Реферат: Жидкий кристалл

Всё чаще мы стали встречаться с термином «жидкие кристаллы». Мы все часто с ними общаемся, и они играют немаловажную роль в нашей жизни. Многие современные приборы и устройства работают на них. К таким относятся часы, термометры, дисплеи, мониторы и прочие устройства. Что же это за вещества с та­ким парадоксальным названием «жидкие кристаллы» и почему к ним проявляется столь значительный интерес? В наше время наука стала производительной силой, и поэтому, как правило, повышенный научный интерес к тому или иному явлению или объекту означает, что это явление или объект представляет интерес для материаль­ного производств а. В этом отношении не являются ис­ключением и жидкие кристаллы. Интерес к ним, прежде всего, обусловлен возможностями их эффективного при­менения в ряде отраслей производственной деятельно­сти. Внедрение жидких кристаллов означает экономиче­скую эффективность, простоту, удобство.

Жидкий кристалл – это специфическое агрегатное со­стояние вещества, в котором оно проявляет одновре­менно свойства кристалла и жидкости. Сразу надо огово­риться, что далеко не все вещества могут находиться в жидкокристаллическом состоянии. Большинство веществ может находиться только в трех, всем хорошо известных агрегатных состояниях: твердом или кристаллическом, жидком и газообразном. Оказывается, некоторые органические вещества, обладающие сложными молеку­лами, кроме трех названных состояний, могут образовы­вать четвертое агрегатное состояние — жидкокристалли­ческое. Это состояние осуществляется при плавлении кристаллов некоторых веществ. При их плавлении обра­ зуется жидкокристаллическая фаза, отличающаяся от обычных жидкостей. Эта фаза существует в интервале от температуры плавления кристалла до некоторой более высокой температуры, при нагреве до которой жидкий кристалл переходит в обычную жидкость. Чем же жидкий кристалл отличается от жидкости и обычного кристалла и чем похож на них? Подобно обыч ной жидкости, жидкий кристалл обладает текучестью и принимает форму сосуда, в который он помещен. Этим он отличается от известных всем кристаллов. Однако, несмотря на это свойство, объединяющее его с жид­костью, он обладает свойством, характерным для кри­сталлов. Это — упорядочение в пространстве молекул, образующих кристалл. Правда, это упорядочение не та­кое полное, как в обычных кристаллах, но, тем не менее, оно существенно влияет на свойства жидких кристаллов, чем и отличает их от обычных жидкостей. Неполное про­странственное упорядочение молекул, образующих жид­кий кристалл, проявляется в том, что в жидких кристал­лах нет полного порядка в пространственном располо­жении центров тяжести молекул, хотя частичный порядок может быть. Это означает, что у них нет жесткой кри­сталлической решетки. Поэтому жидкие кристаллы, по­добно обычным жидкостям, обладают свойством текуче­сти.

Обязательным свойством жидких кристаллов, сбли­жающим их с обычными кристаллами, является наличие порядка» пространственной ориентации молекул. Такой порядок в ориентации может проявляться, например, в том, что все длинные оси молекул в жидкокристалличе­ском образце ориентированы одинаково. Эти молекулы должны обладать вытянутой формой. Кроме простейше­го названного упорядочения осей молекул, в жидком кристалле может осуществляться более сложный ориентационный порядок молекул.

В зависимости от вида упорядочения осей молекул жидкие кристаллы разделяются на три разновидности: нематические, смектические и холестерические.

Исследования по физике жидких кристаллов и их при­менениям в настоящее время ведутся широким фрон­том во всех наиболее развитых странах мира. Отечествен­ные исследования сосредоточены как в академических, так и отраслевых научно-исследовательских учреждени­ ях и имеют давние традиции. Широкую известность и признан ие получили выполненные еще в тридцатые годы в Ленинграде работы В. К. Фредерикса к В. Н. Цветкова. В последние годы бурного изучения жидких кристаллов отечественные исследователи также вносят весомый вклад в развитие учения о жидк их крист аллах в целом и, в частности, об оптике жидких кристаллов. Так, работы И. Г. Чистякова, А. П. Капустина, С. А. Бразовского, С. А. Пикина, Л. М. Блинова и многих других советских иссле­дователей широко известны научной общественности и служат фундаментом ряда эффективных технических приложений жидких кристаллов.

Существование жидких кристаллов было установлено очень давно, а именно в 1888 году, то есть почти столетие назад. Хотя учёные и до 1888 года сталкивались с данным состоянием вещества, но официально его открыли позже.

