4.4. Жидкие кристаллы

В этот класс входят вещества, находящиеся в промежуточном со­стоянии между твердым кристаллическим и изотропным жидким. Жид­кие кристаллы (мезофазы, мезоморфное состояние вещества, анизо­тропная жидкость), сохраняя основные черты жидкости, например, те-

кучесть, обладают характерной особенностью твердых кристаллов -анизотропией свойств. В отсутствие внешних воздействий в жидких кристаллах анизотропны диэлектрическая проницаемость, магнитная восприимчивость, электропроводность, теплопроводность и др.

Жидкие кристаллы состоят из молекул удлиненной или дискообразной формы, взаимодействие между которыми стремится выстроить их в определенном порядке. При высоких температурах тепловое дви­жение препятствует этому и вещество представляет собой обычную жидкость. При температурах ниже критической в жидкости появляется выделенное направление, вдоль которого преимущественно ориентиро­ваны длинные или короткие оси молекул. Сложные биологически ак­тивные молекулы (например ДНК) и даже макроскопические вирусы также могут находиться в жидкокристаллическом состоянии.

Для описания дальнего ориентационного порядка молекулярных осей вводят вектор L (директор), указывающий направление, вдоль которого в среднем ориентированы выделенные молекулярные оси. Одноосные жид­кие кристаллы классифицируют по виду функции плотности вещества р(г) (г - пространственная координата) и их локальной ориентации L(r).

Рис. 4.1. Схемы структуры основных видов жидких кристаллов:a -нематические;

б - смектические; в — холестерические

Фаза с =const и L=const называется нематическим жидким кри­сталлом (от греч. пета - нить) (рис. 4.1,а). Смектические (от греч. smegma - мыло) жидкие кристаллы характеризуются L=const, а периодична вдоль выделенной оси z и постоянна в плоскости ху (рис. 4.1,6). Холестерические жидкие кристаллы характеризуются p=const и макро­скопически модулированной структурой, причем концы векторов L образуют в пространстве спираль(рис.4.1, в).

Наиболее важные практические приложения жидких кристаллов основаны на их электрооптических свойствах. Жидкие кристаллы ши­роко используются в электронных часах, калькуляторах, телевизорах в качестве индикаторов и табло для отображения информации и др. В комбинации с фоточувствительными полупроводниковыми слоями жидкие кристаллы применяются в качестве усилителей, преобразовате­лей изображений, устройств оптической обработки информации. В по­следние годы все более широкое применение находят жидкокристалли­ческие композиты в сочетании с полимерами.

4.5. Стекла

Этот класс материалов охватывает твердотельные системы (обыч­но окислы и смеси окислов), не являющиеся кристаллическими, т.е. не обладающие пространственным упорядочением (трансляционным и ориентационным) в расположении атомов, их магнитных моментов, электрических, дипольных моментов молекул и др. Основное свойство стекла - наличие большого числа метастабильных (долгоживущих) макро-состойний, приводящее к явлениям медленной релаксации системы.

Стеклообразное (аморфное) состояние вещества формируется при затвердевании переохлажденного расплава. Неравновесный переход системы в состояние стекла происходит при быстром снижении темпе­ратуры и называется замерзанием (стеклованием). Стекла классифици­руют по типу переменных, испытывающих замерзание. Известны стекла структурные (металлические, ковалентные, полимерные), спиновые, дипольные, электрические, протонные, сверхпроводниковые и др.

Стекла, как правило, изотропны, по механическим свойствам ха­рактеризуются упругостью (напряжение пропорционально деформации) с последующим хрупким разрушением при комнатной температуре и вязким течением (напряжение пропорционально скорости деформации) при повышенных температурах; по оптическим свойствам обычно про­зрачные (для видимого ИК-, УФ-, рентгеновского и у-излучения); как правило, диамагнитны; по электрическим свойствам большинство сте­кол - диэлектрики (силикатные стекла), но есть и полупроводники и др.