В случае оптически активных жидких кристаллов та-кая классификация сталкивалась с трудностями. Дело в том, что направление (знак) вращения в жидких кристал-лах зависело от длины волн света. Для коротких длин волн величина Ра, например, могла быть положи-тельной, а для более длинноволнового света - отрица-тельной. А могло быть и наоборот. Однако характерным для всех случаев было изменение знака вращения плос-кости поляризации в зависимости от длины волны света, или, как говорят, инверсия знака оптической активности. Такое поведение вращения плоскости поляризации со-вершенно не укладывалось в рамки существовавших представлений об оптической активности.
Удивительными были также и другие свойства, такие, как сильная температурная зависимость названных ха-рактеристик, их очень высокая чувствительность к внеш-ним магнитным и электрическим полям и так далее. Но прежде чем пытаться объяснить перечисленные свойства, необ-ходимо 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 структур-ные 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 свя-зывать с открытием жидких кристаллов, поскольку он очень активно участвовал в первых исследованиях жидких кристаллов, и даже самим термином «жидкие кри-сталлы» мы обязаны именно ему.) Дело в том, что не только описанные противоречивые свойства жидких кри-сталлов представлялись многим авторитетам весьма со-мнительными, но и в том, что свойства различных жидко-кристаллических веществ (соединений, обладавших жид-кокристаллической фазой) оказывались существенно различными. Так, одни жидкие кристаллы обладали очень большой вязкостью, у других вязкость была невелика. Одни жидкие кристаллы проявляли с изменением тем-пературы резкое изменение окраски, так что их цвет пробегал все тона радуги, другие жидкие кристаллы та-кого резкого изменения окраски не проявляли. Наконец, внешний вид образцов, или, как принято говорить, тек-стура, различных жидких кристаллов при рассматрива-нии их под микроскопом оказывался совсем различным. В одном случае в поле поляризационного микроскопа могли быть видны образования, похожие на нити, в дру-гом - 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 представле-ниях о жидких кристаллах. Со временем ученые подошли к проведению классификации предмета исследований. Заслуга в создании основ современной классификации жидких кри-сталлов 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, дру-гую смектическими. Он же пред-ложил 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 про-межуточное положение между истинными кристаллами и жидкостями как по температуре, так и по своим физи-ческим свойствам.
Нематические жидкие кристаллы в классификации Фриделя включали уже упоминавшиеся выше холестерические жидкие кристаллы как подкласс. Когда классификация жидких кристаллов была созда-на, более остро встал вопрос: почему в природе реализу-ется жидкокристаллическое состояние? Полным ответом на подобный вопрос принято считать создание микроско-пической теории. Но в то время на такую теорию не при-ходилось и надеяться (кстати, последовательной микро-скопической теории жидких кристаллов не существует и по сей день), поэтому большим шагом вперед было создание чешским ученым X. Цохером и голландцем С. Озерном феноме-нологической теории жидких кристаллов, или, как ее при-нято называть, теории упругости жидких кристаллов.
В 30-х годах в СССР В.К. Фредерике и В.Н. Цветков первыми изучили не-обычные электрические свойства жидких кристаллов. Можно условно считать, что рассказанное выше отно-силось к предыстории жидких кристаллов, ко времени, когда исследования жидких кристаллов велись малочисленными коллек-тивами.
Современный этап изучения жидких кристаллов, который начался в 60-е годы и придал науке о жидких кристаллах сегод-няшние 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, потребляю-щих ничтожные мощности энергии для устройств инди-кации информации, т. е. связи прибора с человеком, наи-более подходящими оказываются индикаторы на жидких кристаллах.
Дело в том, что такие устройства отображения инфор-мации на ЖК естественным образом вписываются в энер-гетику и габариты микроэлектронных схем. Они потреб-ляют ничтожные мощности и могут быть выполнены в виде миниатюрных индикаторов или плоских экранов. Все это предопределяет массовое внедрение жидкокристал-лических индикаторов в системы отображения информа-ции, свидетелями которого мы являемся в настоящее время.
