Жидкие кристаллы

ВВЕДЕНИЕ.

Сенсациягода.Некотороевремя томуназад необычнойпопулярностьюв США пользоваласьновинка ювелирногопроизводства,получившаяназвание «перстеньнастроения».За год былопродано50миллионовтаких перстней,т. е. практическикаждая взрослаяженщина имелаэто ювелирноеизделие. Чтоже привлекловниманиелюбители бижутериик этому перстню?Оказывается,он обладалсовершенномистическимсвойствомреагироватьна настроениеего владельца.Реакция состоялав том, что цветкамешка перстняследовал занастроениемвладельца,пробегая всецвета радугиот красногодо фиолетового.Вот это сочетаниетаинственногосвойства угадыватьнастроение,декоративностьперстня, обеспечиваемаяяркой и меняющейсяокраской камешка,плюс низкаяцена и обеспечилиуспех перстнюнастроения.

Пожалуй,именно тогдавпервые широкиемассы столкнулисьс загадочнымтермином «жидкиекристаллы».Дело в том, чтокаждому владельцуперстня хотелосьзнать его секретслежения занастроением.Однако ничеготолком не былоизвестно, говорилось,только, чтокамешек перстнясделан на жидкомкристалле. Длячитателя,который знакомс жидкимикристаллами,нужно сделатьуточнение—на холестерическомжидком кристалле,а секрет перстнянастроениясвязан с егоудивительнымиоптическимисвойствами.Тем,который толькослышал о жидкихкристаллах,а может быть,и не слышал оних вообще,чтобы раскрытьсекрет перстнянастроения,необходимосначала познакомитьсяс тем, что такоежидкие кристаллы,и тогда он узнаетне только отом, как жидкиекристаллыпозволяютследить занастроениемчеловека, нои о многих другихудивительныхих свойствахи практическихприменениях.

Зачемнужны ЖК.Все чаще настраницахнаучных, а последнеевремя и научно-популярныхжурналов появляетсятермин «жидкиекристаллы»(в аббревиатуреЖК) и статьи,посвященныежидким кристаллам.В повсе. дневнойжизни мы сталкиваемсяс часами, термометрамина жидких кристаллах.Что же это завещества стаким парадоксальнымназванием«жидкие кристаллы»и почему к нимпроявляетсястоль значительныйинтерес? В нашевремя наукастала производительнойсилой, и поэтому,как правило,повышенныйнаучный интереск тому или иномуявлению илиобъекту означает,что это явлениеили объектпредставляетинтерес дляматериальногопроизводства. В этом отношениине являютсяисключениеми жидкие кристаллы.Интерес к нимпрежде всегообусловленвозможностямиих эффективногопримененияв ряде отраслейпроизводственнойдеятельности.Внедрениежидких кристалловозначаетэкономическуюэффективность,простоту, удобство.

Преждечем рассказыватьо конкретныхобластях примененияжидких кристаллов,необходимосказать несколькообщих слов отом, что же этовсе-таки такое— жидкиекристаллы. Темболее, что этомупока что неучат ни в школе,ни в вузе, аожидается,что в ближайшеевремя изделия,содержащиежидкокристаллическиеэлементы, будуттак же широкораспространены,как устройства,содержащиеэлектронныелампы илитранзисторы.

Жидкийкристалл—это специфическоеагрегатноесостояниевещества, вкотором онопроявляетодновременносвойства кристаллаи жидкости.Сразу надооговориться,что далеко невсе веществамогут находитьсяв жидкокристаллическомсостоянии.Большинствовеществ можетнаходитьсятолько в трех,всем хорошоизвестныхагрегатныхсостояниях:твердом иликристаллическом,жидком и газообразном. Оказывается, некоторыеорганическиевещества, обладающиесложными молекулами,кроме трехназванныхсостояний,могут образовыватьчетвертоеагрегатноесостояние—жидкокристаллическое. Это состояниеосуществляетсяпри плавлениикристалловнекоторыхвеществ. Приих плавленииобразуетсяжидкокристаллическаяфаза, отличающаясяот обычныхжидкостей. Этафаза существуетв интервалеот температурыплавлениякристалла донекоторой болеевысокой температуры,при нагреведо которойжидкий кристаллпереходит вобычную жидкость.Чемже жидкий кристалл отличаетсяот жидкостии обычногокристалла ичем похож наних? Подобнообычной жидкости,жидкий кристаллобладает текучестьюи принимаетформу сосуда,в который онпомещен. Этимон отличаетсяот известныхвсем кристаллов.Однако несмотряна это свойство,объединяющееего с жидкостью,он обладаетсвойством,характернымдля кристаллов.Это—упорядочениев пространствемолекул, образующихкристалл. Правда,это упорядочениене такое полное,как в обычныхкристаллах,но тем не менееоно существенновлияет на свойстважидких кристаллов,чем и отличаетих от обычныхжидкостей.Неполноепространственноеупорядочениемолекул, образующихжидкий кристалл,проявляетсяв том, что в жидкихкристаллахнет полногопорядка впространственномрасположениицентров тяжестимолекул, хотячастичныйпорядок можетбыть. Это означает,что у них нетжесткой кристаллическойрешетки. Поэтомужидкие кристаллы,подобно обычнымжидкостям,обладают свойствомтекучести.

