Жидкие кристаллы (работа 3)

ВВЕДЕНИЕ.

Сенсация года. Некоторое время тому назад необыч­ной популярностью в США пользовалась новинка юве­лирного производства, получившая название «перстень настроения». За год было продано 50 ìèëëèîíîâ òàêèõ ïåðñòíåé, ò. е. практически каждая взрослая женщина имела это ювелирное изделие. Что же привлекло внима­ние любители бижутерии к этому перстню? Оказывается, он обладал совершенно мистическим свойством реагиро­вать на настроение его владельца. Реакция состояла в том, что цвет камешка перстня следовал за настроением вла­дельца, пробегая все цвета радуги от красного до фио­летового. Вот это сочетание таинственного свойства уга­дывать настроение, декоративность перстня, обеспечи­ваемая яркой и меняющейся окраской камешка, плюс низкая цена и обеспечили успех перстню настроения.

Пожалуй, именно тогда впервые широкие массы стол­кнулись с загадочным термином «жидкие кристаллы». Дело в том, что каждому владельцу перстня хотелось знать его секрет слежения за настроением. Однако ни­чего толком не было известно, говорилось, только, что камешек перстня сделан на жидком кристалле. Для чита­теля, который знаком с жидкими кристаллами, нужно сде­лать уточнение — íà холестерическом жидком кристалле, а секрет перстня настроения связан с его удивительными оптическими свойствами. Тем, который только слышал о жидких кристаллах, а может быть, и не слышал о них вообще, чтобы раскрыть секрет перстня настрое­ния, необходимо сначала познакомиться с тем, что такое жидкие кристаллы, и тогда он узнает не только о том, как жидкие кристаллы позволяют следить за настроени­ем человека, но и о многих других удивительных их свойствах и практических применениях.

Зачем нужны ЖК. Все чаще на страницах научных, а последнее время и научно-популярных журналов появ­ляется термин «жидкие кристаллы» (в аббревиатуре ЖК) и статьи, посвященные жидким кристаллам. В повсе. дневной жизни мы сталкиваемся с часами, термометра­ми на жидких кристаллах. Что же это за вещества с та­ким парадоксальным названием «жидкие кристаллы» и почему к ним проявляется столь значительный интерес? В наше время наука стала производительной силой, и поэтому, как правило, повышенный научный интерес к тому или иному явлению или объекту означает, что это явление или объект представляет интерес для материаль­ного производства. В этом отношении не являются ис­ключением и жидкие кристаллы. Интерес к ним прежде всего обусловлен возможностями их эффективного при­менения в ряде отраслей производственной деятельно­сти. Внедрение жидких кристаллов означает экономиче­скую эффективность, простоту, удобство.

Прежде чем рассказывать о конкретных областях применения жидких кристаллов, необходимо сказать не­сколько общих слов о том, что же это все-таки такое — æèäêèå êðèñòàëëû. Òåì áîëåå, ÷òî ýòîìó ïîêà ÷òî íå ó÷àò íè â øêîëå, íè â âóçå, à îæèäàåòñÿ, ÷òî â áëèæàé­шее время изделия, содержащие жидкокристаллические элементы, будут так же широко распространены, как устройства, содержащие электронные лампы или транзи­сторы.

Жидкий кристалл — ýòî ñïåöèôè÷åñêîå àãðåãàòíîå ñî­стояние вещества, в котором оно проявляет одновре­менно свойства кристалла и жидкости. Сразу надо огово­риться, что далеко не все вещества могут находиться в жидкокристаллическом состоянии. Большинство веществ может находиться только в трех, всем хорошо известных агрегатных состояниях: твердом или кристаллическом, жидком и газообразном. Оказывается, некоторые органические вещества, обладающие сложными молеку­лами, кроме трех названных состояний, могут образовы­вать четвертое агрегатное состояние — æèäêîêðèñòàëëè­ческое. Это состояние осуществляется при плавлении кристаллов некоторых веществ. При их плавлении обра­зуется жидкокристаллическая фаза, отличающаяся от обычных жидкостей. Эта фаза существует в интервале от температуры плавления кристалла до некоторой более высокой температуры, при нагреве до которой жидкий кристалл переходит в обычную жидкость.Чем же жидкий кристалл отличается от жидкости и обычного кристалла и чем похож на них? Подобно обыч ной жидкости, жидкий кристалл обладает текучестью и принимает форму сосуда, в который он помещен. Этим он отличается от известных всем кристаллов. Однако несмотря на это свойство, объединяющее его с жид­костью, он обладает свойством, характерным для кри­сталлов. Это — óïîðÿäî÷åíèå â ïðîñòðàíñòâå ìîëåêóë, îáðàçóþùèõ êðèñòàëë. Ïðàâäà, ýòî óïîðÿäî÷åíèå íå òà­кое полное, как в обычных кристаллах, но тем не менее оно существенно влияет на свойства жидких кристаллов, чем и отличает их от обычных жидкостей. Неполное про­странственное упорядочение молекул, образующих жид­кий кристалл, проявляется в том, что в жидких кристал­лах нет полного порядка в пространственном располо­жении центров тяжести молекул, хотя частичный порядок может быть. Это означает, что у них нет жесткой кри­сталлической решетки. Поэтому жидкие кристаллы, по­добно обычным жидкостям, обладают свойством текуче­сти.

Обязательным свойством жидких кристаллов, сбли­жающим их с обычными крис1аллами, является наличие порядка» пространственной ориентации молекул. Такой порядок в ориентации может проявляться, например, в том, ^4то все длинные оси молекул в жидкокристалличе­ском образце ориентированы одинаково. Эти молекулы должны обладать вытянутой формой. Кроме простейше­го названного упорядочения осей молекул, в жидком кристалле может осуществляться более сложный ори-ентационный порядок молекул.

В зависимости от вида упорядочения осей молекул жидкие кристаллы разделяются на три разновидности: нематические, смектические и холестерические.

Исследования по физике жидких кристаллов и их при­менениям в настоящее время ведутся широким фрон­том во всех наиболее развитых странах мира. Отечествен­ные исследования сосредоточены как б академических, так и отраслевых научно-исследовательских учреждени­ях и имеют довние традиции. Широкую известность и признание получили выполненные еще в тридцатые годы в Ленинграде работы В. К. Фредерикса к В. Н. Цветкова В последние годы бурного изучения жидких кристаллов отечественные исследователи также вносят весомый вклад в развитие учения о жидких кристаллах в целом и, в частности, об оптике жидких кристаллов. Так, работы И. Г. Чистякова, А. П. Капустина, С. А. Бразовского, С. А. Пикина, Л. М. Блинова и многих других советских иссле­дователей широко известны научной общественности и служат фундаментом ряда эффекгивных гехнических приложений жидких кристаллов [1—4].

Об успехах отечественной промышленности в освое­нии выпуска продукции, в которой существенным элемен­том являются жидкие кристаллы, говорит присуждение в 1983 ãîäó Ãîñóäàðñòâåííîé ïðåìèè ÑÑÑÐ áîëüøîé ãðóï­пе работников науки и техники за разработку и внедре­ние в народное хозяйство индикаторных устройств. Ос­новными элементами этих индикаторных устройств, со­вершенные технические характеристики которых послу­жили основанием для присуждения премии, являются жидкокристаллические вещества. Присуждение этой премии символизирует плодотворный союз науки и про­изводства в деле технических приложений жидких кри­сталлов. Тут же следует сказать, что среди лауреатов, представителей науки, — Â. Í. Öâåòêîâ, âåòåðàí íàó÷íûõ èññëåäîâàíèé æèäêèõ êðèñòàëëîâ.

Немного истории. Пока мы просто декларировали не­обычные свойства жидких кристаллов. Как же они были обнаружены? Ведь, не обладая современной огромной информацией о строении материи, очень трудно пове­рить, что такие, казалось бы, взаимно исключающие друг друга свойства могут проявляться у одного вещества. Поэтому, вероятно, исследователи уже очень давно стал­кивались с жидкокристаллическим состоянием, но не от­давали себе в этом отчета. Тем не менее существование жидких кристаллов было установлено очень давно, почти столетие тому назад, а именно в 1888 ãîäó.

Первым, кто обнаружил жидкие кристаллы, был авст­рийский ученый-ботаник Рейнитцер. Исследуя новое син­тезированное им вещество холестерилбензоат, он обна­ружил, что при температуре 145° Ñ êðèñòàëëû ýòîãî âå­щества плавятся, образуя мутную сильно рассеивающую свет жидкость. При продолжении нагрева по достижении температуры 179°С жидкость просветляется, т. е. начина­ет вести себя в оптическом отношении, как обычная жидкость, например вода. Неожиданные свойства холе-стерилбензоат обнаруживал в мутной фазе Рассматри­вая эту фазу под поляризационным микроскопом, Рей­нитцер обнаружил, что она обладает двупреломлением. Это означает, что показатель преломления света, т. е скорость света е этой фазе, зависит от поляризации.

Напомним, что линейно поляризованным светом, или как часто говорят, поляризованным светом, называют свет (электромагнитную волну), электрическое поле ко­торой в процессе распространения остается лежащим в некоторой неизменной в пространстве плоскости. Эту плоскость принято называть плоскостью поляризации света. А указания ориентации в пространстве этой пло­скости достаточно для описания линейной поляризации света. Поскольку в плоскости поляризации лежит и на­правление распространения волны, то для задания ли­нейной поляризации достаточно одного параметра, а именно угла (р, определяющего ориентацию этой пло­скости в пространстве (ее вращения вокруг направления распространения волны, см. рис. 1).

Явление двупреломления—ýòî òèïè÷íî êðèñòàëëè÷å­ский эффект, состоящий в том, что скорость света в кри­сталле зависит от ориентации плоскости поляризации света. Существенно, что она достигает экстремального максимального и минимального значений для двух вза­имно ортогональных ориентаций плоскости поляризации. Разумеется, ориентации поляризации, соответствующие экстремальным значениям скорости свете в кристалле, определяются анизотропией свойств кристалла и одно­значно задаются ориентацией кристаллических осей отно­сительно направления распространения света.

Поэтому сказанное поясняет, что существование дву­преломления в жидкости, которая должна быть изотроп­ной, т. е. что ее свойства должны быть независящими от направления, представлялось парадоксальным. Наиболее правдоподобным в то время могло казаться наличие в мутной фазе нерасплавившихся малых частичек кри* сталла, кристаллитов, которые и являлись источником двупреломления. Однако более детальные исследования, к которым Рейнитцер привлек известного немецкого фи­зика Лемана, показали, что мутная фаза не является двух­фазной системой, т. е. не содержит в обычной жидкости кристаллических включений, а является новым фазовым состоянием вещества. Этому фазовому состоянию Ле-ман дал название «жидкий кристалл» в связи с одновре­менно проявляемыми им свойствами жидкости и кристал­ла. Употребляется также и другой термин для названия жидких кристаллов. Это — «ìåçîôàçà», ÷òî áóêâàëüíî îçíà÷àåò «ïðîìåæóòî÷íàÿ ôàçà».

В то время существование жидких кристаллов пред­ставлялось каким-то курьезом, и никто не мог предполо­жить, что их ожидает почти через сто лет большое буду­щее в технических приложениях. Поэтому после некото­рого интереса к жидким кристаллам сразу после их от­крытия о них через некоторое время практически за­были.

