Учебники 80359

У аморфных тел определённой температуры плавления нет. При нагревании они не плавятся, а постепенно размягчаются. Положим кусок пластилина вблизи нагревательного прибора. Через какое-то время он станет мягким. Это происходит не мгновенно, а в течение некоторого интервала времени.

Рис. 10.3. Функции радиального распределения метасиликата натрия находящегося: а – в аморфном состоянии; б – в виде очень мелких кристаллитов; в – в

поликристаллическом состоянии

Так как свойства аморфных тел схожи со свойствами жидкостей, то их рассматривают как переохлаждённые жидко-

111

сти с очень большой вязкостью (застывшие жидкости). При обычных условиях течь они не могут. Но при нагревании перескоки атомов в них происходят чаще, уменьшается вязкость, и аморфные тела постепенно размягчаются. Чем выше температура, тем меньше вязкость, и постепенно аморфное тело становится жидким.

Обычное стекло - твёрдое аморфное тело. Его получают, расплавляя оксид кремния, соду и известь. Нагрев смесь до 1400оС, получают жидкую стекловидную массу.

При охлаждении жидкое стекло не затвердевает, как кристаллические тела, а остаётся жидкостью, вязкость которой увеличивается, а текучесть уменьшается. При обычных условиях оно кажется нам твёрдым телом. Но на самом деле это жидкость, которая имеет огромную вязкость и текучесть, настолько малую, что она едва различается самыми сверхчувствительными приборами.

При внешних воздействиях аморфные тела обнаруживают одновременно упругие свойства, подобно твердым телам, и текучесть, подобно жидкости. Так, при кратковременных воздействиях (ударах) они ведут себя как твердые тела и при сильном ударе раскалываются на куски. Но при очень продолжительном воздействии аморфные тела текут. В этом вы можете убедиться сами, если запасетесь терпением. Проследите за куском смолы, который лежит на твердой поверхности. Постепенно смола по ней растекается, и, чем выше температура смолы, тем быстрее это происходит.

Атомы или молекулы аморфных тел, подобно молекулам жидкости, имеют определенное время «оседлой жизни» - время колебаний около положения равновесия. Но в отличие от жидкостей это время у них весьма велико. Так, для вара при t= 20°С время «оседлой жизни» примерно 0,1с. В этом отношении аморфные тела близки к кристаллическим, так как перескоки атомов из одного положения равновесия в другое происходят сравнительно редко, и мы ощущаем вещество как твёрдое тело.

Аморфные тела при низких температурах по своим свойствам напоминают твердые тела. Текучестью они почти не обла-

112

дают, но по мере повышения температуры постепенно размягчаются и их свойства все более и более приближаются к свойствам жидкостей. Это происходит потому, что с ростом температуры постепенно учащаются перескоки атомов из одного поло-

жения равновесия в другое. Определенной температуры плавле-

ния аморфных тел, в отличие от кристаллических, нет. Кристаллических твёрдые тела обладают анизотропией,

т.е. их физические свойства различаются в разных направлениях. А в аморфных телах они по всем направлениям одинаковы. Это явление называют изотропностью.

Аморфное тело одинаково проводит электричество и теплоту по всем направлениям, одинаково преломляет свет. Звук также одинаково распространяются в аморфных телах по всем направлениям.

Свойства аморфных веществ используются в современных технологиях. Особый интерес вызывают металлические аморфные сплавы, которые не имеют кристаллической структуры и относятся к твёрдым аморфным телам. Их называют металлическими стёклами. Их физические, механические, электрические и другие свойства отличаются от аналогичных свойств обычных металлов как правило в лучшую сторону.

Так, в медицине используют аморфные сплавы, прочность которых превышает прочность кристаллических сплавов. Из них делают винты или пластины, которыми соединяют сломанные кости. В отличие от титановых деталей крепления этот материал постепенно распадается и со временем заменяется костным материалом.

Применяют высокопрочные сплавы при изготовлении металлорежущих инструментов, арматуры, пружин, деталей механизмов. В Японии разработан аморфный сплав, обладающий высокой магнитной проницаемостью. Применив его в сердечниках трансформаторов вместо текстурованных листов трансформаторной стали, можно снизить потери на вихревых токах в

20 раз.