Обязательнымсвойствомжидких кристаллов,сближающимих с обычнымикрис1аллами,является наличиепорядка»пространственнойориентациимолекул. Такойпорядок в ориентацииможет проявляться,например, втом, ^4то все длинныеоси молекулв жидкокристаллическомобразце ориентированыодинаково. Этимолекулы должныобладать вытянутойформой. Кромепростейшегоназванногоупорядоченияосей молекул,в жидком кристаллеможет осуществлятьсяболее сложныйори-ентационныйпорядок молекул.

Взависимостиот вида упорядоченияосей молекулжидкие кристаллыразделяютсяна три разновидности:нематические,смектическиеи холестерические.

Исследованияпо физике жидкихкристаллови их применениямв настоящеевремя ведутсяшироким фронтомво всех наиболееразвитых странахмира. Отечественныеисследованиясосредоточеныкак бакадемических,так и отраслевыхнаучно-исследовательскихучрежденияхи имеют довниетрадиции. Широкуюизвестностьи признаниеполучили выполненныееще в тридцатыегоды в Ленинградеработы В. К.Фредериксак В. Н. ЦветковаВ последниегоды бурногоизучения жидкихкристалловотечественныеисследователитакже вносятвесомый вкладв развитиеучения о жидкихкристаллахв целом и, вчастности, обоптике жидкихкристаллов.Так, работы И.Г. Чистякова,А. П. Капустина,С. А. Бразовского,С. А. Пикина, Л.М. Блинова имногих другихсоветскихисследователейшироко известнынаучной общественностии служат фундаментомряда эффекгивныхгехническихприложенийжидких кристаллов[1—4].

Обуспехах отечественнойпромышленностив освоениивыпуска продукции,в которойсущественнымэлементомявляются жидкиекристаллы,говорит присуждениев 1983году Государственнойпремии СССРбольшой группеработниковнауки и техникиза разработкуи внедрениев народноехозяйствоиндикаторныхустройств.Основнымиэлементамиэтих индикаторныхустройств,совершенныетехническиехарактеристикикоторых послужилиоснованиемдля присужденияпремии, являютсяжидкокристаллическиевещества. Присуждение этой премиисимволизируетплодотворныйсоюз науки ипроизводствав деле техническихприложенийжидких кристаллов.Тут же следуетсказать, чтосреди лауреатов,представителейнауки,—В. Н. Цветков,ветеран научныхисследованийжидких кристаллов.

Немногоистории.Покамы простодекларировалинеобычныесвойства жидкихкристаллов.Как же они былиобнаружены?Ведь, не обладаясовременнойогромной информациейо строенииматерии, оченьтрудно поверить,что такие, казалосьбы, взаимноисключающиедруг другасвойства могутпроявлятьсяу одного вещества.Поэтому, вероятно,исследователиуже очень давносталкивалисьс жидкокристаллическимсостоянием,но не отдавалисебе в этомотчета. Тем неменее существованиежидких кристалловбыло установленоочень давно,почти столетиетому назад, аименно в1888году.