Тем не менее уже в первые годы были выяснены мно­гие другие удивительные свойства жидких кристаллов. Так, некоторые виды жидких кристаллов обладали не­обычно высокой оптической активностью

Оптической активностью называют способность неко­торых веществ вращать плоскость поляризации проходя­щего через них света. Это означает, что линейно поля­ризованный свет, распространяясь в таких средах, изме­няет ориентацию плоскости поляризации. Причем угол поворота плоскости поляризации прямо пропорциока-лен пути L, ïðîéäåííîìó ñâåòîì, ò. å. âûðàæàåòñÿ ôîð­мулой (р==(ра^, где величина q)a îïðåäåëÿåò óãîë ïîâîðî­та на единичном пути и называется удельной вращатель­ной способностью.

Было удивительным не только то, что величина вра­щательной способности q)a äëÿ æèäêèõ êðèñòàëëîâ ìîãëà â ñîòíè è òûñÿ÷è ðàç ïðåâîñõîäèòü ýòó âåëè÷èíó äëÿ íàè­более оптически активных кристаллов, гаких, как, напри­мер, кварц, но и то, что зависимость вращения плоскости поляризации от длины волны света в жидких кристаллах была совершенно необычной.

Так, в твердых телах, как, впрочем, и в обычных жид­костях, удельная вращательная способность (ра имеет вполне определенный, независящий от длины волны све­та знак. Это означает, что вращение плоскости поляри­зации света в них происходит в определенном направле­нии. Против часовой стрелки при положительном фа и по часовой стрелке при отрицательном (ра. При этом подра­зумевается, что наблюдение за вращением плоскости по­ляризации осуществляется вдоль направления распрост­ранения света. Поэтому все оптически активные веще­ства подразделяются на правовращающие, если враще­ние происходит по часовой стрелке, и левовращающие—-ïðîòèâ ÷àñîâîé ñòðåëêè.

В случае оптически активных жидких кристаллов та­кая классификация сталкивалась с трудностями. Дело в том, что направление (знак) вращения в жидких кристал­лах зависело от длины волн света (рис. 2). Äëÿ êîðîòêèõ äëèí âîëí âåëè÷èíà (ðà, íàïðèìåð, ìîãëà áûòü ïîëîæè­тельной, а для более длинноволнового света—îòðèöà­тельной. А могло быть и наоборот. Однако характерным для всех случаев было изменение знака вращения плос­кости поляризации в зависимости от длины волны света, или, как говорят, инверсия знака оптической активности. Такое поведение вращения плоскости поляризации со­вершенно не укладывалось в рамки существовавших представлений об оптической активности

Удивительными были также и другие свойства, такие, как сильная температурная зависимость названных ха­рактеристик, их очень высокая чувствительность к внеш­ним магнитным и электрическим полям и т д. Но прежде чем пытаться объяснить перечисленные свойства, необ­ходимо понять, как устроены жидкие кристаллы, и, в частности, ознакомиться с их структурными свойствами, ибо в конечном итоге для объяснения описанных свойств наиболее существенными оказываются именно структур­ные характеристики жидких кристаллов.

Здесь следует сказать, что в конце девятнадцатого — íà÷àëå äâàäöàòîãî âåêà ìíîãèå î÷åíü àâòîðèòåòíûå óèå-íûå âåñüìà ñêåïòè÷åñêè îòíîñèëèñü ê îòêðûòèþ Ðåéíèò-öåðà è Ëåìàíà. (Èìÿ Ëîìàíà òàêæå ìîæíî ïî ïðàâó ñâÿ­зывать с открытием жидких кристаллов, поскольку он очень активно участвовал в первых исследованиях жид ких кристаллов, и даже самим термином «жидкие кри­сталлы» мы обязаны именно ему.) Дело в том, что не только описанные противоречивые свойства жидких кри­сталлов представлялись многим авторитетам весьма со­мнительными, но и в том, что свойства различных жидко­кристаллических веществ (соединений, обладавших жид­кокристаллической фазой) оказывались существенно раз­личными. Так, одни жидкие кристаллы обладали очень большой вязкостью, у других вязкость была невелика. Одни жидкие кристаллы проявляли с изменением тем­пературы резкое изменение окраски, так что их цвет пробегал все тона радуги, другие жидкие кристаллы та­кого резкого изменения окраски не проявляли. Наконец, внешний вид образцов, или, как принято говорить, тек­стура, различных жидких кристаллов при рассматрива­нии их под микроскопом оказывался совсем различным. В одном случае в поле поляризационного микроскопа могли быть видны образования, похожие на нити, в дру­гом — íàáëþäàëèñü èçîáðàæåíèÿ, ïîõîæèå íà ãîðíûé ðåëüåô, à â òðåòüåì — êàðòèíà íàïîìèíàëà îòïå÷àòêè ïàëüöåâ (ñì. ðèñóíêè íà îáëîæêå). Ñòîÿë òàêæå âîïðîñ, ïî÷åìó æèäêîêðèñòàëëè÷åñêàÿ ôàçà íàáëþäàåòñÿ ïðè ïëàâëåíèè òîëüêî íåêîòîðûõ âåùåñòâ?

Вот в таких условиях скептицизма со стороны многих авторитетов и изобилия противоречивых фактов вели свои работы первые, тогда немногочисленные, исследо­ватели жидких кристаллов, настоящие энтузиасты своего дела. К их числу следует отнести немецкого химика Д. Форлендера, который в начале двадцатого века в уни верситетском городе Галле совместно со своими учени­ками изучал химию жидких кристаллов. Он пытался отве­тить на вопрос, какими свойствами должны обладать мо­лекулы вещества, чтобы оно имело жидкокристалличе­скую фазу. Форлендер нашел большое количество новых соединений, обладающих жидкокристаллической фазой, и внимательно исследовал свойства молекул со­ответствующих соединений, в частности структурные. В результате его работ стало ясно, что жидкие кристаллы образуют вещества, молекулы которых имеют удлинен­ную форму (рис. 3).

Время шло, факты о жидких кристаллах постепенно накапливались, но не было общего принципа, который позволил бы установить какую-то систему в представле­ниях о жидких кристаллах. Как говорят, настало время для классификации предмета исследований. Заслуга в создании основ современной классификации жидких кри­сталлов принадлежит французскому ученому Ж. Фриделю.В двадцатые годы Фридель предложил разделить все жидкие кристаллы на две большие группы. Одну группу жидких кристаллов Фридель назвал нематическими, дру­гую смектическими. (Почему такие на первый взгляд не­понятные названия дал Фридель разновидностям жидких кристаллов, будет понятно несколько ниже.) Он же пред­ложил общий термин для жидких кристаллов — «ìåçî ìîðôíàÿ ôàçà». Ýòîò òåðìèí ïðîèñõîäèò îò ãðå÷åñêîãî ñëîâà «ìåçîñ» (ïðîìåæóòî÷íûé), à ââîäÿ åãî, Ôðèäåëü õîòåë ïîä÷åðêíóòü, ÷òî æèäêèå êðèñòàëëû çàíèìàþò ïðî­межуточное положение между истинными кристаллами и жидкостями как по температуре, так и по своим физи­ческим свойствам. Нематические жидкие кристаллы в классификации Фриделя включали уже упоминавшиеся выше холестерические жидкие кристаллы как подкласс. Когда классификация жидких кристаллов была созда­на, более остро встал вопрос: почему в природе реализу­ется жидкокристаллическое состояние? Полным ответом на подобный вопрос принято считать создание микроско­пической теории. Но в то время на такую теорию не при­ходилось и надеяться (кстати, последовательной микро­скопической теории ЖК не существует и по сей день), поэтому большим шагом вперед было создание чешским ученым X. Öîõåðîì è ãîëëàíäöåì Ñ. Îçååíîì ôåíîìå­нологической теории жидких кристаллов, или, как ее при­нято называть, теории упругости ЖК. В 30-х годах в СССР В. К. Фредерике и В. Н. Цветков первыми изучили не­обычные электрические свойства жидких кристаллов.Можно условно считать, что рассказанное выше отно­силось к предыстории жидких кристаллов, ко времени, когда исследования ЖК велись малочисленными коллек­тивами. Современный этап изучения жидких кристаллов, который начался в 60-е годы и придал науке о ЖК сегод­няшние формы, методы исследований, широкий размах работ сформировался под непосредственным влиянием успехов в технических приложениях жидких кристаллов, особенно в системах отображения информации. В это время было понято и практически доказано, что в наш век микроэлектроники, характеризующийся внедрением микроминиатюрных электронных устройств, потребляю­щих ничтожные мощности энергии для устройств инди­кации информации, т. е. связи прибора с человеком, наи­более подходящими оказываются индикаторы на ЖК. Дело в том, что такие устройства отображения инфор­мации на ЖК естественным образом вписываются в энер­гетику и габариты микроэлектронных схем. Они потреб­ляют ничтожньсг мощности и могут быть выполнены в виде миниатюрных индикаторов или плоских экранов. Все это предопределяет массовое внедрение жидкокристал­лических индикаторов в системы отображения информа­ции, свидетелями которого мы являемся » íàñòîÿùåå âðåìÿ. ×òîáû îñîçíàòü ýòîò ïðîöåññ, äîñòàòî÷íî âñïîì­нить о часах или микрокалькуляторах с жидкокристалли­ческими индикаторами. Но это только начало. На смену традиционным и привычным устройствам идут жидко­кристаллические системы отображения информации.jkbk часто бывает, технические потребности не только стимулируют разработку проблем, связанных с практи­ческими приложениями, но и часто заставляют переос­мыслить общее отношение к соответствующему разделу науки. Так произошло и с жидкими кристаллами. Сейчас понятно, что это важнейший раздел физики конденсиро­ванного состояния.

ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ — НОВОЕ СОСТОЯНИЕ ВЕЩЕСТВА.

Многообразие жидких кристаллов. Теперь обратим внимание на то, что сказать о каком-то вещест­ве: просто жидкий кристалл, это еще слишком мало. И если неспециалистов вполне удовлетворяет общий тер­мин жидкий кристалл, то специалисту требуется дать бо­лее детальную информацию. Здесь ситуация похожа на ту, которая возникла бы с вами в столовой или рестора­не, если бы вам в качестве третьего блюда предложили бы просто жидкость, не конкретизируя, что это такое. Не­сомненно, большинство из вас такое общее определение третьего блюда не удовлетворило бы, и каждый в зави­симости от своего вкуса потребовал бы что-либо более определенное—÷àé, êîôå, ìîëîêî è ò. ä. Òàê æå äåëî îáñòîèò äëÿ ñïåöèàëèñòîâ è ñ æèäêèìè êðèñòàëëàìè, ïî­скольку под этим термином, как уже бегло говорилось выше, скрывается большое количество весьма отличаю­щихся друг от друга жидкокристаллических фаз. Однако все характерные особенности этого фазового состояния вещества удобно рассмотреть сначала на примере одной разновидности жидких кристаллов стронция.