113

11.ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ

11.1.История открытия жидких кристаллов

Большинства веществ образуют трехмерную кристаллическую решетку в узлах которой лежат молекулы, упорядоченные в трех измерениях. При нагревании до определенной температуры наблюдается фазовый переход из трехмерного упорядоченного состояния в разупорядоченное жидкое состояние, а при дальнейшем нагревании - в газообразное состояние. Выяснилось, что существуют некоторые промежуточные фазы, которые обладают агрегатным состоянием жидкости, но, тем не менее, имеют некоторый порядок: не трехмерный, а двумерный или какой-то другой вырожденный порядок.

Первое сообщение о жидкокристаллическом состоянии вещества появилось в 1888 году. По некоторым другим данным, такое необычное состояние вещества фиксировалось и в 1850 году, но принято считать, что в 1888 году Фридрих Рейницер, австрийский ученый, исследовал вещество холестерилбензоат и обнаружил, что при нагревании до 145° кристаллическая фаза (белый порошок) переходит в странную мутную жидкость, а при дальнейшем нагревании до 179° наблюдается переход в обычную прозрачную жидкость. Он пытался очистить это вещество, так как не был уверен, что имеет чистый холестерилбензоат, но тем не менее эти два фазовых перехода воспроизводились. Рейницер отправил образец этого вещества своему приятелю физику Отто фон Леману, который занимался изучением обычных кристаллов методом поляризационной оптической микроскопии. При помещении между поляризатором и анализатором кристалликов определенного вещества можно видеть текстуры и таким образом изучать оптические свойства кристаллов.. Отто фон Леман был уверен, что все свойства кристаллических веществ зависят исключительно от формы молекул, то есть неважно, как они расположены в этом кристалле, важна форма молекул. И в случае жидких кристал-

114

лов он оказался прав – форма молекул определяет способность образовывать жидкокристаллическую фазу.

В 1888 году Рейницер написал, что существуют кристаллы, мягкость которых такова, что позволяет назвать их жидкими, затем Леман написал статью о текучих кристаллах, фактически он придумал термин жидкие кристаллы. Важный исторический эпизод: в 20-30-х годах советский физик Фредерикс, изучая влияние магнитного и электрического поля на оптические свойства жидких кристаллов, обнаружил, что ориентация молекул в жидких кристаллах очень быстро меняется под действием даже слабых внешних полей. С конца 60-х годов начался бум изучения жидкокристаллических систем, когда научились их использовать. Вначале для систем отображения информации в обычных электронных цифровых часах, затем - в калькуляторах, а с появлением компьютерной техники стало понятно, что жидкие кристаллы можно активно использовать для изготовления дисплеев. Естественно, такой технологический скачок стимулировал изучение жидких кристаллов с точки зрения фундаментальной науки [22].

11.2. Основные типы жидкокристаллической фазы

Обычно жидкокристаллическую фазу образуют молекулы, имеющие палочкообразную или дискообразную форму, то есть обладающих анизометрией формы. Можно представить простой эксперимент: если хаотично насыпать в коробочку палочек и потрясти, то в результате этого встряхивания палочки сами по себе уложатся параллельно, так и устроена самая простая нематическая фаза (рис. 11.1).

Существует ориентационный порядок вдоль какого-то направления, а центр масс молекул разупорядоченный. Существуют куда более сложные фазы, например, смектического типа, когда центр масс находится в плоскостях, то есть такие слоистые фазы. Очень интересна холестерическая фаза: локальный порядок у нее такой же, как и у нематической, есть

115

ориентационный порядок, но на расстоянии сотен нанометров образуется спиральная структура с определенным направлением закрутки (хиральности).

Рис. 11.1. Типы мезофаз жидких кристаллов [22]

Существуют так называемые голубые фазы (рис. 11.2).

Рис. 11.2. Голубые фазы жидких кристаллов [22]

Линии на рисунке указывают на направление ориентации молекул, и основной структурный элемент таких фаз - цилиндры, в которых сложно меняется ориентация длинных осей молекул, то есть в центре этого цилиндра ориентация вдоль оси цилиндра, а по мере удаления к периферии наблюдается поворот.