Первым,кто обнаружилжидкие кристаллы,был австрийскийученый-ботаникРейнитцер.Исследуя новоесинтезированноеим веществохолестерилбензоат,он обнаружил,что при температуре145°С кристаллыэтого веществаплавятся, образуямутную сильнорассеивающуюсвет жидкость.При продолжениинагрева подостижениитемпературы179°С жидкостьпросветляется,т. е. начинаетвести себя воптическомотношении, какобычная жидкость,например вода.Неожиданныесвойствахоле-стерилбензоатобнаруживалв мутной фазеРассматриваяэту фазу подполяризационныммикроскопом,Рейнитцеробнаружил, чтоона обладаетдвупреломлением.Это означает,что показательпреломлениясвета, т. е скоростьсвета е этойфазе, зависитот поляризации.

Напомним,что линейнополяризованнымсветом, или какчасто говорят,поляризованнымсветом, называютсвет (электромагнитнуюволну), электрическоеполе которойв процессераспространенияостается лежащимв некоторойнеизменнойв пространствеплоскости. Этуплоскостьпринято называтьплоскостьюполяризациисвета. А указанияориентациив пространствеэтой плоскостидостаточнодля описаниялинейной поляризациисвета. Посколькув плоскостиполяризациилежит и направлениераспространенияволны, то длязадания линейнойполяризациидостаточноодного параметра,а именно угла(р, определяющегоориентациюэтой плоскостив пространстве(ее вращениявокруг направленияраспространенияволны, см. рис.1).

Явлениедвупреломления—этотипичнокристаллическийэффект, состоящийв том, что скоростьсвета в кристаллезависит оториентацииплоскостиполяризациисвета. Существенно,что она достигаетэкстремальногомаксимальногои минимальногозначений длядвух взаимноортогональныхориентацийплоскостиполяризации.Разумеется,ориентацииполяризации,соответствующиеэкстремальнымзначениямскорости светев кристалле,определяютсяанизотропиейсвойств кристаллаи однозначнозадаются ориентациейкристаллическихосей относительнонаправленияраспространениясвета.

Поэтомусказанноепоясняет, чтосуществованиедвупреломленияв жидкости,которая должнабыть изотропной,т. е. что ее свойствадолжны бытьнезависящимиот направления,представлялосьпарадоксальным.Наиболееправдоподобнымв то время моглоказаться наличиев мутной фазенерасплавившихсямалых частичеккри* сталла,кристаллитов,которые и являлисьисточникомдвупреломления.Однако болеедетальныеисследования,к которым Рейнитцерпривлек известногонемецкогофизика Лемана,показали, чтомутная фазане являетсядвухфазнойсистемой, т. е.не содержитв обычной жидкостикристаллическихвключений, аявляется новымфазовым состояниемвещества. Этомуфазовому состояниюЛе-ман дал название«жидкий кристалл»в связи с одновременнопроявляемымиим свойствамижидкости икристалла.Употребляетсятакже и другойтермин дляназвания жидкихкристаллов.Это—«мезофаза»,что буквальноозначает«промежуточнаяфаза».

Вто время существованиежидких кристалловпредставлялоськаким-то курьезом,и никто не могпредположить,что их ожидаетпочти черезсто лет большоебудущее втехническихприложениях.Поэтому посленекоторогоинтереса кжидким кристалламсразу послеих открытияо них черезнекоторое времяпрактическизабыли.

Темне менее ужев первые годыбыли выясненымногие другиеудивительныесвойства жидкихкристаллов.Так, некоторыевиды жидкихкристалловобладали необычновысокой оптическойактивностью

Оптическойактивностьюназывают способностьнекоторыхвеществ вращатьплоскостьполяризациипроходящегочерез них света.Это означает,что линейнополяризованныйсвет, распространяясьв таких средах,изменяеториентациюплоскостиполяризации.Причем уголповорота плоскостиполяризациипрямо пропорциока-ленпутиL,пройденномусветом, т. е.выражаетсяформулой (р==(ра^,где величинаq)aопределяетугол поворотана единичномпути и называетсяудельнойвращательнойспособностью.

Былоудивительнымне только то,что величинавращательнойспособностиq)aдля жидкихкристалловмогла в сотнии тысячи разпревосходитьэту величинудля наиболееоптическиактивных кристаллов,гаких, как,например, кварц,но и то, чтозависимостьвращения плоскостиполяризацииот длины волнысвета в жидкихкристаллахбыла совершеннонеобычной.