Нематики. Начнем описание устройства жидких кри­сталлов на примере наиболее простой и хорошо изучен­ной их разновидности, нематических жидких кристаллов, или, как еще принято говорить, нематиков, Итак, кристаллы некоторых органических веществ при нагревании, прежде чем расплавиться и перейти в обыч­ную жидкость, проходят при повышении температуры че­рез стадию жидкокристаллической фазы. Как мы увидим ниже, жидкокристаллических фаз может быть у одного и того же соединения несколько. Но сначала для того, что­бы не осложнять знакомство с жидкокристаллической фазой несущественными здесь подробностями, рассмот­рим наиболее простую ситуацию, когда соединение обла­дает одной жидкокристаллической фазой. В этом случае процесс плавления кристалла идет в .две стадии) Сначала при повышении температуры кристалл испытывает «пер­вое плавление», переходя в мутный расплав. Затем при дальнейшем нагреве до вполне определенной темпе­ратуры происходит «просветление» расплава. «Просвет­ленный расплав» обладает всеми свойствами жидкостей. Мутный расплав, который и представляет собой жидко' кристаллическую фазу, по своим свойствам существенно отличается от жидкостей, хотя обладает наиболее харак­терным свойством жидкости — òåêó÷åñòüþ. Íàèáîëåå ðåç­кое отличие жидкокристаллической фазы от жидкости проявляется в оптических свойствах. Жидкий кристалл, обладая текучестью жидкости, проявляет оптические свойства всем нам знакомых обычных кристаллов) -Кем— oiwpoJSyflef^icHO, íàáëþäàåìàÿ на.опыте мутность рас­плава как uaa'n является результатом такого удивитель­ного сочетания свойств жидкости и кристалла.^

При понижении температуры все превращения про­исходят в обратном порядке и точно при тех же темпе­ратурах, т. е. последовательность фаз такова: прозрач­ный расплав-смутный расплав-^кристалл или в принятых сокращениях ИЖ-^НЖК-^ТК. " Åñëè âñå îïèñàííûå ïðåâðàùåíèÿ íàáëþäàþòñÿ, íà­пример, для соединения п—ìåòîíñéáåíçèëèäåí—ï'—áó-òèëàíèëèí èëè, êàê ïðèíÿòî ñîêðàùåííî íàçûâàòü ýòî ñîåäèíåíèå, ÌÁÁÀ, òî íàáëþäàåìàÿ æèäêîêðèñòàëëè÷å­ская фаза называется нематической или просто немати-KOMj Ñìåíà æå ôàçîâûõ ñîñòîÿíèé õàðàêòåðèçóåòñÿ ñëå­дующими температурами. Температура первого плавле­ния Гя,=21°С. Ниже ТдМББА находится в обычном кри­сталлическом состоянии. От Т^ до температуры просвет­ления 7^==41°С МББА обладает нематической жидко­кристаллической фазой, и выше Тм — îáû÷íàÿ (èçîòðîï­ная) жидкость. Интервал температур от Гд, до tn äля различных веществ может быть от единиц до сотни гра дусов. Типичное же значение этого интервала — ïîðÿäêà íåñêîëüêèõ äåñÿòêîâ ãðàäóñîâ.

Для того чтобы разобраться, как устроена жидкокри­сталлическая фаза и чем она отличается от обычной жид­кости или, как мы иногда будем дальше говорить, от изотропной жидкости *, íóæíî îáðàòèòü âíèìàíèå íà ôîð­му молекул соединения, образующего жидкокристалли­ческую фазу.

^ Чтобы схематично представить себе устройство нематика, удобно образующие его молекулы представить в виде палочек. Для такой идеализации есть физические основания. Молекулы, образующие жидкие кристаллы, как уже говорилось, представляют собой типичные для многих органических веществ образования со сравни­тельно большим молекулярным весом, протяженности которых в одном направлении в 2—3 ðàçà áîëüøå, ÷åì â ïîïåðå÷íîì. Ñòðóêòóðà ìîëåêóëû òèïè÷íîãî íåìàòèêà ïðèâåäåíà íà ðèñ. 3. Ìîæíî ñ÷èòàòü, ÷òî íàïðàâëåíèå ââåäåííûõ íàìè ïàëî÷åê ñîâïàäàåò ñ äëèííûìè îñÿìè ìî­лекул. При введенной нами идеализации структуру нема­тика следует представлять как «жидкость одинаково ори­ентированных палочек». Это означает, что центры тяже­сти палочек расположены и движутся хаотически, как в жидкости, а ориентация при этом остается у всех палочек одинаковой и неизменной (см. рис. 4).

Напомним, что в обычной жидкости не только центры тяжести молекул движутся хаотически, но и ориентации выделенных направлений молекул совершенно случайны

и не скоррелированны между собой. А в качестве выде­ленных направлений в молекуле могут выступать различ­ные величины, например, электрический дипольный мо­мент, магнитный момент или, как в рассматриваемом на­ми случае, анизотропия формы, характеризуемая выде­ленными направлениями или, как говорят, осями. В свя­зи с описанным полным хаосом в жидкости жидкость (даже состоящая из анизотропных молекул) изотропна, т. е. ее свойства не зависят от направления.

На самом деле, конечно, молекулы нематика подвер­жены не только случайному поступательному движению, но и ориентация их осей испытывает отклонения от на­правления, определяющего ориентацию палочек в рас­сматриваемой нами жидкости. Поэтому направления па­лочек задают преимущественную, усредненную ориента­цию, и реально молекулы совершают хаотические ориентационные колебания вокруг этого направления усред­ненной ориентации. Амплитуда соответствующих ориен-тационных колебаний молекул зависит от близости жид­кого кристалла к точке фазового перехода в обычную жидкость tn, возрастая по мере приближения темпера­туры нематика к температуре фазового перехода. В точ­ке фазового перехода ориентационное упорядочение мо­лекул полностью исчезает и ориентационные движения молекул так же, как и трансляционные, оказываются пол­ностью хаотическими.

В связи с описанной картиной поведения нематика его принято описывать следующим образом. Для характери­стики ориентационного порядка вводится вектор единич­ной длины ñ, íàçûâàåìûé äèðåêòîðîì, íàïðàâëåíèå êîòîðîãî ñîâïàäàåò ñ íàïðàâëåíèåì ââåäåííûõ âûøå ïàëî÷åê. Òàêèì îáðàçîì, äèðåêòîð çàäàåò âûäåëåííîå, ïðå­имущественное, направление ориентации молекул в хо­лестерине. Кроме того, вводится еще ОДНА величина, па­раметр порядка, который характеризует, насколько вели­ка степень ориентационного упорядочения молекул или, что то же самое, насколько мала разупорядоченность ориентаций молекул. Параметр порядка определяется следующим образом:

S=^«cos»e>-73), (1) ãäå â—óãîë ìåæäó íàïðàâëåíèÿìè äèðåêòîðà è ìãíî-

венным направлением длинной оси молекул, a •<cos*e>

обозначает среднее по времени значении cos'@.

Из формулы (1) ясно, что параметр 5 ìîæåò ïðèíèìàòü çíà÷åíèÿ îò 0 äî 1. Çíà÷åíèå -S==1 ñîîòâåòñòâóåò ïîëíîìó îðèåíòàöèîííîìó ïîðÿäêó. Ïðè÷åì .S==1 äîñòèãàåòñÿ, êàê íå­трудно понять, если значение в не изменяется во времени и равно 0, ò. å. åñëè íàïðàâëåíèå äëèííûõ îñåé ìîëå­кул строго совпадает с направлением директора. <S==0 îçíà÷àåò ïîëíûé îðèåíòàöèîííûé áåñïîðÿäîê.  ýòîì ñëó÷àå óãîë 9 ñ ðàâíîé âåðîÿòíîñòüþ ïðèíèìàåò çíà÷å­ния от 0 äî ë, a -<cos^9>=='/3. Çíà÷åíèå S==0, òàêèì îáðàçîì, ñîîòâåòñòâóåò óæå íåìàòèêó, ïåðåøåäøåìó â èçîòðîïíóþ æèäêîñòü.

В нематической же фазе значение параметра порядка S^>0, ìèíèìàëüíî íåïîñðåäñòâåííî ïðè òåìïåðàòóðå ïå­рехода Т 14 èç èçîòðîïíîé æèäêîñòè â íåìàòè÷åñêóþ ôàçó è âîçðàñòàåò ïî ìåðå ïîíèæåíèÿ òåìïåðàòóðû íèæå tn'  целом же при изменении температуры происходит сме­на следующих фазовых состояний. При температуре ни­же точки перехода нематика в обыкновенный кристалл или, как ее называют, температуре плавления Тщ — êðè­сталлическое состояние. В интервале температур от Т м, до tn—íåìàòè÷åñêèé æèäêèé êðèñòàëë. Âûøå tin— îáû÷íàÿ æèäêîñòü.

Пока что речь шла об однодоменном состоянии нема-тического образца, в котором ориентация директора одинакова во всех его точках, как изображено на рис. 4.  òàêîì îäíîäîìåííîì îáðàçöå íåìàòèêà íàèáîëåå ÿðêî ïðîÿâëÿþòñÿ åãî ñâîéñòâà, òèïè÷íûå äëÿ òâåðäûõ êðè­сталлов, в частности, двупреломление света. Последнее означает, что показатели преломления для света, плос­кость поляризации которого перпендикулярна директору и плоскость поляризации которого содержит директор, указываются различными. Однако для того чтобы полу­нить однодоменный образец нематика, как, впрочем, и любых других разновидностей жидких кристаллов, необ ходимо принятие специальных мер, о которых будет рас­сказано ниже.

Если же не приняты специальные предосторожности, то жидкокристаллический образец представляет собой совокупность хаотическим образом ориентированных ма­лых однодоменных областей. Именно с такими образца­ми, как правило, имели дело первые исследователи жид­ких кристаллов, и мутный расплав, возникавший после первого плавления МББА, о котором говорилось выше, и был образцом такого вида. На границах раздела различ­ным образом ориентированных однодоменных областей в таких образцах происходит, как говорят, нарушение оп­тической однородности или, что то же самое, скачок значения показателя преломления. Это непосредственно следует из сказанного выше о двупреломлении однодо­менного нематического образца и просто соответствует тому, что для света, пересекающего границу раздела двух областей с различной ориентацией директора, по­казатели преломления этих областей различны, т. е. по­казатель преломления испытывает скачок. А как хо­рошо известно, на границе раздела двух областей с различными показателями преломления свет испы­тывает отражение. С таким отражением каждый знаком на примере оконных стекол. Так же, как и в случае с оконным стеклом, на одной границе раздела (одном скачке оптической однородности) отражение света в нематике может быть невелико, но если таких границ много (в образце много неупорядоченных однодоменных об­ластей), такие нерегулярные нарушения оптической од­нородности приводят к сильному рассеянию света. Вот почему нематики, если не принять специальных мер, сильно рассеивают свет. После первого плавления при температуре Тд, возникает мутный расплав.

Пока что речь шла о том, как выглядит нематик в не­поляризованном свете. Очень интересную и своеобраз­ную картину представляет нематик, если его рассматри­вать в поляризованном свете и анализировать поляриза­цию прошедшего через него света (см. рис. 5). Íà ðèñ. 5 ïðåäñòàâëåíà ñõåìà òàêîãî îïûòà. Ïîëÿðèçàòîð Pi ëè­нейно поляризует свет от источника света, а поляриза­тор Pi ïðîïóñêàåò òîëüêî îïðåäåëåííûì îáðàçîì ëèíåé­но поляризованный свет, прошедший через нематический образец А. Картина, которую увидит наблюдатель в све­те, прошедшем через поляризатор, представляет собой

причудливую совокупность пересекающихся линий. Эти линии или, как их называют, нити и представляют собой изображение границ раздела между однодоменными об­ластями. А почему эти границы можно видеть или, как говорят, визуализовать, в поляризованном свете будет понятно из дальнейшего.

