённый порядок в своём относительном расположении — длинные оси молекул (рис2,а) или плоскости молекул (рис2,б) оказываются параллельными друг другу.

Рис. 2.

В такой необычной жидкости появляется особое направление, как в твёрдом кристалле, вдоль которого ориентируются выделенные оси молекул. Это сходство между кристаллом и описанной удивительной жидкостью и провело к соединению двух понятий в одно новое — «жидкий кристалл». А жидкое состояние (рис2) называют нематическим жидким кристаллом. Название «нематичекий» образовано от греческого слова нЮмЬ — нить. В жидких кристаллах под микроскопом видны тонкие подвижные нити, которые представляют собой дефекты структуры. В идеальном жидком кристалле таких нитей нет.

Рассмотрим теперь силы, действующие в нематической жидкости. Эти силы — электрического происхождения. Интересно, что сила притяжения возникает между двумя атомами или молекулами, которые сами по себе являются электрически нейтральными. Посмотрим, как это получается.

Представим себе, что по какой-то причине в атоме произошло смещение отрицательно заряжённого электронного облака относительно положительно заряжённого ядра. Такой атом можно рассматривать как совокупность двух разноименных точечных зарядов, одинаковых по абсолютной величине, находящихся на некотором расстоянии друг от друга (3,а). Подобную систему зарядов называют электрическим диполем. В окрестности атома-диполя возникает электрическое поле. Напряжённость этого поля быстро убывает при удалении от атома, но вблизи атома поле достаточно велико. Если в окрестности атома I попадает нейтральный атом II (3,б), то электрическое поле атома I должно сместить заряды электронов и ядра атома II (3.б). Такое относительное смещение зарядов в атоме II должно в свою очередь, создавать электрическое поле, поддерживающее разделение зарядов в атоме I. Из рисунка 3 б видим, что разноименно заряжённые частицы атомов должны притягивать друг друга. При сближении атомов между ними начинают действовать силы отталкивания. На расстоянии, примерно равном размеру атомов, силы взаимодействия между атомами равны нулю. Точно такое же рассуждение мы можем провести и в отношении двух молекул, состоящих из нескольких десятков атомов. Нейтральные молекулы должны притягивать друг друга за счёт образования электрических диполей-атомов.

Рис. 3.

Действительно, молекулы должны притягиваться. Но как? Ясно, что по описанным выше причинам большая часть атомов молекулы стремится оказаться вблизи атомов другой молекулы, так как только в этом случае силы взаимодействия между молекулами обращаются в нуль. Но такая ситуация возможна только тогда, когда длинные оси молекул параллельны друг другу. Таким образом, возникает определённый порядок в ориентации молекул и появляется выделенное направление. Это направление можно характеризовать единичным вектором (рис1,2).

Разумеется, такое параллельное расположение выделенных осей молекул возможно только при достаточно низкой температуре, когда тепловые толчки не настолько сильны, чтобы разрушить ориентационный порядок в системе молекул. При повышении температуры обязательно наступает момент, когда хаотическое тепловое движение молекул становится преобладающим и нематический порядок разрушается.

Таким образом, система таких особых молекул может иметь два состояния: обычное (изотропное) жидкое — при высоких температурах и анизотропное жидкое — при низких температурах. Подчеркнём, что нематический жидкий кристалл может быть действительно жидким, как вода, то есть центры масс молекул не образует в данном случае какую-то правильную решётку, как в кристалле, а располагаются хаотично в пространстве и могут в нём свободно перемещаться. В то же время ориентация молекул в этой жидкости подчиняется строгому порядку. Интересно, что нематическая жидкость, образуемая молекулами вытянутой формы известна уже много десятков лет, в то время как нематическая жидкость из дискообразных молекул открыта только в 1979;1980 года. 9].