Так,в твердых телах,как, впрочем,и в обычныхжидкостях,удельная вращательнаяспособность(ра имеет вполнеопределенный,независящийот длины волнысвета знак.Это означает,что вращениеплоскостиполяризациисвета в нихпроисходитв определенномнаправлении.Против часовойстрелки приположительномфа и по часовойстрелке приотрицательном(ра. При этомподразумевается,что наблюдениеза вращениемплоскостиполяризацииосуществляетсявдоль направленияраспространениясвета. Поэтомувсе оптическиактивные веществаподразделяютсяна правовращающие,если вращениепроисходитпо часовойстрелке, илевовращающие—-противчасовой стрелки.

Вслучае оптическиактивных жидкихкристалловтакая классификациясталкиваласьс трудностями.Дело в том, чтонаправление(знак) вращенияв жидких кристаллахзависело отдлины волнсвета (рис.2).Для короткихдлин волн величина(ра, например,могла бытьположительной,а для болеедлинноволновогосвета—отрицательной.А могло бытьи наоборот.Однако характернымдля всех случаевбыло изменениезнака вращенияплоскостиполяризациив зависимостиот длины волнысвета, или, какговорят, инверсиязнака оптическойактивности.Такое поведениевращения плоскостиполяризациисовершенноне укладывалосьв рамки существовавшихпредставленийоб оптическойактивности

Удивительнымибыли также идругие свойства,такие, как сильнаятемпературнаязависимостьназванныххарактеристик,их очень высокаячувствительностьк внешниммагнитным иэлектрическимполям и т д. Нопрежде чемпытаться объяснитьперечисленныесвойства, необходимопонять, какустроены жидкиекристаллы, и,в частности,ознакомитьсяс их структурнымисвойствами,ибо в конечномитоге для объясненияописанныхсвойств наиболеесущественнымиоказываютсяименно структурныехарактеристикижидких кристаллов.

Здесьследует сказать,что в концедевятнадцатого— началедвадцатоговека многиеочень авторитетныеуие-ные весьмаскептическиотносилиськ открытиюРейнит-цераи Лемана. (ИмяЛомана такжеможно по правусвязыватьс открытиемжидких кристаллов,поскольку оночень активноучаствовалв первых исследованияхжид ких кристаллов,и даже самимтермином «жидкиекристаллы»мы обязаныименно ему.)Дело в том, чтоне только описанныепротиворечивыесвойства жидкихкристалловпредставлялисьмногим авторитетамвесьма сомнительными,но и в том, чтосвойства различныхжидкокристаллическихвеществ (соединений,обладавшихжидкокристаллическойфазой) оказывалисьсущественноразличными.Так, одни жидкиекристаллыобладали оченьбольшой вязкостью,у других вязкостьбыла невелика.Одни жидкиекристаллыпроявляли сизменениемтемпературырезкое изменениеокраски, такчто их цветпробегал всетона радуги,другие жидкиекристаллытакого резкогоизмененияокраски непроявляли.Наконец, внешнийвид образцов,или, как принятоговорить, текстура, различныхжидких кристалловпри рассматриванииих под микроскопомоказывалсясовсем различным.В одном случаев поле поляризационногомикроскопамогли бытьвидны образования,похожие нанити, в другом—наблюдалисьизображения,похожие нагорный рельеф,а в третьем—картина напоминалаотпечаткипальцев (см.рисунки наобложке). Стоялтакже вопрос,почему жидкокристаллическаяфаза наблюдаетсяпри плавлениитолько некоторыхвеществ?

Вотв таких условияхскептицизмасо сторонымногих авторитетови изобилияпротиворечивыхфактов велисвои работыпервые, тогданемногочисленные,исследователижидких кристаллов,настоящиеэнтузиастысвоего дела.К их числу следуетотнести немецкогохимика Д. Форлендера,который в началедвадцатоговека в университетскомгороде Галлесовместно сосвоими ученикамиизучал химиюжидких кристаллов.Он пыталсяответить навопрос, какимисвойствамидолжны обладатьмолекулывещества, чтобыоно имеложидкокристаллическуюфазу. Форлендернашел большоеколичествоновых соединений,обладающихжидкокристаллическойфазой, и внимательноисследовалсвойства молекулсоответствующихсоединений,в частностиструктурные.В результатеего работ сталоясно, что жидкиекристаллыобразуют вещества,молекулы которыхимеют удлиненнуюформу (рис.3).