Наблюдениям этих нитей первыми исследователями нематик и обязан своему названию. Нема —ýòî ïî ãðå÷åñêè íèòü. Îòñþäà è íàçâàíèå—íåìàòè÷åñêèé æèäêèé êðèñòàëë èëè íåìàòèê. Çäåñü æå íàäî ñêàçàòü, ÷òî ðåàëüíî íàáëþäåíèÿ îïèñàííîé êàðòèíû íåìàòèêà â ñâÿçè ñ ìàëîñòüþ ðàçìåðîâ îáëàñòåé ñ îäèíàêîâîé îðè­ентацией директора осуществляются с помощью поляри­зационного микроскопа.

Упругость жидкого кристалла. Выше в основном го­ворилось о наблюдениях, связанных с проявлением не­обычных оптических свойств жидких кристаллов. Первым исследователям бросались в глаза, естественно, свойства, наиболее доступные наблюдению. А такими свойствами как раз и были оптические свойства. Техника оптическо­го эксперимента уже в девятнадцатом веке достигла вы­сокого уровня, а, например, микроскоп, даже поляриза­ционный, т. е. позволявший освещать объект исследова­ния поляризованным светом и анализировать поляриза­цию прошедшего света, был вполне доступным прибо­ром для многих лабораторий.

Оптические наблюдения дали значительное количест­во фактов о свойствах жидкокристаллической фазы, ко­торые необходимо было понять и описать. Одним из первых достижений в описании свойств жидких кристал­лов, как уже упоминалось во введении, было создание теории упругости жидких кристаллов. В современной форме она была в основном сформулирована английским ученым Ф. Франком в пятидесятые годы.

Постараемся проследить за ходом мысли и аргумен­тами создателей теории упругости ЖК. Рассуждения бы­ли (или могли быть) приблизительно такими. Установле­но, что в жидком кристалле, конкретно нематике, сущест­вует корреляция (выстраивание) направлений ориента­ции длинных осей молекул. Это должно означать, что ес­ли по какой-то причине произошло небольшое наруше­ние в согласованной ориентации молекул в соседних точ­ках нематика, то возникнут силы, которые будут старать­ся восстановить порядок, т. е. согласованную ориента цию молекул. Конечно, исходной, микроскопической, причиной таких возвращающих сил является взаимодей­ствие между собой отдельных молекул. Однако надеять­ся на быстрый успех, стартуя от взаимодействия между собой отдельных молекул, да еще таких сложных, как в жидких кристаллах, было трудно. Поэтому создание тео­рии пошло по феноменологическому пути, в рамках ко­торого вводятся некоторые параметры (феноменологи­ческие), значение которых соответствующая теория не берется определить, а оставляет их неизвестными или из­влекает их значения из сравнения с экспериментом. При этом теория не рассматривает молекулярные аспекты строения жидких кристаллов, а описывает их как сплош­ную среду, обладающую упругими свойствами.

Для кристаллов существует хорошо развитая теория упругости. Еще в школе учат тому, что деформация твер­дого тела прямо пропорциональна приложенной силе и обратно пропорциональна модулю упругости К. Возника­ет мысль, если оптические свойства жидких кристаллов подобны свойствам обычных кристаллов, то, может быть, жидкий кристалл, подобно обычному кристаллу, облада­ет и упругими свойствами. Может показаться на первый взгляд, что эта мысль совсем уж тривиальна. Однако не торопитесь с суждениями. Вспомните, что жидкий кри­сталл течет, как обычная жидкость. А жидкость не прояв­ляет свойств упругости, за исключением упругости по от­ношению к всестороннему сжатию, и поэтому для нее модуль упругости по отношению к обычным деформаци­ям строго равен нулю. Казалось бы, налицо парадокс. Но его разрешение в том, что жидкий кристалл — ýòî íå îáû÷íàÿ, à àíèçîòðîïíàÿ æèäêîñòü, ò. å. æèäêîñòü, «.ñâîéñòâà êîòîðîé ðàçëè÷íû â ðàçëè÷íûõ íàïðàâëåíèÿõ.

Таким образом, построение теории упругости для жидких кристаллов было не таким уж простым делом и нельзя было теорию, развитую для кристаллов, непо­средственно применить к жидким кристаллам. Во-первых, Существенно, что, когда говорят о деформации в жидких кристаллах, то имеют в виду отклонения направления ди­ректора от равновесного направления. Для нематика, на­пример, это означает, что речь идет об изменении от Точки к точке в образце под влиянием внешнего воздей­ствия ориентации директора, который в равновесной си­туации, т. е. в отсутствии воздействия, во всем образце ориентирован одинаково. В обычной же теории упруго сти деформации описывают смещение отдельных точек твердого тела относительно друг друга под влиянием приложенного воздействия. Таким образом, деформа­ции в жидком кристалле — ýòî ñîâñåì íå òå ïðèâû÷íûå âñåì äåôîðìàöèè, î êîòîðûõ ãîâîðÿò â ñëó÷àå òâåðäîãî òåëà. Êðîìå òîãî, óïðóãèå ñâîéñòâà æèäêîãî êðèñòàëëà â îáùåì ñëó÷àå ñëåäóåò ðàññìàòðèâàòü, ó÷èòûâàÿ åãî òå÷å­ние, что также вносит новый элемент и тем самым услож­няет рассмотрение по сравнению с обычной теорией уп­ругости. Поэтому здесь ограничимся рассказом об упру­гости жидких кристаллов в отсутствие течений.

Оказывается, любую деформацию в жидком кристал­ле можно представить как одну из трех допустимых в ЖК видов изгибных деформаций либо как комбинацию этих трех видов деформации. Такими главными деформа­циями являются поперечный изгиб, кручение и продоль­ный изгиб. Рис. 6, èëëþñòðèðóþùèé íàçâàííûå âèäû äå­формаций, делает понятным происхождение их названий.

В поперечном изгибе меняется от точки к точке вдоль оси образца на рис. 6, а направление, перпендикулярное (по­перечное) директору, в продольном изгибе — îðèåíòà­ция директора, а в кручении происходит поворот дирек­тора вокруг оси изображенного на рис. 6, б образца.

Коэффициенты пропорциональности между упругой энергией жидкого кристалла и деформациями изгибов называют упругими модулями. Таких упругих модулей в жидких кристаллах по числу деформаций три —K1, Ê2 è Êç. ×èñëåííûå çíà÷åíèÿ ýòèõ ìîäóëåé íåñêîëüêî îòëè÷à­ются друг от друга. Так, модуль продольного изгиба Кз обычно оказывается больше двух других модулей. Наименьшую упругость жидкий кристалл проявляет по отношению к кручению, т. е. модуль Кг, как правило, меньше остальных.

Такой результат качественно можно понять, вспоми­ная обсуждавшуюся выше модель нематика как жидко­сти ориентированных палочек. Действительно, чтобы осуществить продольный изгиб, надо прикладывать уси­лия, которые стремятся изогнуть эти палочки (а они жест­кие)). В деформации же кручения, например, происходит просто поворот палочек-молекул относительно друг дру­га, при этом не возникает усилий, связанных с деформа­цией отдельной палочки-молекулы.

Поэтому и оказывается, что упругость по отношению к продольному изгибу (модуль Кз), больше упругости по отношению к кручению (модуль К2). Модуль же К) име­ет промежуточную между К2 и Кз величину.

Чтобы сравнить упругость жидкого кристалла с упру­гостью обычного кристалла, надо сравнить их упругие энергии, приходящиеся на единицу объема. При этом можно для качественной оценки пренебречь различием модулей поперечного, продольного изгиба и кручения и, вычисляя упругую энергию жидкого кристалла, исполь­зовать их среднее значение. Сравнение показывает, что упругая энергия твердого тела в типичной ситуации ока­зывается по меньшей мере на десять порядков больше упругой энергии жидкого кристалла)))

Таким образом, теория упругости жидких кристаллов, описывающая их как сплошную среду, т. е. претендую­щая только на описание свойств ЖК, усредненных по расстояниям больше межмолекулярных, приводит к вы­воду, что минимальная энергия жидкого кристалла соот­ветствует отсутствию деформаций в нем. Для нематика таким состоянием с минимальной энергией или, как гово­рят, основным состоянием является конфигурация с одинаковой ориентацией директора во всем объеме об­разца. Любое отклонение распределения направлений директора от однородного (т. е. постоянного во всем объеме) связано с наличием в нематике дополнительной упругой энергии, т. е. может быть реализовано только за счет приложения внешних воздействий, например, свя­занных с поверхностями образца, внешними электриче­скими и магнитными полями и т. д. В отсутствие этих воз­действий или при снятии их нематик стремится возвра­титься в состояние с однородной ориентацией дирек­тора.

Континуальная теория применима для описания и других типов жидких кристаллов. Для них, однако, тре­буются определенные модификации теории. Но об этом речь пойдет дальше.

Гидродинамика ЖК.Только что мы познакомились с упругими свойствами жидкого кристалла, сближающими его с твердыми телами. При этом обнаружились сущест­венные отличия его упругих свойств от свойств кристал­ла как в качественном, так и количественном отношении. Теперь познакомимся детально со свойством жидкого кристалла, типичным для жидкости, — òåêó÷åñòüþ, èçó÷å­нием которой занимается наука гидродинамика.

Сразу следует сказать, что несмотря на солидный воз­раст гидродинамики, одной из древнейших научных ди­сциплин, и большие достижения, в этой науке сущест­вуют проблемы, не решенные до сих пор. К их числу относится проблема турбулентного, т. е. сопровождаю­щегося нерегулярными вихрями, как в бурном потоке, течения жидкости. Эта проблема, находящаяся, кстати сказать, сейчас в центре внимания специалистов, не ре­шена еще для самых обычных жидкостей, таких, как во­да. А о полном описании турбулентного течения таких сложных сред, как жидкие кристаллы, пока что не идет и речи. Поэтому, говоря здесь о текучести жидких кристал­лов, мы будем иметь в виду их спокойное течение, в котором нет нерегулярных вихрей, или, как принято назы­вать его, «ламинарное течение».

Ламинарное течение обычных жидкостей хорошо изу­чено. Основной характеристикой, определяющей тече­ние в этих условиях, является вязкость, свойство жидко стей, всем хорошо известное на практике. Так, каждый, не задумываясь, скажет, что у воды вязкость небольшая, у смазочных масел гораздо больше, а у смолы—î÷åíü áîëüøàÿ.

Вязкость характеризуется количественно коэффици­ентом вязкости ò, êîòîðûé ïîêàçûâàåò, êàê ñèëüíî òðå­ние между соседними слоями текущей жидкости и на­сколько интенсивно передается движение жидкости от одной ее точки к другой (см. рис. 7). Èìåííî èç-çà âÿç­кости при течении жидкости по трубе ее скорость непо­средственно на стенках трубы равна нулю, а в сечении трубы не постоянна, а возрастает по мере удаления от стенок, достигая максимума в центре.

