Нематические жидкие кристаллы

Наименее упорядоченной структурой обладают нематические кристаллы (от греческого слова «нема» — нить. Эти вещества включают микроскопические нитевидные структуры).

Длинные оси молекул нематических кристаллов параллельны друг другу, и в этом отношении вещество обнаруживает дальний порядок, подобно кристаллам. Но центры тяжести молекул расположены хаотически, и в их расположении обнаруживается лишь ближний порядок (рис. 8.14). Представьте себе длинную коробку, заполненную спичками. Спички могут смещаться вверх и вниз, но не могут переворачиваться, так что их оси остаются параллельными длинной оси коробки. Это и есть грубая модель нематического кристалла.

Рис. 8.14

Оптические свойства такого кристалла вдоль направления осей молекул и перпендикулярно им различны. Под действием электрических и магнитных полей ориентация осей молекул изменяется.

Смектические жидкие кристаллы

Наиболее упорядочены смектические жидкие кристаллы. Оси их молекул также параллельны, но образуют набор слоев. У некоторых смектических веществ молекулы упорядочены и внутри каждого слоя: центры их тяжести располагаются на прямых линиях (рис. 8.15, а). В других же веществах молекулы в слоях располагаются беспорядочно (рис. 8.15, б). В любом случае оси молекул параллельны друг другу и перпендикулярны плоскости слоя, толщина которого равна длине молекулы.

Рис. 8.15

У всех смектиков независимо от деталей структуры взаимодействие между слоями молекул гораздо слабее взаимодействия молекул внутри одного слоя. Поэтому слои могут легко скользить друг относительно друга, и смектики на ощупь мы-лоподобны. Отсюда и их название (от греческого слова «смегма» — мыло).

Обыкновенный мыльный пузырь представляет собой жидкокристаллическое вещество (рис. 8.16). Внешняя и внутренняя поверхности пузыря, между которыми находится мыльный раствор, состоят из слоев мыла. Притяжение молекул мыла в поверхностных слоях обеспечивает устойчивость мыльного пузыря. При увеличении радиуса пузыря свободные молекулы мыла из раствора переходят в жидкость. Если пузырь сокращается, то, напротив, молекулы мыла выталкиваются из поверхностного слоя и переходят в раствор.

Рис. 8.16

Холестерические* жидкие кристаллы

* Название холестерические кристаллы получили из-за того, что их молекулярное строение характерно для большого числа соединений, содержащих холестерин.

Эти жидкие кристаллы занимают промежуточное положение между нематическими и смектическими жидкими кристаллами.

Молекулы холестерических жидких кристаллов располагаются в слоях, как и молекулы смектических жидких кристаллов. Но в каждом слое центры молекул расположены беспорядочно, как у нематиков. Оси молекул параллельны плоскостям слоев (рис. 8.17; направления осей показаны стрелками). Из-за специфической формы молекул направление осей молекул в каждом слое незначительно повернуто относительно направления осей предшествующего слоя. В результате направления осей при перемещении от слоя к слою описывают спираль и примерно через 300 слоев картина расположения осей молекул повторяется.

Рис. 8.17

Существенно, что с изменением температуры углы, характеризующие повороты осей молекул от слоя к слою, изменяются. Это приводит к изменению условий отражения света от кристалла. В результате окраска кристалла при отражении белого света от холестерического кристалла зависит от температуры. При фиксированной температуре данное вещество имеет определенный цвет.