Времяшло, факты ожидких кристаллахпостепеннонакапливались,но не было общегопринципа, которыйпозволил быустановитькакую-то системув представленияхо жидких кристаллах.Как говорят,настало времядля классификациипредметаисследований.Заслуга в созданииоснов современнойклассификациижидких кристалловпринадлежитфранцузскомуученому Ж. Фриделю.Вдвадцатые годыФридель предложилразделить всежидкие кристаллына две большиегруппы. Однугруппу жидкихкристалловФридель назвалнематическими,другую смектическими.(Почему такиена первый взгляднепонятныеназвания далФридель разновидностямжидких кристаллов,будет понятнонесколькониже.) Он жепредложилобщий терминдля жидкихкристаллов—«мезо морфнаяфаза». Этоттермин происходитот греческогослова «мезос»(промежуточный),а вводя его,Фридель хотелподчеркнуть,что жидкиекристаллызанимаютпромежуточноеположение междуистиннымикристалламии жидкостямикак по температуре,так и по своимфизическимсвойствам.Нематическиежидкие кристаллыв классификацииФриделя включалиуже упоминавшиесявыше холестерическиежидкие кристаллыкак подкласс.Когдаклассификацияжидких кристалловбыла создана,более островстал вопрос:почему в природереализуетсяжидкокристаллическоесостояние?Полным ответомна подобныйвопрос принятосчитать созданиемикроскопическойтеории. Но в товремя на такуютеорию неприходилосьи надеяться(кстати, последовательноймикроскопическойтеории ЖК несуществуети по сей день),поэтому большимшагом впередбыло созданиечешским ученымX.Цохером и голландцемС. Озееномфеноменологическойтеории жидкихкристаллов,или, как ее принятоназывать, теорииупругости ЖК.В 30-х годах в СССРВ. К. Фредерикеи В. Н. Цветковпервыми изучилинеобычныеэлектрическиесвойства жидкихкристаллов.Можноусловно считать,что рассказанноевыше относилоськ предысториижидких кристаллов,ко времени,когда исследованияЖК велисьмалочисленнымиколлективами.Современныйэтап изученияжидких кристаллов,который началсяв 60-е годы и придалнауке о ЖКсегодняшниеформы, методыисследований,широкий размахработ сформировалсяпод непосредственнымвлиянием успеховв техническихприложенияхжидких кристаллов,особенно всистемах отображенияинформации.В это времябыло понятои практическидоказано, чтов наш век микроэлектроники,характеризующийсявнедрениеммикроминиатюрныхэлектронныхустройств,потребляющихничтожныемощности энергиидля устройствиндикацииинформации,т. е. связи приборас человеком,наиболееподходящимиоказываютсяиндикаторына ЖК.Делов том, что такиеустройстваотображенияинформациина ЖК естественнымобразом вписываютсяв энергетикуи габаритымикроэлектронныхсхем. Они потребляютничтожньсгмощности имогут бытьвыполнены ввиде миниатюрныхиндикаторовили плоскихэкранов. Всеэто предопределяетмассовое внедрениежидкокристаллическихиндикаторовв системы отображенияинформации,свидетелямикоторого мыявляемся»настоящеевремя. Чтобыосознать этотпроцесс, достаточновспомнитьо часах илимикрокалькуляторахс жидкокристаллическимииндикаторами.Но это тольконачало. На сменутрадиционными привычнымустройствамидут жидкокристаллическиесистемы отображенияинформации.jkbkчастобывает, техническиепотребностине только стимулируютразработкупроблем, связанныхс практическимиприложениями,но и часто заставляютпереосмыслитьобщее отношениек соответствующемуразделу науки.Так произошлои с жидкимикристаллами.Сейчас понятно,что это важнейшийраздел физикиконденсированногосостояния.

ЖИДКИЕКРИСТАЛЛЫ —НОВОЕСОСТОЯНИЕВЕЩЕСТВА.

Многообразиежидких кристаллов.Теперьобратим вниманиена то, что сказатьо каком-то веществе:просто жидкийкристалл, этоеще слишкоммало. И еслинеспециалистоввполне удовлетворяетобщий терминжидкий кристалл,то специалистутребуется датьболее детальнуюинформацию.Здесь ситуацияпохожа на ту,которая возниклабы с вами в столовойили ресторане,если бы вам вкачестве третьегоблюда предложилибы просто жидкость,не конкретизируя,что это такое.Несомненно,большинствоиз вас такоеобщее определениетретьего блюдане удовлетворилобы, и каждый взависимостиот своего вкусапотребовалбы что-либоболее определенное—чай,кофе, молокои т. д. Так жедело обстоитдля специалистови с жидкимикристаллами,посколькупод этим термином,как уже беглоговорилосьвыше, скрываетсябольшое количествовесьма отличающихсядруг от другажидкокристаллическихфаз. Однако всехарактерныеособенностиэтого фазовогосостояниявещества удобнорассмотретьсначала напримере однойразновидностижидких кристалловстронция.