Типичными задачами в течении жидкостей являются течение жидкости по трубе (например, нефтепродуктов в трубопроводе) и движение тела (например, шарика под действием силы тяжести) в жидкости. Понятно, что оба эти примера имеют непосредственное отношение к прак­тическим задачам. Гидродинамика давно уже дала точ­ное описание таких течений и, зная вязкость жидкости и давление, создаваемое насосными станциями, можно аб­солютно точно рассчитать поток нефти в трубопроводе или скорость движения тела в жидкости. Для нас здесь важно то, что именно в таких условиях выполняют изме­рение вязкости жидкостей. В соответствующих экспери­ментах трубу заменяют капилляром, а движущееся тело шариком, падающим под действием силы тяжести в жидкости.

Течение жидкости в капилляре описывается законом Пуазейля, названным так в честь французского ученого, открывшего эту закономерность. В соответствии с этим законом количество жидкости, протекающей через трубу (капилляр), прямо пропорционально разности давлений на концах трубы, второй степени площади сечения трубы и обратно пропорционально коэффициенту вязкости. Скорость движения шарика в жидкости описывается законом Стокса, названного так по имени английского фи­зика девятнадцатого века, современника Пуазейля. Эта закономерность гласит, что скорость движения шарика в жидкости прямо пропорциональна приложенной к нему силе и обратно пропорциональна радиусу шарика и вяз­кости жидкости.

Обратим здесь внимание читателя на то, что в де­вятнадцатом веке и ранее было часто принято многим установленным учеными соотношениям, даже не очень важным, давать громкое имя «закон». В результате этой традиции появились приведенные выше термины — çà­кон Пуазейля, закон Стокса и многие другие законы. Это не должно смущать читателя и вводить его в заблужде­ние при оценке значимости названных соотношений по сравнению со знакомыми ему со школьной скамьи фун­даментальными законами, например, законами механи­ки Ньютона или законами электромагнетизма Фарадея. Конечно, значимость соотношений, найденных Пуазей-лем и Стоксом, несравнима со значимостью фундамен­тальных законов Природы, а установившаяся здесь тер­минология—ýòî ïðîñòî äàíü âðåìåíè. Ïî ñîâðåìåííîé ïðàêòèêå âìåñòî ñëîâà «çàêîí» ñëåäîâàëî áû óïîòðåáèòü òåðìèí «ôîðìóëà», ò. å. ôîðìóëà Ïóàçåéëÿ, ôîðìóëà Ñòîêñà.

Названные закономерности, как будем их называть, после сделанного отступления прекрасно зарекомендо­вали себя при определении вязкости жидкостей. В част­ности, экспериментально была подтверждена их справед­ливость и показано, что значение коэффициента вязко­сти ò íå çàâèñèò îò ñêîðîñòè òå÷åíèÿ æèäêîñòè (ñêîðîñòè øàðèêà), ïîêà âûïîëíÿþòñÿ óñëîâèÿ ëàìèíàðíîãî òå÷å­ния.

Приступая к изучению гидродинамики жидких кри­сталлов, исследователи начали с того, что просто приме­нили описанные методы измерения вязкости к жидким кристаллам. Такой подход ничего хорошего не дал. Ре­зультаты измерений вязкости не воспроизводились и за­висели, казалось бы, от случайных причин, таких, как предыстория образца, способа изготовления капилляров, применяемых в измерениях. Более того, некоторые из­мерения показывали зависимость коэффициента вязко­сти от скорости течения жидкого кристалла. Эти первые результаты показали, что гидродинамика жидких кристал­лов гораздо сложней и интересней, чем гидродинамика обычных жидкостей. И конечно, надо сказать, что иссле­дователи, начиная изучать гидродинамику жидких кри­сталлов, надеялись обнаружить новые, не известные для обычных жидкостей свойства и были бы разочарованы, если бы течение жидких кристаллов описывалось просты­ми формулами Пуазейля и Стокса.

В чем же дело? Почему течение нематика оказыва­ется более сложным, чем течение обычной жидкости?

Дело в том, что течение жидкости вызывает переориентацию длинных осей молекул. А на введенном выше языке описания жидкого кристалла как сплошной среды с помощью задания в каждой его точке направле­ния директора означает, что течение нематика, с одной стороны, может приводить к переориентации директора, а с другой, к тому, что характеристики течения оказыва­ются различными при различной ориентации директора по отношению к направлению скорости течения жидко­сти. Эти результаты легко понять и на молекулярном уровне. При течении жидкости молекул-палочек по ка­пиллярам, особенно узким, течение будет выстраивать палочки-молекулы вдоль оси капилляра. Если каким-ли­бо' образом заставлять оставаться ориентацию палочек неизменной, то легко сообразить, что течение жидкости • ñëó÷àå îðèåíòàöèè ïàëî÷åê ïîïåðåê êàïèëëÿðà áóäåò çàòðóäíåíî ïî ñðàâíåíèþ ñ òå÷åíèåì ïðè èõ îðèåíòàöèè âäîëü êàïèëëÿðà.

Эти интуитивные представления, которые мы черпаем из повседневного опыта, полностью подтверждаются на эксперименте. Еще в начале 40-х годов В. Н. Цветков исследовал зависимость скорости протекания нематика через капилляры от ориентации директора. При ориента­ции директора поперек капилляра скорость протекания жидкого кристалла через капилляр оказалась существен­но меньше, чем при ориентации директора вдоль оси ка­пилляра. Ориентация директора поперек оси капилляра осуществлялась с помощью прикладываемого перпенди­кулярно капилляру магнитного поля (о том, почему поле ориентирует нематик, речь еще впереди). Результат опы­та, интерпретация которого проводилась с помощью фор­мулы Пуазейля, показал, что при включенном магнитном поле наблюдаемая вязкость почти в 2 ðàçà áîëüøå, ÷åì â îòñóòñòâèè ìàãíèòíîãî ïîëÿ.

Таким образом, опыт показал, что для жидких кри­сталлов надо разрабатывать свою, более сложную и общую, чем для обычных жидкостей, теорию текучести. Такая теория разрабатывается усилиями многих исследо­вателей. И оказалась она гораздо более сложной, чем обычная гидродинамика. Достаточно сказать, что в об­щем случае жидкий кристалл описывается восьмью коэф­фициентами вязкости. И даже упрощенный вариант этой теории, пренебрегающий сжимаемостью жидких кри­сталлов, содержит пять коэффициентов вязкости. Это оп­ределяет как трудности теоретического описания тече­ния жидких кристаллов, так и постановку экспериментов, допускающих однозначную интерпретацию результатов. Здесь надо добавить, что в экспериментальном отноше­нии дополнительные трудности связаны с тем, что в процессе течений в жидком кристалле могут возникать дефекты в ориентации директора. Дефектами называют точки или линии в нематике, на которых ориентация ди­ректора не определена. Поведение течений при наличии таких дефектов особенно сложно, и, в частности, упоми­навшуюся выше зависимость вязкости нематика от скоро­сти течения связывают с возникновением при возрастании скорости именно таких дефектов,

Таким образом, можно констатировать, что течение жидких кристаллов—ýòî âåñüìà ñëîæíûé ïðîöåññ, à èñ­следования гидродинамики ЖК находятся в начале свое­го пути. Облегчает исследование гидродинамики жидких кристаллов их двулучепреломление, оно позволяет визу-ализировать наведенные течением жидкого кристалла, из­менения ориентации директора и, наоборот, по измене­нию двупреломления, т. е. оптических свойств нематика, судить о скоростях и изменении скоростей в потоке. Электрические свойства. Забегая вперед, скажем, что большинство применений жидких кристаллов связано с управлением их свойствами путем приложения к ним ! ýëåêòðè÷åñêèõ âîçäåéñòâèé. Ïîäàòëèâîñòü è «ìÿãêîñòü» æèäêèõ êðèñòàëëîâ ïî îòíîøåíèþ ê âíåøíèì âîçäåéñò­виям делают их исключительно перспективными матери­алами для применения в устройствах микроэлектроники, для которых характерны небольшие электрические на­пряжения, малые потребляемые мощности и малые га­бариты. Поэтому для обеспечения оптимального режима функционирования ЖК элемента в каком-либо устройст­ве важно хорошо изучить электрические характеристики жидких кристаллов. Начнем описание электрических свойств с электро проводности жидких кристаллов. Электропроводность — ýòî âåëè÷èíà, õàðàêòåðèçóþùàÿ êîëè÷åñòâåííî ñïîñîá­ность вещества проводить ток. Она является коэффици­ентом пропорциональности в формуле l==oU, óñòàíàâ­ливающей связь между током / è ïðèëîæåííûì íàïðÿ­жением U. Ïîñêîëüêó ïðîâîäèìîñòü î — õàðàêòåðèñòèêà âåùåñòâà, òî åå çíà÷åíèå âñåãäà ïðèâîäèòñÿ äëÿ åäèíè÷­ного объема вещества с единичным сечением поверхно­стей. Такой «объемчик» можно представить себе в виде кубика или цилиндра. Напряжение прикладывается к про­тивоположным граням куба или сечениям цилиндра, а ток в приведенной формуле—ýòî ñóììàðíûé òîê ÷åðåç ãðàíè êóáà, ê êîòîðûì ïðèëîæåíî íàïðÿæåíèå, èëè ÷å­рез сечение цилиндра. Вспомнив курс школьной физики, читатель скажет, что проводимость — ýòî âåëè÷èíà, îá­ратная удельному сопротивлению (строго говоря, введен­ную нами величину следует также называть удельной проводимостью, но слово «удельная» обычно опускают). Совершенно правильно] Более того, проводимость изме­ряется в тех же, что и сопротивление, единицах — â îìàõ, òî÷íåå, îáðàòíûõ îìàõ. Äëÿ îáúåìà ÆÊ â îäèí êóáè÷å­ский сантиметр ее типичное значение ^0~"—\0~" Ом-*-см. Это довольно-таки малая величина, характерная для ор­ганических жидкостей. Для металлов соответствующая величина на 16—18 ïîðÿäêîâ áîëüøå) Íî çäåñü âàæíî íå àáñîëþòíîå çíà÷åíèå ïðîâîäèìîñòè, à òî, ÷òî ïðîâî­димость в направлении вдоль директора (Гц отличается от проводимости поперек директора Од. .  áîëüøèíñòâå íåìàòèêîâ ñãö áîëüøå, ÷åì Oi. Òàê, äëÿ íåìàòèêà ÌÁÁÀ

вЦ/»1==1,5-

Другим важным обстоятельством является то, что проводимость в жидких кристаллах носит ионный харак­тер. Это означает, что ответственными за перенос элек­трического тока в ЖК являются не электроны, как в ме­таллах, а гораздо более массивные частицы. Это поло­жительно и отрицательно заряженные фрагменты моле­кул (или сами молекулы), отдавшие или захватившие из­быточный электрон. По этой причине электропроводность жидких кристаллов сильно зависит от количества и хими­ческой природы содержащихся в них примесей. В част­ности, электропроводность нематика можно целена­правленно изменять, добавляя в него контролируемо» количество ионных добавок, в качестве которых могут выступать некоторые соли.