Первым, кто обнаружил жидкие кристаллы, был авст­рийский ученый-ботаник Рейнитцер. Исследуя новое син­тез ированное им вещество холестерилбензоат, он обн а­ружил, что при температуре 145° С кристаллы этого ве­щества плавятся, образуя мутную сильно рассеивающую свет жидкость. При продолжении нагрева по достижении температуры 179°С жидкость просветляется, т. е. начина­ет вести себя в оптическом отношен ии, как обычная жидкость, например вода. Неожиданные свойства холестерилбензоат обнаруживал в мутной фазе Рассматри­вая эту фазу под поляризационным микроскопом, Рей­нитцер обнаружил, что она обладает двупреломлением. Это означает, что показатель преломления света, т. е скорость света е этой фазе, зависит о т поляризации.

Явление двупреломления —это типично кристалличе­ский эффект, состоящий в том, что скорость света в кри­сталле зависит от ориентации плоскости поляризации света. Существенно, что она достигает экстремального максимального и минимального значений для двух вза­имно ортогональных ориентаций плоскости поляризации. Разумеется, ориентации поляризации, соответствующие экстремальным значениям скорости свете в кристалле, определяются анизотропией свойств кристалла и одно­значно задаются ориентацией кристаллических осей отно­сительно направления распространения света.

Поэтому сказанное поясняет, что существование дву­преломления в жидкости, которая должна быть изотроп­ной, т. е. что ее свойства должны быть независящими от направления, представлялось парадоксальным. Наиболее правдоподобным в то время могло казаться наличие в мутной фазе нерасплавившихся малых частичек кристалла, кристаллитов, которые и являлись источником двупреломления. Однако более детальные исследования, к которым Рейнитцер привлек известного немецкого фи­зика Леймана, показали, что мутная фаза не является двух­фазной системой, т. е. не содержит в обычной жидкости кристаллических включений, а является новым фазовым состоянием вещества. Этому фазовому состоянию Лейман дал название «жидкий кристалл» в связи с одновре­менно проявляемыми им свойствами жидкости и кристал­ла. Употребляется также и другой термин для названия жидких кристаллов. Это — «мезофаза», что буквально означает «промежуточная фаза».

В то время существование жидких кристаллов пред­ставлялось каким-то курьезом, и никто не мог предполо­жить, что их ожидает почти через сто лет большое буду­щее в технических приложениях. Поэтому после некото­рого интереса к жидким кристаллам сразу после их от­крытия о них через некоторое время практически за­были.

Тем не менее, уже в первые годы были выяснены мно­гие другие удивительные свойства жидких кристаллов. Так, некоторые виды жидких кристаллов обладали не­обычно высокой оптической активностью.

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 Ра 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 фа и по часовой стрелке при отрицательном Ра. 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 Ра, 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 сказать, что в конце девятнадцатого — начале двадцатого века многие очень авторитетные учёные весьма скептически относились к открытию Рейнит-цера 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. Как говорят, настало время для 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. (Почему такие на первый взгляд не­понятные названия дал Фридель разновидностям жидких кристаллов, будет понятно несколько ниже.) 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 ЖК 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 ЖК. 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 ЖК велись малочисленными коллек­тивами. Современный этап изучения жидких кристаллов, который начался в 60-е годы и придал науке о ЖК сегод­няшние формы, методы исследований, широкий размах работ сформировался под непосредственным влиянием успехов в технических прилож ениях 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 ЖК. Дело в том, что такие устройства отображения инфор­мации на ЖК естественным образом вписываются в энер­гетику и габариты микроэлектронных схем. Они потреб­ляют ничтожн ые мощности и могут быть выполнены в виде миниатюрных индикаторов или плоских экранов. Все это предопределяет массовое внедрение жидкокристал­лических индикаторов в систе мы отобра жения информа­ции, свидетел ями которого мы являемся » 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.jkbkчасто 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 ЖК 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 контролируемо» 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 р. 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 о II 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 (мы 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. Подробней на этом интересном и важном в при­ложении жидких кристаллов явлении мы остановимся ниже, рассказывая об электрооптике нематиков.

Флексоэлектрический эффект. Говоря о форме мо­лекул жидкого кристалла, мы пока аппроксимировали ее жесткой палочкой. А всегда ли такая аппроксимация хороша? Рассматривая модели структур молекул, можно прийти к заключению, что не для всех соединений приб­лижение молекула-палочка наиболее адекватно их фор­ме. Далее мы увидим, что с формой молекул связан ряд интересных, наблюдаемых на опыте, свойств жид­ких кристаллов. Сейчас мы остановимся на одном из таких свойств жидких кристаллов, связанном с отклоне­нием ее формы от простейшей молекулы-палочки, про­являющемся в существовании флексоэлектрического эффекта.

Интересно, что 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. Как видно из рисунка, 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, как уже, наверное, заметили наиболее внимательные читатели, 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

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--