Раздел VIII. Конденсированные среды.
§1. Жидкости. Строение жидкости. Жидкие кристаллы.
Жидкое состояние, занимая промежуточное положение между газами и кристаллами, сочетает в себе некоторые черты обоих этих состояний. В частности, для жидкости, как и для кристаллов, характерно наличие определенного объема, и, вместе с тем, жидкость, подобно газу, принимает форму сосуда, в котором она находится. В расположении молекул жидкости наблюдается так называемый ближний порядок (для каждой молекулы сохраняется координационное число, т.е. число ближайших соседей). Однако, в отличие от кристаллов, в жидкостях отсутствует дальний порядок (не сохраняются длины и углы связей).
Согласно Я.Френкелю, тепловое движение в жидкостях имеет следующий характер. Каждая молекула в течение некоторого времени колеблется около определенного положения равновесия. Время от времени молекула меняет место равновесия, скачком перемещаясь в новое положение, отстоящее от предыдущего на расстояние порядка размеров самих молекул. Таким образом, молекулы лишь медленно перемещаются внутри жидкости, пребывая часть времени около определенных мест. Длительность этих «стоянок» резко убывает при повышении температуры. В связи с этим, при повышении температуры сильно возрастает подвижность молекул, что, в свою очередь, влечет за собой уменьшение вязкости жидкости.
В жидкостях с удлиненными молекулами может наблюдаться одинаковая ориентация молекул в пределах значительного объема. Это приводит к анизотропии оптических и некоторых других свойств. Такие жидкости получили название жидких кристаллов. Разделяют следующие виды жидких кристаллов; смектики, нематики, холестерики (рис. 8.1.1.).
Смектики
характеризуются одномерной пространственной
упорядоченностью. Жидкость представляется
состоящей из параллельных жидких слоев,
регулярно следующих друг за другом и
отличающихся друг от друга упорядоченностью
структуры (рис.8.1.1, а).
Нематики не имеют пространственной упорядоченности, а характеризуются ориентационной упорядоченностью их молекул. В этих жидких кристаллах молекулы сильно вытянуты и преимущественно ориентированы в одном направлении (рис.8.1.1, б).
Холестерики, в отличие от нематиков, характеризуются тем, что при переходе от одной области к другой направление преимущественной ориентации молекул изменяется, в результате чего возникает спиральная структура (рис. 8.1.1, в). Спирали могут быть как правого, так и левого вращения.
Жидкие кристаллы обладают очень важными оптическими свойствами, которые определили их практическое применение. Так, нематики и смектики являются оптически анизотропными кристаллами (одно- или двуосными). Причем, анизотропия и, соответственно, двойное лучепреломление сильно зависят от внешних воздействий (например, от электрического поля). Это открывает возможность управления световыми потоками при помощи электрических полей.
Холестерики проявляют дифракционные свойства в видимой области спектра. Причем внешнее воздействие (температура, электрическое поле) существенно влияют на эти свойства.
Жидкие кристаллы используются при изготовлении цифровых указателей, табло и дисплеев, управляемых электрическим сигналом. Жидкие кристаллы могут использоваться для визуализации ультрафиолетового излучения. Достоинством жидкокристаллических транспарантов является малая величина используемых напряжений и мощностей.