Из сказанного понятно, что ток в жидком кристалле представляет собой направленное движение ионов в системе ориентированных палочек-молекул. Если ионы представить себе в виде шариков, то свойство нематика обладать проводимостью вдоль директора в ð. áîëüøå, ÷åìó, ïðåäñòàâëÿåòñÿ ñîâåðøåííî åñòåñòâåííûì è ïî­нятным. Действительно, при движении шариков вдоль директора они испытывают меньше помех от молекул-палочек, чем при движении поперек молекул-палочек. В результате чего и следует ожидать, что продольная проводимость о II áóäåò ïðåâîñõîäèòü ïîïåðå÷íóþ ïðî­водимость.

Более того, обсуждаемая модель шариков-ионов в системе ориентированных палочек-молекул с необходи­мостью приводит к следующему важному заключению. Двигаясь под действием электрического тока поперек направления директора (мы считаем, что поле приложе­но поперек директора), ионы, сталкиваясь с молекула­ми-палочками, будут стремиться развернуть их вдоль направления движения ионов, т. е. вдоль направления электрического тока. Мы приходим к заключению, что электрический ток в жидком кристалле должен приво­дить к переориентации директора.

Эксперимент подтверждает выводы рассмотренной выше простой механической модели прохождения тока в жидком кристалле. Однако во многих случаях ситуа­ция оказывается не такой простой, как может показать­ся на первый взгляд.

Часто постоянное напряжение, приложенное к слою нематика, вызывает в результате возникшего тока не однородное изменение ориентации молекул, а периоди­ческое в пространстве возмущение ориентации директо­ра. Дело здесь в том, что, говоря об ориентирующем молекулы нематика воздействии ионов носителей тока, мы пока что пренебрегали тем, что ионы будут вовле­кать в свое движение также и молекулы нематика. В ре­зультате такого вовлечения прохождение тока в жид­ком кристалле может сопровождаться гидродинамичес­кими потоками, вследствие чего может установиться пе­риодическое в пространстве распределение скоростей течения жидкого кристалла. Вследствие же обсуждав­шейся в предыдущем разделе связи потоков жидкого кристалла с ориентацией директора в слое нематика воз­никнет периодическое возмущение распределения директора. Подробней на этом интересном и важном в при­ложении жидких кристаллов явлении мы остановимся ниже, рассказывая об электрооптике нематиков.

Флексоэлектрический эффект. Говоря о форме мо­лекул жидкого кристалла, мы пока аппроксимировали ее жесткой палочкой. А всегда ли такая аппроксимация хороша? Рассматривая модели структур молекул, можно прийти к заключению, что не для всех соединений приб­лижение молекула-палочка наиболее адекватно их фор­ме. Далее мы увидим, что с формой молекул связан ряд интересных, наблюдаемых на опыте, свойств жид­ких кристаллов. Сейчас мы остановимся на одном из таких свойств жидких кристаллов, связанном с отклоне­нием ее формы от простейшей молекулы-палочки, про­являющемся в существовании флексоэлектрического эффекта.

Интересно, что открытие флексоэлектрического эф­фекта, как иногда говорят о теоретических предсказа­ниях, было сделано на кончике пера американским физи­ком Р. Мейером в 1969 ãîäó.

Рассматривая модели жидких кристаллов, образо­ванных не молекулами-палочками, а молекулами более сложной формы, он задал себе вопрос: «Как форма молекулы может обнаружить себя в макроскопических свойствах?» Для конкретности Р. Мейер предположил, что молекулы имеют грушеобразную или банановидную форму. Далее он предположил, что отклонение формы молекулы от простейшей, рассматривавшейся ранее, сопровождается возникновением у нее электрического дипольного момента.

Возникновение дипольного момента у молекулы не­симметричной формы — òèïè÷íîå ÿâëåíèå è ñâÿçàíî îíî ñ òåì, ÷òî ðàñïîëîæåíèå «öåíòðà òÿæåñòè» îòðèöà­тельного электрического заряда электронов в молекуле может быть несколько смещено относительно «центра тяжести» положительных зарядов атомных ядер моле­кулы. Это относительное смещение отрицательных и по­ложительных зарядов относительно друг друга и приво­дит к возникновению электрического дипольного момен­та молекулы. При этом в целом молекула остается нейт­ральной, так как величина отрицательного заряда элек­тронов в точности равна положительному заряду ядер. Величина дипольного момента равна произведению за­ряда одного из знаков на величину их относительного смещения. Направлен дипольный момент вдоль направ­ления смещения от отрицательного заряда к положи­тельному. Для грушеобразной молекулы направление ди­польного момента по симметричным соображениям должно совпадать с осью вращения, для банановидной молекулы — íàïðàâëåíî ïîïåðåê äëèííîé îñè.

Рассматривая жидкий кристалл таких молекул, легко понять, что без влияния на него внешних воздействий дипольный момент макроскопически малого, но, разуме­ется, содержащего большое число молекул объема жид­кого кристалла, равен нулю. Это связано с тем, что нап­равление директора в жидком кристалле задается ориен­тацией длинных осей молекул, количество же молекул, дипольный момент которых направлен по директору в ту и другую сторону — äëÿ ãðóøåîáðàçíûõ ìîëåêóë, èëè äëÿ áàíàíîâèäíûõ ìîëåêóë — ïîïåðåê íàïðàâëåíèÿ äè­ректора в ту и другую сторону, одинаково. В ре­зультате дипольный момент любого макроскопиче­ского объема жидкого кристалла равен нулю, так как он равен сумме дипольных моментов отдельных молекул.

Так, однако, дело обстоит лишь в неискаженном об­разце. Стоит путем внешнего воздействия, например ме­ханического, исказить, скажем, изогнуть его, как моле­кулы начнут выстраиваться, и распределение направле­ний дипольных моментов отдельных молекул вдоль ди­ректора для грушеподобных молекул и поперек директо­ра для банановидных будет неравновероятным. Это означает, что возникает преимущественное направление ориентации дипольных моментов отдельных молекул и, как следствие, появляется макроскопический дипольный момент в объеме жидкого кристалла. Причиной такого выстраивания являются стерические факторы, т. е. фак­торы, обеспечивающие плотнейшую упаковку молекул. Плотнейшей упаковке молекул именно и соответствует такое выстраивание молекул, при котором их диполь-ные моменты «смотрят» преимущественно в одну сто­рону.

С макроскопической точки зрения рассмотренный эффект проявляется в возникновении в слое жидкого кристалла электрического поля при деформации. Как видно из рисунка, это связано с тем, что при выстраива­нии диполей на одной поверхности деформированного кристалла оказывается избыток зарядов одного, а на противоположной поверхности — äðóãîãî çíàêà. Òàêèì îáðåçîì, íàëè÷èå èëè îòñóòñòâèå ôëåêñîýëåêòðè÷åñêîãî ýôôåêòà íåñåò èíôîðìàöèþ î ôîðìå ìîëåêóë è åå äè-ïîëüíîì ìîìåíòå. Äëÿ ìîëåêóë-ïàëî÷åê òàêîé ýôôåêò îòñóòñòâóåò. Äëÿ òîëüêî ÷òî ðàññìîòðåííûõ ôîðì ìîëå­кул эффект есть. Однако, как уже, наверное, заметили наиболее внимательные читатели, для грушеподобных и банановидных молекул для наблюдения возникновения электрического поля в слое надо вызвать в нем разли­чные деформации. Грушеподобные молекулы дают эф­фект при поперечном изгибе, а банановидные — ïðè ïðîäîëüíîì èçãèáå æèäêîãî êðèñòàëëà

Предсказанный теоретически флексоэлектрический эффект вскоре был обнаружен экспериментально. При­чем на эксперименте можно было пользоваться как пря­мым, так и обратным эффектом. Это означает, что можно не только путем деформации ЖК индуцировать в нем электрическое поле и макроскопический диполь­ный момент (прямой эффект), но и, прикладывая к об­разцу внешнее электрическое поле, вызывать дефор­мацию ориентации директора в жидком кристалле.

Электронная игра, электронный словарь и телевизор на æê»

Известно, какой популярностью у молодежи пользу­ются различные электронные игры, обычно устанавлива­емые в специальной комнате аттракционов в местах об­щественного отдыха или фойе кинотеатров. Успехи в разработке матричных жидкокристаллических дисплеев сделали возможным создание и массовое производство подобных игр в миниатюрном, так сказать, карманном ис­полнении. На рис. 28 èçîáðàæåíà èãðà «Íó, ïîãîäè!», îñ­военная отечественной промышленностью. Габариты этой игры, как у записной книжки, а основным ее эле­ментом является жидкокристаллический матричный дис­плей, на котором высвечиваются изображения волка, зай­ца, кур и катящихся по желобам яичек. Задача играюще­го, нажимая кнопки управления, заставить волка, пере­мещаясь от желоба к желобу, ловить скатывающиеся с желобов яички в корзину, чтобы не дать им упасть на землю и разбиться. Здесь же отметим, что, помимо раз­влекательного назначения, эта игрушка выполняет роль часов и будильника, т. е. в другом режиме работы на дисплее «высвечивается» время и может подаваться зву­ковой сигнал в требуемый момент времени.

Еще один впечатляющий пример эффективности со­юза матричных дисплеев на жидких кристаллах и микро­электронной техники дают современные электронные словари, которые начали выпускать в Японии. Они пред­ставляют собой миниатюрные вычислительные машинки размером с обычный карманный микрокалькулятор, в память которых введены слова на двух (или больше) языках и которые снабжены матричным дисплеем и кла­виатурой с алфавитом. Набирая на клавиатуре слово на одном языке, вы моментально получаете на дисплее его перевод на другой язык. Представьте себе, как улучшит­ся и облегчится процесс обучения иностранным язы­кам в школе и в вузе, если каждый учащийся будет снаб­жен подобным словарем) А наблюдая, как быстро изде­лия микроэлектроники внедряются в нашу жизнь, можно с уверенностью сказать, что такое время не за горами) Легко представить и пути дальнейшего совершенствова­ния таких словарей-переводчиков: переводится не одно слово, а целое предложение. Кроме того, перевод мо­жет быть и озвучен. Словом, внедрение таких словарей-переводчиков сулит революцию в изучении языков и технике перевода.

Требования к матричному дисплею, используемому в качестве экрана телевизора, оказываются значительно выше как по быстродействию, так и по числу элементов, чем в описанных выше электронной игрушке и словаре-переводчике. Это станет понятным, если вспомнить, что в соответствии с телевизионным стандартом изображе­ние на экране формируется из 625 ñòðîê (è ïðèáëèçè­тельно из такого же числа элементов состоит каждая строка), а время записи одного кадра 40 ìñ. Ïîýòîìó ïðàêòè÷åñêàÿ ðåàëèçàöèÿ òåëåâèçîðà ñ æèäêîêðèñòàëëè­ческим экраном оказывается более трудной задачей. Тем не менее налицо первые успехи в техническом решении и этой задачи. Так, японская фирма «Сони» наладила про­изводство миниатюрного, умещающегося практически на ладони телевизора с черно-белым изображением и размером экрана 3,6 ñì. Íåñîìíåííî, â áóäóùåì óäàñò­ся создать телевизоры на ЖК как с более крупными эк­ранами, так и с цветным изображением.