Нематики.Начнем описаниеустройстважидких кристалловна примеренаиболее простойи хорошо изученнойих разновидности,нематическихжидких кристаллов,или, как ещепринято говорить,нематиков,Итак, кристаллынекоторыхорганическихвеществ принагревании,прежде чемрасплавитьсяи перейти вобычную жидкость,проходят приповышениитемпературычерез стадиюжидкокристаллическойфазы. Как мыувидим ниже,жидкокристаллическихфаз может бытьу одного и тогоже соединениянесколько. Носначала длятого, чтобыне осложнятьзнакомствос жидкокристаллическойфазой несущественнымиздесь подробностями,рассмотримнаиболее простуюситуацию, когдасоединениеобладает однойжидкокристаллическойфазой. В этомслучае процессплавлениякристалла идетв .две стадии)Сначала приповышениитемпературыкристалл испытывает«первое плавление»,переходя вмутный расплав.Затем при дальнейшемнагреве довполне определеннойтемпературыпроисходит«просветление»расплава.«Просветленныйрасплав» обладаетвсеми свойствамижидкостей.Мутный расплав,который ипредставляетсобой жидко'кристаллическуюфазу, по своимсвойствамсущественноотличаетсяот жидкостей,хотя обладаетнаиболее характернымсвойствомжидкости—текучестью.Наиболее резкоеотличиежидкокристаллическойфазы от жидкостипроявляетсяв оптическихсвойствах.Жидкий кристалл,обладая текучестьюжидкости, проявляетоптическиесвойства всемнам знакомыхобычных кристаллов)-Кем—oiwpoJSyflef^icHO,наблюдаемаяна.опытемутность расплавакакuaa'nявляетсярезультатомтакого удивительногосочетаниясвойств жидкостии кристалла.^

Припонижениитемпературывсе превращенияпроисходятв обратномпорядке и точнопри тех жетемпературах,т. е. последовательностьфаз такова:прозрачныйрасплав-смутныйрасплав-^кристаллили в принятыхсокращенияхИЖ-^НЖК-^ТК. "Если все описанныепревращениянаблюдаются,например, длясоединенияп—метонсйбензилиден—п'—бу-тиланилинили, как принятосокращенноназывать этосоединение,МББА, то наблюдаемаяжидкокристаллическаяфаза называетсянематическойили простонемати-KOMjСмена же фазовыхсостоянийхарактеризуетсяследующимитемпературами.Температурапервого плавленияГя,=21°С. Ниже ТдМББАнаходится вобычном кристаллическомсостоянии. ОтТ^ до температурыпросветления7^==41°С МББА обладаетнематическойжидкокристаллическойфазой, и вышеТм—обычная (изотропная)жидкость. Интервалтемпературот Гд, доtnдляразличныхвеществ можетбыть от единицдо сотни градусов. Типичноеже значениеэтого интервала—порядка несколькихдесятков градусов.

Длятого чтобыразобраться,как устроенажидкокристаллическаяфаза и чем онаотличаетсяот обычнойжидкости или,как мы иногдабудем дальшеговорить, отизотропнойжидкости*,нужно обратитьвнимание наформу молекулсоединения,образующегожидкокристаллическуюфазу.

^Чтобы схематичнопредставитьсебе устройствонематика, удобнообразующиеего молекулыпредставитьв виде палочек.Для такой идеализацииесть физическиеоснования.Молекулы, образующиежидкие кристаллы,как уже говорилось,представляютсобой типичныедля многихорганическихвеществ образованиясо сравнительнобольшим молекулярнымвесом, протяженностикоторых в одномнаправлениив2—3раза больше,чем в поперечном.Структурамолекулы типичногонематикаприведена нарис.3.Можно считать,что направлениевведенныхнами палочексовпадает сдлинными осямимолекул. Привведенной намиидеализацииструктурунематика следуетпредставлятькак «жидкостьодинаковоориентированныхпалочек». Этоозначает, чтоцентры тяжестипалочек расположеныи движутсяхаотически,как в жидкости,а ориентацияпри этом остаетсяу всех палочек одинаковойи неизменной(см. рис.4).

