2.1.5. Жидкие кристаллы

В конце ХIX века были открыты вещества, свойства внутренней структуры которых в жидком состоянии имели черты, характерные как для жидкости, так и для твердого тела. Такое состояние вещества называют мезоморфным, что означает состояние с промежуточной структурой, а вещества – жидкими кристаллами. Вещество в жидком состоянии обладает текучестью и принимает форму сосуда, в котором находится. Ориентация молекул в жидкости, даже если она имеет место, имеет ближний порядок в диапазоне нескольких молекулярных слоев. В твердом кристалле, наоборот, молекулы строго ориентированы во всем объеме и имеют дальний порядок.

Жидкие кристаллы – это вещества, имеющие при данных температурных условиях характер жидкости и твердого тела. Встречаются они часто. Из 200 вновь синтезированных веществ – одно жидкокристаллическое.

Классификация жидких кристаллов. Различают три типа жидких кристаллов: смектические, нематические, холестерические.

Смектическиевпервые наблюдали в мылах (рис. 2.2).

В таких кристаллах вытянутые молекулы в форме сигар или веретен расположены параллельно своим длинным осям и образуют слои одинаковой толщины, близкой к длине молекул. Эти слои лежат один на другом. Молекулярные слои подвижны, легко перемещаются параллельно друг друга. Температура фазового перехода в мезоморфное состояние достаточно велика. Она должна быть такой, чтобы нарушить связь между рядами, но не молекулами. Если нарушена связь между молекулами, то вещество – двухмерная жидкость. По мере понижения температуры упорядочивается связь с молекулами, потом между слоями, потом появляется кристаллическая структура. Пример смектика – мыльный пузырь. Это два слоя кристаллов, разделенные жидкостью (Н₂О).

В нематиках молекулы расположены в виде нитей (рис. 2.3).

Ориентация осей молекул параллельна, однако они не образуют слоев. Длинные оси лежат вдоль нитей.

В холестериках молекулы расположены в слоях, как и в смектиках, однако длинные оси параллельны плоскости слоев, а их расположение в пределах слоя напоминает нематик.

Слои тонкие, мономолекулярные. Направление ориентации длинных осей молекул в каждом последующем слое отклонено на 15 угловых минут по сравнению с предыдущим слоем. Эти отклонения суммируются по всей толщине вещества, что приводит к образованию спиральной молекулярной структуры кристалла.

Свойства жидких кристаллов

1. Двойное преломление света (характерное для твердых кристаллов).

Для холестерических – вращение плоскости поляризации. Если линейно-поляризованный свет проходит через слой холестерика перпендикулярно слоям, то направление колебаний электрического вектора световой волны будет повернуто влево или вправо (тип кристалла). Плоскость колебаний света также поворачивается влево или вправо. Угол вращения пропорционален толщине слоя вещества.

Достигнув поверхности жидкого кристалла, свет дисперсирует на две составляющие с круговой поляризацией в направлениях, обратных повороту электрических векторов. Одна составляющая проникает вглубь кристалла, другая отражается от его поверхности, что вызывает появление характерной окраски жидкокристаллического образца.

2. Наличие в жидких кристаллах дальнего порядка в ориентации молекул вызывает анизатропию электрических и магнитных свойств, присущую твердым кристаллам. Однако, в отличие от твердых тел, силы межмолекулярного взаимодействия здесь значительно слабее. Энергия деформации жидкого кристалла мала, поэтому их молекулярную структуру легко изменить под действием электрического и магнитного полей небольшой мощности.

3. Для изменения структуры достаточны также незначительные температурные колебания или механические воздействия на жидкий кристалл.

4. Структурным изменениям жидких кристаллов сопутствуют изменения оптических свойств, изменения степени пропускания и отражения света, двулучепреломления, оптической активности, окраски.