Жидкие кристаллы
Этот раздел несколько выпадает из контекста данной главы, поскольку рассматриваемые здесь объекты не являются твердыми телами. Однако, как видно из названия раздела, они все-таки относятся к кристаллам.
Некоторые вещества при повышении температуры переходят из твердого состояния в жидкое не сразу, а через состояние, в котором их структура является промежуточной между структурой кристалла и жидкости.
Жидкие кристаллы (ЖК) могут образовать только вещества с длинными жесткими молекулами, т.е. это не атомные, а молекулярные кристаллы. Например, небольшие органические молекулы на рис. 1.10, которые всегда стремятся расположиться вдоль одного направления, т. е. упорядоченно.
Рис. 1.10. Молекула жидкого кристалла: R,R’- короткие, частично гибкие связи;A–B– двойная или тройная связь
С ростом температуры эта упорядоченность убывает и в конце концов исчезает. Диапазон температур, в пределах которого существует ЖК – фаза, составляет всего несколько градусов.
Необходимо отметить, что хотя дальний порядок симметрии в ЖК отсутствует, они имеют анизотропию оптических, электрических, магнитных и других свойств (рис. 1.11, а). Например, разность показателей преломления для света, поляризованного параллельно и перпендикулярно ориентации молекул, составляет обычно ~ 0,2.
б)
в)
а)
а) б) в)
Рис. 1.11. Структура жидких кристаллов: a– нематическая фаза;б– холестерическая фаза;в– смектическая фаза; 1 – молекула ЖК; 2 – молекула-спираль (вращение перпендикулярно плоскости чертежа)
Описанная ЖК фаза называется нематической. Кроме нематической различают еще холестерическую и смектическую фазы. Вхолестерическойфазе молекулы представляют собой не ровные, а слегка закрученные стержни (рис. 1.11,б). Структура холестерического ЖК периодична по спирали, что приводит к брэгговскому отражению света на длине волны, равной шагу спирали, деленному на показатель преломления. Этот ЖК также поворачивает плоскость поляризации света, распространяющегося вдоль оси спирали на угол, зависящий от толщины среды и шага спирали. С помощью внешнего электрического поля можно изменять шаг спирали, поворачивать ее ось, переводить кристалл из холестерической в нематическую фазу. Поэтому если поместить такой материал между двумя поляроидами, то пропускание такой системой будет зависеть от приложенной разности потенциалов. На этом принципе построены индикаторы часов и калькуляторов, дисплеи мобильных телефонов и мониторов ЭВМ.
Смектическая фаза ЖК (рис. 1.11, в) отличается большой упорядоченностью, чем нематическая, и возникает она при более низкой температуре.
Жидкие кристаллы холестерической и смектической фазы чувствительны к тепловым и механическим воздействиям, что позволяет использовать их для контроля тонких воздействий.
ЖК элементы потребляют малую мощность, им можно придавать различные размеры и формы, варьировать цвет индикаторов. Они дешевы и просты в изготовлении. Однако эти элементы не лишены недостатков: ограниченный температурный диапазон и сравнительно большая инерционность (единицы – десятки миллисекунд).