74. Жидкие кристаллы

Жидкими кристаллами называют такие вещества, которые находятся в промежуточном (мезоморфном) состоянии между изотропной жидкостью и твердым кристаллическим телом. С одной стороны, они обладают текучестью, способностью находиться в каплевидном состоянии, а с другой - для них характерна анизотропия свойств и. прежде всего, оптическая анизотропия.

Малость молекулярных сил, обеспечивающих упорядоченную структуру жидкого кристалла, является принципиальной основой сильной зависимости свойств от внешних факторов (температуры, давления, электрического поля и др.). Эта зависимость, в свою очередь, открывает богатые возможности при разработке индикаторных устройств различного назначения.

Жидкие кристаллы были открыты в 1888 г. австрийским ботаником Ф.Рейнитцером. Однако широкое практическое применение эти вещества нашли сравнительно недавно. Специфика жидких кристаллов заключается в ограниченном температурном интервале существования мезофазы (т.е. жидкокристаллического состояния). Жидкокристаллическое состояние образуют в основном органические соединения с удлиненной палочкообразной формой молекул. По признаку общей симметрии все жидкие кристаллы подразделяются на три вида: смектические, нематические, и холестерические

Смектическая фаза характеризуется слоистым строением. Центры тяжести удлиненных молекул находятся в плоскостях, равноудаленных друг от друга. В каждом слое молекулы ориентированы параллельно за счет упругого дисперсионного взаимодействия. Текучесть слоев обеспечивается лишь взаимным скольжением слоев, поэтому вязкость среды достаточно велика. Из-за высокой вязкости смектические жидкие кристаллы не получили широкого применения в технике. Слово «смектос» по-гречески - мыло; к этим кристаллам относятся мыльные растворы.

В нематической фазе длинные оси молекул ориентированы вдоль одного общего направления, называемого нематическим директором. Однако центры тяжести молекул расположены беспорядочно, так что возникает симметрия более низкого порядка, чем у смектических кристаллов. При таком строении вещества возможно взаимное скольжение молекул вдоль нематического директора. Слово «немое» по-гречески означает нить.

В холестерической фазе ориентировка молекул плавно меняется от слоя к слою, так как молекулы выстраиваются в пространственные спирали. К этому виду 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.

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 е имеет максимум, исчезающий с повышением частоты, как у дипольных сегнетоэлектриков. Однако время переориентации диполей в жидких кристаллах очень велико по сравнению с сегнетоэлектриками. и петли гистерезиса и максимум с наблюдаются лишь на очень низких частотах (< 1Гц).

Как уже отмечалось, структура жидких кристаллов очень подвижна и легко изменяется при внешних воздействиях. Изменение структуры в свою очередь приводит к изменению 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 присущему 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. Жидкий кристалл в таком неупорядоченном состоянии рассеивает свет во всех направлениях. Эффект динамического рассеяния приводит к изменению прозрачности жидкого кристалла, под действием электрического поля. Поле может быть как постоянным, так и переменным с низкой частотой (до 10²-10⁴ Гц в зависимости от материала). Время установления состояния динамического рассеяния составляет 1-10 мс, а исчезновение после снятия напряжения – 20-200 мс. Быстродействие индивидуальных жидкокристаллических соединений выше, чем смесей; оно повышается с увеличением напряжения.

Жидкокристаллическая ячейка, основанная на эффекте динамического рассеяния, состоит из двух стеклянных пластинок с нанесенными на их внутренние стороны прозрачными электродами, между которыми расположен тонкий слой (обычно 5-50 мкм) жидкого кристалла. При подаче напряжения больше порогового (обычно достаточно 8-50 В) молекулы жидкости в пространстве между электродами начинают вращаться и рассеивать падающий свет. Под прозрачным электродом виден яркий рисунок по форме электрода. Нанося прозрачные электроды в виде цифр, букв и других знаков, получают возможность высвечивать эти знаки в отраженном или проходящем свете.

Жидкие кристаллы имеют довольно высокое удельное сопротивление (10⁶ - 10⁸ Ом·м – неочищенные и 10⁸ - 10¹⁰ Ом·м – тщательно очищенные). Поэтому мощность, потребляемая на питание ячейки, не превышает 1 Вт/м². Для сравнения укажем, что индикатор на светодиодах потребляет 10⁵ Вт/м², а газоразрядный и люминофорный — 10³ Вт/м². Жидкокристаллические индикаторы – не только самые простые и дешевые, но и самые экономичные; их применение перспективно в малогабаритных устройствах с питанием от батареек - наручных часах, карманных ЭВМ и т.п.

В качестве нематических жидкокристаллических материалов применяют органические соединения – азометины, эфиры, кислоты. Интервал существования мезоморфной фазы в индивидуальных соединениях 10 ‑ 20 К, что недостаточно для их использования в реальных климатических условиях. На практике применяют смеси двух или более жидкокристаллических соединений. Интервал мезоморфной фазы смесей может достигать 50-100 К и охватывать рабочие интервалы от минус 40 до плюс 60°С. Наибольший интервал температур жидкокристаллического состояния получается в эвтектической точке смеси, температура плавления в которой минимальна.

Для получения цветных изображений в жидкие кристаллы вводят красители, обладающие длинными палочкообразными молекулами. Молекулы красителя ориентируются молекулами жидкого кристалла перпендикулярно электродам ячейки и оказываются невидимыми. При подаче напряжения, когда начинается турбулентное течение в жидкости, молекулы красителя, увлекаемые жидкостью, поворачиваются и рассеивают свет определенного цвета.

Холестерические жидкие кристаллы используют благодаря присущему им свойству изменять окраску. Из-за интерференции на витках спирали молекул освещенный белым светом кристалл кажется окрашенным. При изменении внешних условий, например температуры, расстояние между витками спирали изменяется, что ведет к изменению окраски. Это позволяет изготовлять простейшие чувствительные индикаторы температуры для медицины (например, для индикации участков тела с повышенной температурой), электроники (контроль перегрева отдельных узлов и деталей) и других областей науки и техники. В качестве материалов для таких термометров применяют производные холестерина и их смеси.