Чтобы осознать этот процесс, достаточно вспом-нить о часах или микрокалькуляторах с жидкокристалли-ческими индикаторами. Но это только начало. На смену традиционным и привычным устройствам идут жидко-кристаллические системы отображения информации. Так часто бывает, технические потребности не только стимулируют разработку проблем, связанных с практи-ческими приложениями, но и часто заставляют переос-мыслить общее отношение к соответствующему разделу науки. Так произошло и с жидкими кристаллами. Сейчас понятно, что это важнейший раздел физики конденсиро-ванного состояния.
Другим важным обстоятельством является то, что проводимость в жидких кристаллах носит ионный харак-тер. Это означает, что ответственными за перенос элек-трического тока в жидких кристаллах являются не электроны, как в ме-таллах, а гораздо более массивные частицы. Это поло-жительно и отрицательно заряженные фрагменты моле-кул (или сами молекулы), отдавшие или захватившие из-быточный электрон. По этой причине электропроводность жидких кристаллов сильно зависит от количества и хими-ческой природы содержащихся в них примесей. В част-ности, электропроводность нематика можно целена-правленно 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 по-нятным. 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 про-водимость.
Более того, обсуждаемая модель шариков-ионов в системе ориентированных палочек-молекул с необходи-мостью приводит к следующему важному заключению. Двигаясь под действием электрического тока поперек направления директора (считаем, что поле приложе-но поперек директора), ионы, сталкиваясь с молекула-ми-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 приво-дить к переориентации директора.
Эксперимент подтверждает выводы рассмотренной выше простой механической модели прохождения тока в жидком кристалле. Однако во многих случаях ситуа-ция оказывается не такой простой, как может показать-ся на первый взгляд.
Часто постоянное напряжение, приложенное к слою нематика, вызывает в результате возникшего тока не однородное изменение ориентации молекул, а периоди-ческое в пространстве возмущение ориентации директо-ра. Дело здесь в том, что, говоря об ориентирующем молекулы нематика воздействии ионов носителей тока, мы пока что пренебрегали тем, что ионы будут вовле-кать в свое движение также и молекулы нематика. В ре-зультате такого вовлечения прохождение тока в жид-ком кристалле может сопровождаться гидродинамичес-кими потоками, вследствие чего может установиться пе-риодическое в пространстве распределение скоростей течения жидкого кристалла. Вследствие обсуждав-шейся в предыдущем разделе связи потоков жидкого кристалла с ориентацией директора в слое нематика воз-никнет периодическое возмущение распределения директора.
Говоря о форме мо-лекул жидкого кристалла, мы пока аппроксимировали ее жесткой палочкой. Рассматривая модели структур молекул, можно прийти к заключению, что не для всех соединений приб-лижение молекула-палочка наиболее адекватно их фор-ме. C формой молекул связан ряд интересных, наблюдаемых на опыте, свойств жид-ких кристаллов. Особого внимания заслуживают свойства жидких кристаллов, связанные с отклоне-нием его формы от простейшей молекулы-палочки, про-являющемся в существовании флексоэлектрического эффекта.
Открытие флексоэлектрического эф-фекта, как иногда говорят о теоретических предсказа-ниях, было сделано на кончике пера американским физи-ком Р. Мейером в 1969 году.
Рассматривая модели жидких кристаллов, образо-ванных 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 не-симметричной формы - типичное явление и связано оно с тем, что расположение «центра тяжести» отрица-тельного электрического заряда электронов в молекуле может быть несколько смещено относительно «центра тяжести» положительных зарядов атомных ядер моле-кулы. Это относительное смещение отрицательных и по-ложительных зарядов относительно друг друга и приво-дит к возникновению электрического дипольного момен-та молекулы. При этом в целом молекула остается нейт-ральной, так как величина отрицательного заряда элек-тронов в точности равна положительному заряду ядер. Величина дипольного момента равна произведению за-ряда одного из знаков на величину их относительного смещения. Направлен дипольный момент вдоль направ-ления смещения от отрицательного заряда к положительному. Для грушеобразной молекулы направление ди-польного момента по симметричным соображениям должно совпадать с осью вращения, для банановидной молекулы - направлено поперек длинной оси.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5