Союз микроэлектроники и жидких кристаллов оказы­вается чрезвычайно эффективным не только в готовом изделии, но и на стадии изготовления интегральных схем. Как известно, одним из этапов производства микросхем является фотолитография, которая состоит в нанесении на поверхность полупроводникового материала специ­альных масок, а затем в вытравливании с помощью фо тографической техники так называемых литографических окон. Эти окна в результате дальнейшего процесса про­изводства преобразуются в элементы и соединения ми­кроэлектронной схемы. От того, насколько малы разме­ры соответствующих окон, зависит число элементов схемы, которые могут быть размещены на единице площади полупроводника, а от точности и качества вытравливания окон зависит качество микросхемы. Выше уже говорилось о контроле качества готовых микросхем с помощью холестерических жидких кристаллов, которые визуализируют поле температур на работающей схеме и позволяют выделить участки схемы с аномальным тепло-выделением. Не менее полезным оказалось применение жидких кристаллов (теперь уж нематических) на стадии контроля качества литографических работ. Для этого на полупроводниковую пластину с протравленными литогра­фическими окнами наносится ориентированный слой не- матика, а затем к ней прикладывается электрическое напряжение. В результате в ïîëÿðèçîâàííîì ñâåòå êàðòèíà " âûòðàâëåííûõ îêîí îò÷åòëèâî âèçóàëèçèðóåòñÿ. Áîëåå òîãî, ýòîò ìåòîä ïîçâîëÿåò âûÿâèòü î÷åíü ìàëûå ïî ðàç- ìåðàì íåòî÷íîñòè è äåôåêòû ëèòîãðàôè÷åñêèõ ðàáîò, 1 ïðîòÿæåííîñòü êîòîðûõ âñåãî 0,01 ìêì (ðèñ. 29).

О БУДУЩИХ ПРИМЕНЕНИЯХ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ

Жидкие кристаллы сегодня и завтра. Многие оптиче­ские эффекты в жидких кристаллах, о которых рассказы­валось выше, уже освоены техникой и используются в изделиях массового производства. Например, всем из­вестны часы с индикатором на жидких кристаллах, но не все еще знают, что те же жидкие кристаллы использу­ются для производства наручных часов, в которые встро­ен калькулятор. Тут уже даже грудно сказать, как на­звать такое устройство, то ли часы, то ли компьютер. Но это уже освоенные промышленностью изделия, хотя всего десятилетия назад подобное казалось нереальным. Перспективы же будущих массовых и эффективных при­менений жидких кристаллов еще более удивительны. По­этому стоит рассказать о нескольких технических идеях применения жидких кристаллов, которые пока что не реализованы, но, возможно, в ближайшие несколько лет послужат основой создания устройств, которые станут для нас такими же привычными, какими, скажем, сейчас являются транзисторные приемники.

Управляемые оптические транспаранты. Рассмотрим пример достижения научных исследований в процессе создания жидкокристаллических экранов, отображения информации, в частности жидкокристаллических экранов телевизоров. Известно, что массовое создание больших плоских экранов на жидких кристаллах сталкивается с трудностями не принципиального, а чисто технологиче­ского характера. Хотя принципиально возможность со­здания таких экранов продемонстрирована, однако а связи со сложностью их производства при современной технологии их стоимость оказывается очень высокой. По­этому возникла идея создания проекционных устройств на жидких кристаллах, в которых изображение, получен­ное на жидкокристаллическом экране малого размера могло бы быть спроектировано в увеличенном виде на обычный экран, подобно тому, как это происходит в кинотеатре с кадрами кинопленки. Оказалось, что такие устройства могут быть реализованы на жидких кристал­лах, если использовать сэндвичевые структуры, в кото­рые наряду со слоем жидкого кристалла входит слой фотополупроводника. Причем запись изображения в жидком кристалле, осуществляемая с помощью фотопо­лупроводника, производится лучом света. О подобном проекторе уже рассказывалось в главе VII. Òåïåðü æå ïîçíàêîìèìñÿ ñ ôèçè÷åñêèìè ÿâëåíèÿìè, ïîëîæåííûìè â îñíîâó åãî ðàáîòû.

Принцип записи изображения очень прост. В отсутст­вие подсветки фотополупроводника его проводимость очень мала, поэтому практически вся разность потенциа­лов, поданная на электроды оптической ячейки, в кото­рую еще дополнительно введен слой фотополупровод­ника, падает на этом слое фотополупроводника. При этом состояние жидкокристаллического слоя соответствует отсутствию напряжен; .я на нем. При подсветке фотопо­лупроводника его проводимость резко возрастает, так как свет создает в нем дополнительные носители тока (свободные электроны и дырки). В результате происхо­дит перераспределение электрических напряжений в ячейке — òåïåðü ïðàêòè÷åñêè âñå íàïðÿæåíèå ïàäàåò íà æèäêîêðèñòàëëè÷åñêîì ñëîå, è ñîñòîÿíèå ñëîÿ, â ÷àñòíî­сти, его оптические характеристики изменяются соответ­ственно величине поданного напряжения. Таким образом изменяются оптические характеристики жидкокристал­лического слоя в результате действия света. Ясно, что при этом в принципе может быть использован любой электрооптический эффект из описанных выше. Практи­чески, конечно, выбор электрооптического эффекта в та­ком сэндвичевом устройстве, называемом электроопти-ческим транспарантом, определяется наряду с требуе мыми оптическими характеристиками и чисто технологическими причинами [6].

Важно, что в описываемом транспаранте изменение оптических характеристик жидкокристаллического слоя происходит локально — â òî÷êå çàñâåòêè ôîòîïîëóïðî­водника. Поэтому такие транспаранты обладают очень вы­сокой разрешающей способностью. Так, объем информа­ции, содержащейся на телевизионном экране, может быть записан на транспаранте размерами менее 1Õ1 ñì^.

Описанный способ записи изображения, помимо все­го прочего, обладает большими достоинствами, так как он делает ненужной сложную систему коммутации, т. е. систему подвода электрических сигналов, которая применяется в матричных экранах на жидких кри­сталлах.

Пространственно-временные модуляторы света. Уп­равляемые оптические транспаранты могут быть исполь­зованы не только как элементы проекционного устрой­ства, но и выполнять значительное число функций, свя­занных с преобразованием, хранением и обработкой оп­тических сигналов. В связи с тенденциями развития ме­тодов передачи и обработки информации с использова­нием оптических каналов связи, позволяющих увеличить быстродействие устройств и объем передаваемой инфор­мации, управляемые оптические транспаранты на жид­ких кристаллах представляют значительный интерес и с этой точки зрения. В этом случае их еще принято назы­вать пространственно-временными модуляторами света (ПВМС), или световыми клапанами. Перспективы и мас­штабы применения ПВМС в устройствах обработки опти­ческой информации определяются тем, насколько се­годняшние характеристики оптических транспарантов мо­гут быть улучшены в сторону достижения максимальной чувствительности к управляющему излучению, повыше­ния быстродействия и пространственного разрешения световых сигналов, а также диапазона длин волн излуче­ния, в котором надежно работают эти устройства. Как уже отмечалось, одна из основных проблем — ýòî ïðîá­лема быстродействия жидкокристаллических элементов, однако уже достигнутые характеристики модуляторов света позволяют совершенно определенно утверждать, что они займут значительное место в системах обработ­ки оптической информации. Ниже рассказывается о ря­де возможных применений модуляторов света.

Прежде всего отметим высокую чувствительность модуляторов света к управляющему световому потоку, которая характеризуется интенсивностью светового по­тока всего 10 ^—10 ^ Âò/ñì^. Êðîìå òîãî, äîñòèãíóòî âûñîêîå ïðîñòðàíñòâåííîå ðàçðåøåíèå ñèãíàëà — îêîëî 300 ëèíèé íà 1 ìì. Ñïåêòðàëüíûé äèàïàçîí ðàáîòû ìî­дуляторов, выполненных на различных полупроводнико­вых материалах, перекрывает длины волн от ультрафио­летового до ближнего инфракрасного излучения. Очень важно, что в связи с применением в модуляторах фото­полупроводников удается улучшить временные характе­ристики устройств по сравнению с быстродействием соб­ственно жидких кристаллов. Так, модуляторы света за счет свойств фотополупроводника могут зарегистриро­вать оптический сигнал продолжительностью всего 10 ^— 10"^ ñ. Ðàçóìååòñÿ, èçìåíåíèå îïòè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê æèäêîãî êðèñòàëëà â òî÷êå ðåãèñòðàöèè ñèãíàëà ïðîèñ­ходит с запаздыванием, т. е. более медленно, в соответ­ствии с временем изменения оптических характеристик жидкого кристалла при наложении на него (или снятии) электрического поля.

Какие же, кроме уже обсуждавшихся функций, могут выполнять модуляторы света? При соответствующем под­боре режима работы модулятора они могут выделять контур проектируемого на него изображения. Если кон­тур перемещается, то можно визуализировать его дви­жение. При этом существенно, что длина волны записы­вающего изображения излучения и считывающего излу­чения могут отличаться. Поэтому модуляторы света по­зволяют, например, визуализировать инфракрасное из­лучение, или с помощью видимого света модулировать пучки инфракрасного излучения, или создавать изобра­жения в инфракрасном диапазоне длин волн.

В другом режиме работы модуляторы света могут выделять области, подвергнутые нестационарному осве­щению. В этом режиме работы из всего изображения выделяются, например, только перемещающиеся по изо­бражению световые точки, или мерцающие его участки. Модуляторы света могут использоваться как усилители яркости света (в 10^—10° ðàç è áîëåå)  ñâÿçè æå ñ èõ âûñîêîé ïðîñòðàíñòâåííîé ðàçðåøàþùåé ñïîñîáíîñòüþ èõ èñïîëüçîâàíèå îêàçûâàåòñÿ ýêâèâàëåíòíûì óñèëèòåëþ ñ î÷åíü áîëüøèì (10"—10^) ÷èñëîì êàíàëîâ. Ïåðå÷èñëåííûå ôóíêöèîíàëüíûå âîçìîæíîñòè îïòè ÷åñêèõ ìîäóëÿòîðîâ äàþò Îñíîâàíèå èñïîëüçîâàòü èõ 6 ìíîãî÷èñëåííûõ çàäà÷àõ îáðàáîòêè îïòè÷åñêîé èíôîð­мации, таких как распознавание образов, подавление по­мех, спектральный и корреляционный анализ, интерфе­рометрия, в том числе запись голограмм в реальном мас­штабе времени, и т. д. Насколько широко перечислен­ные возможности жидкокристаллических оптических мо­дуляторов реализуются в надежные технические устрой­ства, покажет ближайшее будущее.

Оптический микрофон. Только что было рассказано об управлении световыми потоками с помощью света. Однако в системах оптической обработки информации и связи возникает необходимость преобразовывать не только световые сигналы в световые, но и другие самые разнообразные воздействия в световые сигналы. Такими воздействиями могут быть давление, звук, температура, деформация и т. д. И вот для преобразования этих воз­действий в оптический сигнал жидкокристаллические ус­тройства оказываются опять-таки очень удобными и пер­спективными элементами оптических систем.

Конечно, существует масса методов преобразовывать перечисленные воздействия в оптические сигналы, одна­ко подавляющее большинство этих методов связано сна­чала с преобразованием воздействия в электрический сигнал, с помощью которого затем можно управлять световым потоком. Таким образом, методы эти двусту­пенчатые и, следовательно, не такие уж простые и эко­номичные в реализации. Преимущество применения в этих целях жидких кристаллов состоит в том, что с их помощью самые разнообразные воздействия можно не­посредственно переводить в оптический сигнал, что уст­раняет промежуточное звено в цепи воздействие—ñâå­товой сигнал, а значит, вносит принципиальное упроще­ние в управление световым потоком. Другое достоинст­во ЖК-элементов в том, что они легко совместимы с уз­лами волоконно-оптических устройств.

