Учебник для 10 класса

ФИЗИКА

§ 8.4. Жидкие кристаллы

• Существуют необычные вещества, которые совмещают в себе свойства кристаллического твердого тела и жидкости. Эти вещества называются жидкими кристаллами. Подобно жидкостям, они текучи. Но в то же время они, подобно кристаллам, обладают анизотропией. Главным для жидких кристаллов является анизотропия оптических свойств.

О существовании жидких кристаллов известно уже почти 100 лет. Но очень долгое время они рассматривались как курьез, не заслуживающий пристального внимания и изучения. Лишь несколько десятков лет назад началось детальное исследование этих веществ. С одной стороны, они нашли важные технические применения, а с другой — выяснилось, что жидкие кристаллы весьма распространены в природе. Они входят также в состав многих живых тканей.

Молекулы жидких кристаллов

Молекулы жидких кристаллов — это молекулы органических соединений, имеющие вытянутую сигарообразную форму. Строение их таково, что концы молекул очень слабо взаимодействуют друг с другом. Боковые же поверхности взаимодействуют достаточно сильно и могут прочно удерживать молекулы в едином ансамбле, в то время как концевые связи разорваны.

Жидкие кристаллы существуют в определенном для каждого вещества интервале температур. У одних веществ этот интервал невелик (ΔT ≈ 0,01 К), у других довольно широк (ΔT ≈ 100 К). Если жидкий кристалл нагреть, то он при некоторой температуре превращается в обычную жидкость, если охладить, то становится обыкновенным кристаллом.

В зависимости от характера ориентации осей молекул жидкие кристаллы подразделяются на три типа: нематические, смектические и холестерические.

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(1) жидкие кристаллы

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.

Применение жидких кристаллов

Зависимость цвета холестерических жидких кристаллов от температуры используется в медицине. С их помощью можно непосредственно наблюдать распределение температуры по поверхности человеческого тела. Это важно для выявления скрытых под кожей очагов воспалительных процессов. Для исследования изготовляют тонкую полимерную пленку с микроскопическими полостями, заполненными холестерином. Наложение этой пленки на поверхность тела дает цветное изображение распределения температуры. Комнатные термометры на жидких кристаллах содержат слои в форме цифр различных холестериков, каждый из которых устойчив в достаточно узком интервале температур. Высвечивается цифра, соответствующая комнатной температуре.

Наиболее широкое применение жидкие кристаллы получили в буквенно-цифровых индикаторах электронных часов, микрокалькуляторов и т. д. Нужная цифра или буква воспроизводится с помощью комбинации небольших ячеек, выполненных в виде полосок (рис. 8.18). Каждая ячейка заполнена жидким кристаллом и имеет два электрода, на которые можно подавать напряжение. Электрическое поле меняет направление осей молекул, а это в свою очередь изменяет отражающие свойства ячейки. Индикатор работает только при освещении светом от внешнего источника. Индикаторы на жидких кристаллах можно делать чрезвычайно миниатюрными, и они потребляют мало энергии.

Рис. 8.18

В настоящее время жидкие кристаллы начинают применять в различного рода управляемых экранах, оптических затворах и для изготовления плоских телевизионных экранов.

Молекулы жидких кристаллов имеют удлиненную форму и располагаются так, что оси молекул параллельны либо во всем кристалле, либо в определенных его слоях. Широко применяются оптические свойства жидких кристаллов.

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