Структуры молекул жидких кристаллов представлены на рис. 11.3.

116

промежуточная фаза между кристаллом и обычной изотропной жидкостью.

Каждый из нас носит с собой небольшое количество жидких кристаллов, потому что все мониторы мобильных телефонов на жидких кристаллах. Жидкие кристаллы стабильны, не требуется большого напряжения для переключения картинки – это очень важно. Важное сочетание наблюдается в жидких кристаллах, так называемая анизотропия свойств, то есть это неодинаковость свойств по различным направлениям в среде, низкая вязкость. Это даёт возможность создать оптическое устройство, которое переключается со временем переключения миллисекунды или даже микросекунды. При этом устройство обладает высокой чувствительностью к внешним полям. Эти эффекты носят название перехода Фредерикса. Рассмотрим как устроен простой циферблат электронных часов (рис. 11.4).

Рис. 11.4. Схема перехода Фредерикса [22]

Два кристалла поляризатора повёрнуты на 900 друг относительно друга, что делает эту систему непрозрачной для света. Если читателю это непонятно, то прошу обратиться к курсу лекций «Оптика». Между ними находится слой жидкого кристалла (палочки на рисунке), который поворачивает плос-

118

кость поляризации в след за ориентацией молекул (палочек). Свет в этом случае проходит через такую конструкцию.

Если наложить электрическое поле в вертикальном направлении, то молекулы жидкого кристалла выстроятся вдоль поля и теперь свет, падая на один поляризатор, не может пройти через другой. Так появляется темное изображение, которое используется на наручных часах. Это самая простая схема, конечно, жидкокристаллические мониторы – это намного более сложные конструкции, многослойные, слои обычно очень тонкие – от десятков нанометров до микрон, – но принцип в основном такой, и этот переход, когда меняется ориентация молекул вдоль электрического или магнитного поля (в мониторах используется электрическое поле, потому что это проще), называется переходом (эффектом) Фредерикса и активно используется во всех таких устройствах. Первый прототип – нематический дисплей в циферблате представлен на рис. 11.5.

При этом требуется слабое электрическое поле, чтобы переориентировать молекулу жидкого кристалла.

Рис. 11.5. Внешний вид первых ЖК-индикаторов (конец 60-х – начало 70-х годов) [22]

Фактически это гальванический элемент, составленный из двух картофелин в качестве электролита, то есть необходимо очень маленькое напряжение в районе 1В для такой переориентации, поэтому такое широкое применение эти вещества получили.

119

12. СВОЙСТВА КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕД

12.1.Электропроводность

12.1.1.Проводимость и сопротивление

Ещё из школьного курса физики мы знаем, что металлы хорошо проводят электрический ток потому, что в них имеются свободные электроны. Напротив, изоляторы (диэлектрики) не проводят тока, так как электроны в них не могут покинуть ионы или межионные связи. Однако в этой картине остается много неясного. Почему в одних веществах имеются свободные электроны, тогда как в других они отсутствуют? Почему большие токи, которые могут течь по проводнику (металлу), уменьшаются с ростом температуры, тогда как очень малые токи в диэлектрике, наоборот, при повышении температуры возрастают?

В основе металлической связи лежит положение о том, что валентные электроны атомов покидают их и создают так называемый электронный газ, который можно заставить направленно двигаться в о внешнем электрическом поле. Чтобы удалить электрон из атома, требуется сообщить ему энергию, достаточную для перехода с занимаемого им уровня. Эти энергии измерены в экспериментах на изолированных атомах, на основании чего были составлены соответствующие табли-

цы (рис. 12.1).

Для атомов каждого элемента указаны наименьшие значения энергии в электронвольтах, требуемой для освобождения электрона с наивысшего из занятых уровней; эта энергия носит название первого ионизационного потенциала. Последовательно двигаясь по таблице слева направо, мы обнаружим, что почти все элементы, известные нам как металлы или изоляторы, можно достаточно четко разделить горизонтальной полосой (ширина которой не более 2 эВ), причем у металла значения первого ионизационного

120