Глава 1. Общая характеристика жидких кристаллов и их оптических свойств

1.1 Общая характеристика жидких кристаллов

1.1.1. История открытия жидких кристаллов

В конце XIX столетия были открыты вещества, структура которых при определенной температуре имела черты, характерные как для жидкости, так и для кристаллического тела.

В 1888г. ученый-ботаник Рейнитцер опубликовал статью о поведении полученного им холестерилбензоната при изменении температуры. Кристаллы этого вещества плавились при температуре плавления, переходя в мутную жидкость. При дальнейшем нагревании вещество становилось прозрачным и сохраняло это состояние в некотором интервале температуры. Однако в процессе охлаждения в жидкости появлялась голубоватая окраска, которая быстро исчезала, далее наступало помутнение. Когда температура снова достигала температуры плавления (кристаллизации), снова появлялась такая окраска, после чего наступала кристаллизация.

Таким образом, холестерилбензонат плавился в две стадии: сначала образовывалась мутная жидкость; при дальнейшем нагревании – прозрачный расплав. Интерес для ученого представляло именно состояние мутной жидкости, так как при оптическом анализе она представляла собой двухфазную систему.

Рейнитцер полагал, что одна из фаз являлась кристаллической, так как только этим представлялось возможным объяснить наличие у данной фазы двойного лучепреломления, что присуще только кристаллическим веществам. Однако далее исследование этого состояние вещества ученым зашло в тупик, и он передал препарат известному физику Леманну.

Леманн исследовал целый ряд веществ в поляризационном микроскопе и установил, что они в мутном состоянии в определенных температурных интервалах способны проявлять оптическую анизотропию; однако свойства жидкости также были им присущи. Вначале ученый ошибочно считал, что вещества в таком состоянии имеют очень подвижную объемную кристаллическую решетку; другие ученые, тоже уже работавшие в то время над этим вопросом, предполагали, что имеют дело с эмульсиями, сильно рассеивающими свет; третьи — что в определенных веществах образуются микрокристаллы, окруженные пленкой. Но в конце концов было установлено, что это новое агрегатное состояние вещества, которое Леманн впервые назвал жидкокристаллическим.

Впоследствии это состояние вещества получило название мезоморфное (от «мезо» - средний, промежуточный), что означает состояние с промежуточной структурой, а вещества, способные образовывать такое состояние в определенном интервале температур, в свою очередь получили название жидкие кристаллы.

Образовывать жидкокристаллическую фазу способны не все вещества; однако оказалось, что это способность – не редкость; вероятность того, что новое синтезированное вещество оказывалось жидкокристаллическим, равна примерно 0,5%, что весьма значительно.

Сейчас этому открытию уже более 120 лет, однако научный интерес к жидким кристаллам не ослабевает – в первую очередь из-за возможности их эффективного применения в целом ряде отраслей производства.

1.1.2. Понятие и классификация жидких кристаллов

Жидкий кристалл – это агрегатное состояние вещества, в котором проявляются одновременно свойства твердого тела (кристалла) и жидкости.

Некоторые органические вещества, которые состоят из сложных молекул, кроме основных трех агрегатных состояний, могут образовывать четвертое агрегатное состояние — жидкокристаллическое. При плавлении кристаллов этих веществ образуется жидкокристаллическая фаза, существующая в интервале от температуры плавления кристалла до некоторой более высокой критической температуры, при которой жидкий кристалл переходит в обычную жидкость.

Вещества в жидкокристаллическом состоянии не имеют жесткой кристаллической решетки, поэтому принимают форму сосуда, в который они помещены и обладают текучестью; однако частичное упорядочение в пространственном расположении центров тяжести молекул имеет место быть.

Существуют два метода получения жидких кристаллов: плавление и растворение кристаллических тел. В зависимости от способа получения, жидкие кристаллы делятся на две группы – термотропные и лиотропные жидкие кристаллы соответственно. В свою очередь, лиотропные жидкие кристаллы делятся еще на два вида в зависимости от концентрации раствора – смектические и нематические; однако некоторые вещества в определенном растворителе могут образовывать кристаллы только одного типа – такие жидкие кристаллы получили название холестерические.

Каждый из видов жидких кристаллов отличается своими физическими свойствами из-за своего структурного различия. Рассмотрим в общих чертах структуру и особенности каждого вида.

Смектические жидкие кристаллы получили свое название от греч. «смегма» - «мыло», так как впервые жидкие кристаллы этого типа были обнаружены именно в мыле. Сокращенно этот тип жидких кристаллов называют смектиками. Жидкие кристаллы этого типа характеризуются слоистым строением (смектические слои разделены водной прослойкой); сами слои состоят из вытянутых молекул вещества, длинные оси которых расположены параллельно друг другу. Толщина слоя приблизительно равна длине молекулы (рис. 1)

Слои способны легко скользить друг по другу – этим объясняется текучесть данного типа жидких кристаллов. Температура фазового перехода в жидкокристаллическое состояние должна быть такой, чтобы нарушить связь между рядами, но не нарушить связь между молекулами, близко расположенными друг к другу.

Нематические жидкие кристаллы (от греч. "нема" - нить) получили свое название из-за микроструктур в виде нитей, из которых составляется этот тип жидких кристаллов. Длинные оси молекул ЖК параллельны определенному направлению, но центры тяжести располагаются хаотично. Отдельные слои молекулы не образуют.

Холестерические жидкие кристаллы получили свое название от названия вещества холестерина, так как к ним относятся в основном вещества, являющиеся производными от холестерина.

Этот тип ЖК характеризуется слоистым строением, подобно смектикам, однако длинные оси молекул располагаются не перпендикулярно к плоскости слоя, а параллельно; причем направление длинных осей каждого последующего слоя отличается от предыдущего на 15 угловых минут. Эти отклонения в сумме дают спиральную структуру вещества. Благодаря такой структуре холестерики обладают уникальными оптическими свойствами, так как такая фаза может вести себя подобно интерференционному фильтру по отношению к падающему свету, причем результат зависит от угла наблюдения и температуры.