Чтобы проиллюстрировать возможности с помощью ЖК управлять световыми сигналами, расскажем о прин­ципе работы «оптического микрофона» на ЖК—óñòðîé­ства, предложенного для непосредственного перевода акустического сигнала в оптический.

Принципиальная схема устройства оптического мик­рофона очень проста. Его активный элемент представляет собой ориентированный слой нематика. Звуковые коле бания создают периодические во времени деформации слоя, вызывающие также переориентации молекул и модуляцию поляризации (интенсивности) проходящего поляризованного светового потока.

Исследования характеристик оптического микрофона на ЖК, выполненные в Акустическом институте АН СССР, показали, что по своим параметрам он не уступает су­ществующим образцам и может быть использован в оп­тических линиях связи, позволяя осуществлять непосред­ственное преобразование звуковых сигналов в оптиче­ские. Оказалось также, что почти во всем температурном интервале существования нематической фазы его акусто-оптические характеристики практически не изменяются

[9]-Ïðåæäå ÷åì ïåðåéòè ê äðóãîìó ïðèìåðó âîçìîæíîãî

применения ЖК в оптических линиях связи, напомним, что оптическое волокно представляет собой оптический волновод. Свет из этого волновода не выходит наружу по той причине, что снаружи на волокно нанесено покры­тие, диэлектрическая проницаемость которого больше, чем во внутренней части волокна, в результате чего про­исходит полное внутреннее отражение света на границе внутренней части и внешнего покрытия. Волноводный ре­жим распространения света в волокне может быть также достигнут не только за счет резкой диэлектрической границы, но и при плавном изменении показателя прелом­ления (диэлектрической проницаемости) от середины к поверхности волновода (рис. 45).

По аналогии с оптическими волокнами в тонком слое жидкого кристалла также может быть реализован волно­водный режим распространения света вдоль слоя, если обеспечить соответствующее изменение диэлектриче­ской проницаемости в пределах толщины слоя. А как мы знаем, изменения диэлектрических характеристик в ЖК можно добиться изменением ориентации директора (длинных осей молекул). Оказывается, в слое нематика или холестерина можно, например, путем приложения электрического поля обеспечить такой характер измене­ния ориентации директора по толщине, что для опреде­ленной поляризации света такой слой оказывается опти­ческим волноводом.

Каждый увидит здесь очевидную аналогию между оп­тическим волокном-волноводом и жидкокристалличе­ским волноводом. Но имеется здесь и очень существен­ная разница. Эта разница состоит в том, что если диэлек­трические характеристики оптического волокна, а следо­вательно, и его волноводные свойства, неизменны и фор­мируются при его изготовлении, то диэлектрические, а следовательно, и волноводные свойства ЖК-волновода легко изменять путем внешних воздействий.

Это значит, например, что если жидкокристалличе­ский волновод включен в канал волоконной связи, то световой поток, идущий по этому каналу, можно моду­лировать, меняя характеристики ЖК-элемента. В про­стейшем случае это может быть просто прерывание све­тового потока, которое может происходить в ЖК-эле-менте при таком переключении электрического сигнала на нем, которое приводит к исчезновению его волновод-ных свойств. Кстати сказать, этот же ЖК-элемент может выполнять и функции оптического микрофона, если он устроен так, что акустический сигнал вызывает в нем воз­мущение ориентации директора.

Как сделать стереотелевизор. В качестве еще одного заманчивого, неожиданного и касающегося практически всех применений жидких кристаллов стоит назвать идею создания системы стереотелевидения с применением жидких кристаллов. Причем, что представляется особен­но заманчивым, такая система «стереотелевидения на жидких кристаллах» может быть реализована ценой очень простой модификации передающей телекамеры и до­полнением обычных телевизионных приемников специ­альными очками, стекла которых снабжены жидкокристаллическими фильтрами.

Идея этой системы стереотелевидения чрезвычайно проста. Если учесть, что кадр изображения на телеэкра­не формируется построчно, причем так, что сначала вы­свечиваются нечетные строчки, а потом четные, то с по­мощью очков с жидкокристаллическими фильтрами лег­ко сделать так, чтобы правый глаз, например, видел толь­ко четные строчки, а левый — íå÷åòíûå. Äëÿ ýòîãî äîñòà­точно синхронизировать включение и выключение жидко­кристаллических фильтров, т. е. возможность восприни­мать изображение на экране попеременно то одним, то другим глазом, делая попеременно прозрачным то одно, то другое стекло очков с высвечиванием четных и нечет­ных строк.

Теперь совершенно ясно, какое усложнение передаю­щей телекамеры даст стереоэффект телезрителю. На­до, чтобы передающая телекамера была стерео, т. е. чтобы она обладала двумя объективами, соответствую­щими восприятию объекта левым и правым глазом чело­века, четные строчки на экране формировались с по­мощью правого, а нечетные—ñ ïîìîùüþ ëåâîãî îáú­ектива передающей камеры.

Система очков с жидкокристаллическими фильтра­ми—çàòâîðàìè, ñèíõðîíèçèðîâàííûìè ñ ðàáîòîé òåëåâè­зора, может оказаться непрактичной для массового при­менения. Возможно, что более конкурентоспособной ока­жется стереосистема, в которой стекла очков снабжены обычными поляроидами. При этом каждое из стекол оч­ков пропускает линейно-поляризованный свет, плоскость поляризации которого перпендикулярна плоскости поля­ризации света, пропускаемого вторым стеклом. Стерео же эффект в этом случае достигается с помощью жидко­кристаллической пленки, нанесенной на экран телевизо­ра и пропускающей от четных строк свет одной линей­ной поляризации, а от нечетных—äðóãîé ëèíåéíîé ïî­ляризации, перпендикулярной первой.

Какая из описанных систем стереотелевидения будет реализована или выживет совсем другая система, покажет будущее.

Очки для космонавтов. Знакомясь ранее с маской для электросварщика, а теперь с очками для стереотелеви дения, бы заметили, что в этих устройствах управляемый жидкокристаллический фильтр перекрывает сразу все поле зрения одного или обоих глаз. Между тем сущест­вуют ситуации, когда нельзя перекрывать все поле зрения человека и в то же время необходимо перекрыть от­дельные участки поля зрения.

Например, такая необходимость может возникнуть у космонавтов в условиях их работы в космосе при чрез­вычайно ярком солнечном освещении, не ослабленном ни атмосферой, ни облачностью. Эту задачу как в случае маски для электросварщика или очков для стереотеле­видения позволяют решить управляемые жидкокристаллические фильтры.

Усложнение очков в этом случае состоит в том, что поле зрения каждого глаза теперь должен перекрывать не один фильтр, а несколько независимо управляемых фильтров. Например, фильтры могут быть выполнены в виде концентрических колец с центром в центре стекол очков или в виде полосок на стекле очков, каждая из которых при включении перекрывает только часть поля зрения глаза.

Такие очки могут быть полезны не только космонав­там, но и людям других профессий, работа которых мо­жет быть связана не только с ярким нерассеянным осве­щением, но и с необходимостью воспринимать большой объем зрительной информации.

Например, в кабине пилота современного самолета огромное количество панелей приборов. Однако не все из них нужны пилоту одновременно. Поэтому использо­вание пилотом очков, ограничивающих поле зрения, мо­жет быть полезным и облегчающим его работу, так как помогает сосредоточивать его внимание только на части нужных в данный момент приборов и устраняет отвлека­ющее влияние не нужной в этот момент информации. Конечно, в случае пилота можно пойти и по другому пу­ти—ïîñòàâèòü ÆÊ-ôèëüòðû íà èíäèêàòîðû ïðèáîðîâ, ÷òîáû èìåòü âîçìîæíîñòü ýêðàíèðîâàòü èõ ïîêàçàíèÿ.

Подобные очки будут очень полезны также в биоме­дицинских исследованиях работы оператора, связанной с восприятием большого количества зрительной инфор­мации. В результате таких исследований можно выявить скорость реакции оператора на зрительные сигналы, оп­ределить наиболее трудные и утомительные этапы в его работе и в конечном итоге найти способ оптимальной ор ганизации его работы. Последнее значит определить на­илучший способ расположения панелей приборов, тип индикаторов приборов, цвет и характер сигналов различ­ной степени важности и т. д.

Фильтры подобного типа и индикаторы на жидких кристаллах, несомненно, найдут (и уже находят) широкое применение в кино-, фотоаппаратуре. В этих целях они привлекательны тем, что для управления ими требуется ничтожное количество энергии, а в ряде случаев позво­ляют исключить из аппаратуры детали, совершающие механические движения. А как известно, механические системы часто оказываются наиболее громоздкими и не­надежными.

Какие механические детали кино-, фотоаппаратуры имеются в виду? Это прежде всего диафрагмы, фильт­ры — îñëàáèòåëè ñâåòîâîãî ïîòîêà, íàêîíåö, ïðåðûâàòå­ли светового потока в киносъемочной камере, синхрони­зованные с перемещением фотопленки и обеспечиваю­щие покадровое ее экспонирование.

Принципы устройства таких ЖК-элементов ясны из предыдущего. В качестве прерывателей и фильтров-ос­лабителей естественно использовать ЖК-ячейки, в кото­рых под действием электрического сигнала изменяется пропускание света по всей их площади. Для диафрагм без механических частей—ñèñòåìû ÿ÷ååê â âèäå êîí­центрических колец, которых могут под действием элек­трического сигнала изменять площадь пропускающего свет прозрачного окна. Следует также отметить, что сло­истые структуры, содержащие жидкий кристалл и фото­полупроводник, т. е. элементы типа управляемых оп­тических транспарантов, могут быть использованы не только в качестве индикаторов, например, экспозиции, но и для автоматической установки диафрагмы в кино-, фотоаппаратуре.

При всей принципиальной простоте обсуждаемых устройств их широкое внедрение в массовую продукцию зависит от ряда технологических вопросов, связанных с обеспечением длительного срока работы ЖК-элемен-тов, их работы в широком температурном интервале, на­конец, конкуренции с традиционными и устоявшимися техническими решениями и т. д. Однако решение всех этих проблем — ýòî òîëüêî âîïðîñ âðåìåíè, è ñêîðî, íà­верное, трудно будет себе представить совершенный фо­тоаппарат, не содержащий ЖК-устройства.

СОДЕРЖАНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ:

а) сенсация года;

б) зачем нужны ЖК;

в) немного истории;

ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ — НОВОЕ СОСТОЯНИЕ ВЕЩЕСТВА:

а) многообразие жидких кристаллов;

б) нематики;

в) упругость жидкого кристалла;

г) гидродинамика ЖК;

д) флексоэлектрический эффект;

е) электронная игра, электронный словарь и телевизор на ЖК;

О БУДУЩИХ ПРИМЕНЕНИЯХ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ:

а) жидкие кристаллы сегодня и завтра;

б) управляемые оптические транспаранты;

в) пространственно-временные модуляторы света;

г) оптический микрофон;

д) как сделать стереотелевизор;

е) очки для космонавтов.