fiz_osnovy_elektroniki_КЛ

10.8. Жидкие кристаллы

Особый класс электрооптических материалов представляют жидкие кристаллы. Жидкокристаллическое состояние вещества было открыто в 1888 г., но применять жидкие кристаллы стали лишь относительно недавно.

Жидкие кристаллы – это вещества, которые находятся в промежуточном состоянии между твердым кристаллом и жидкостью и обладают свойствами, характерными как для кристаллов (анизотропия), так и для жидкостей (текучесть). Жидкокристаллическое состояние существует лишь в определенном интервале температур между твердокристаллическим и изотропным жидким. При понижении температуры жидкий кристалл переходит в твердый (точка плавления), а при повышении – в изотропную жидкость. Жидкокристаллическую фазу иногда называют мезофазой, т. е. промежуточной фазой, а жидкокристаллическое состояние вещества – мезоморфным.

Жидкие кристаллы образуются органическими соединениями, молекулы которых обычно имеют удлиненную, плоскообразную форму. Многие из них содержат бензольные кольца в молекулярной цепи. Например, молекула p-метоксибензилинен – p -n-бутиланилина (МББА), интервал температур мезофазы которого составляет 22–48 C, имеет вид

По структуре жидкие кристаллы подразделяют на три класса: нематические, смектические и холестерические.

Внематических кристаллах удлиненные молекулы выстроены в виде нитей, как показано на рис. 10.16 а (слово «немос» по-гречески означает нить). Направление преимущественной ориентации молекул является оптической осью кристалла.

Всмектических жидких кристаллах параллельно ориентированные молекулы упакованы в слои (рис. 10.16б) и таким образом имеют большую степень упорядочения. Если одно и то же вещество может находиться в обеих жидкокристаллических модификациях, то смектическая фаза расположена по температуре ближе к твердой фазе, чем нематическая. Например, в n-гептилоксибензойной кислоте происходят следующие фазовые превращения с повышением температуры:

151

Слоистая упаковка молекул создает анизотропию не только оптических, но и механических свойств, поскольку слои легко смещаются относительно друг друга. Слово “смектос” по-гречески – мыло; к этим кристаллам относятся мыльные растворы.

В холестерических жидких кристаллах пластинчатые молекулы также укладываются в слои, но ориентировка их плавно меняется от слоя к слою, так как молекулы выстраиваются по пространственной спирали (рис. 10.16 в). К этому классу относятся в основном соединения холестерина.

Ориентационный порядок в расположении молекул приводит к анизотропии свойств жидких кристаллов: показатель преломления, диэлектрическая и магнитная проницаемости, удельное сопротивление, вязкость и другие параметры в направлении, параллельном молекулярным осям, и в перпендикулярной плоскости неодинаковы (рис. 10.17).

Рис. 10.16. Структура жидких кристаллов:

а) нематических; б) смектических; в) холестерических

Рис. 10.17. Температурная зависимость показателей преломления параазоксианизола в направлении, параллельном (n0)

и перпендикулярном (nе) молекулярным осям

152

Свойства жидких кристаллов сходны со свойствами сегнетоэлектриков. Как и сегнетоэлектрики, жидкие кристаллы разбиты на домены – области с одинаковыми направлениями осей молекул. В переменном электрическом поле для некоторых из них характерны петли гистерезиса с ярко выраженным насыщением. В точках фазового перехода диэлектрическая проницаемость имеет максимум , исчезающий с повышением частоты как у дипольных сегнетоэлектриков. Однако время переориентации диполей в жидких кристаллах велико по сравнению с сегнетоэлектриками, и петля гистерезиса, и максимум наблюдаются лишь на очень низких частотах (< 1 Гц).

Структура жидких кристаллов очень подвижна и легко изменяется при внешних воздействиях: электрического и магнитного полей, температуры, давления и т. д. Изменение структуры в свою очередь приводит к изменениям оптических, электрических и других свойств. Поэтому можно управлять свойствами жидких кристаллов путем очень слабых внешних воздействий, т. е. использовать их в качестве чувствительных индикаторов этих воздействий. На практике используют изменение оптических свойств при внешних воздействиях электрическим полем в нематических кристаллах и тепловым – в холестерических.

Жидкие кристаллы нематического типа применяют благодаря при-

сущему им электрооптическому эффекту динамического рассеяния.

Слабое электрическое поле, приложенное к жидкому кристаллу, вызывает выстраивание молекул осями с высокой параллельно полю. Однако если напряжение превысит некоторое пороговое значение, устойчивая доменная структура разрушается, возникает ячеистая структура, сопровождающаяся появлением гидродинамических течений. При дальнейшем увеличении напряжения течение в жидкости становится турбулентным, а вещество оптически неоднородным. Поле может быть как постоянным, так и переменным с низкой частотой (до 0,01 10 кГц в зависимости от материала). Время установления состояния динамического рассеяния составляет 1 10 мс, а исчезновения после снятия напряжения – 20 200 мс. Быстродействие индивидуальных жидкокристаллических соединений выше, чем смесей; оно повышается с увеличением напряжения.

153

154