Напомним,что в обычнойжидкости нетолько центрытяжести молекулдвижутся хаотически,но и ориентациивыделенныхнаправлениймолекул совершеннослучайны

ине скоррелированнымежду собой.А в качествевыделенныхнаправленийв молекулемогут выступатьразличныевеличины, например,электрическийдипольныймомент, магнитныймомент или, какв рассматриваемомнами случае,анизотропияформы, характеризуемаявыделенныминаправлениямиили, как говорят,осями. В связис описаннымполным хаосомв жидкостижидкость (дажесостоящая изанизотропныхмолекул) изотропна,т. е. ее свойстване зависят отнаправления.

Насамом деле,конечно, молекулынематика подверженыне только случайномупоступательномудвижению, нои ориентацияих осей испытываетотклоненияот направления,определяющегоориентациюпалочек врассматриваемойнами жидкости.Поэтому направленияпалочек задаютпреимущественную,усредненнуюориентацию,и реально молекулысовершаютхаотическиеориентационные колебаниявокруг этогонаправленияусредненнойориентации.Амплитудасоответствующихориен-тационныхколебаниймолекул зависитот близостижидкого кристаллак точке фазовогоперехода вобычную жидкостьtn,возрастаяпо мере приближениятемпературынематика ктемпературефазового перехода.В точке фазовогопереходаориентационноеупорядочениемолекул полностьюисчезает иориентационныедвижения молекултак же, как итрансляционные,оказываютсяполностьюхаотическими.

Всвязи с описаннойкартиной поведениянематика егопринято описыватьследующимобразом. Дляхарактеристикиориентационногопорядка вводитсявектор единичнойдлины с,называемыйдиректором,направлениекоторого совпадаетс направлениемвведенныхвыше палочек. Таким образом,директор задаетвыделенное,преимущественное,направлениеориентациимолекул вхолестерине.Кроме того,вводится ещеОДНА величина,параметрпорядка, которыйхарактеризует,наскольковелика степеньориентационногоупорядочениямолекул или,что то же самое,насколько маларазупорядоченностьориентациймолекул. Параметрпорядка определяетсяследующимобразом:

S=^«cos»e>-73), (1) гдев—уголмежду направлениямидиректора имгно-

веннымнаправлениемдлинной осимолекул,a •

обозначаетсреднее повремени значенииcos'@.

Изформулы(1)ясно,что параметр5может приниматьзначения от0до1.Значение-S==1соответствуетполному ориентационному порядку. Причем.S==1достигается,как нетруднопонять, еслизначение в неизменяетсяво времени иравно0,т. е. если направлениедлинных осеймолекул строгосовпадает снаправлениемдиректора.=='/3.ЗначениеS==0,таким образом,соответствуетуже нематику,перешедшемув изотропнуюжидкость.

Внематическойже фазе значениепараметрапорядка S^>0,минимальнонепосредственнопри температуреперехода Т14из изотропнойжидкости внематическуюфазу и возрастаетпо мере понижениятемпературынижеtn'Вцелом же приизменениитемпературыпроисходитсмена следующихфазовых состояний.При температурениже точкиперехода нематикав обыкновенныйкристалл или,как ее называют,температуреплавления Тщ—кристаллическоесостояние. Винтервалетемпературот Т м, доtn—нематическийжидкий кристалл.Выше tin—обычная жидкость.

Покачто речь шлаоб однодоменномсостояниинема-тическогообразца, в которомориентациядиректораодинакова вовсех его точках,как изображенона рис.4. Втаком однодоменномобразце нематиканаиболее яркопроявляютсяего свойства,типичные длятвердых кристаллов,в частности,двупреломлениесвета. Последнееозначает, чтопоказателипреломлениядля света, плоскостьполяризациикоторогоперпендикулярнадиректору иплоскостьполяризациикоторого содержитдиректор, указываютсяразличными.Однако для тогочтобы полунитьоднодоменныйобразец нематика,как, впрочем,и любых другихразновидностейжидких кристаллов,необ ходимопринятие специальныхмер, о которыхбудет рассказанониже.

Еслиже не принятыспециальныепредосторожности,то жидкокристаллическийобразец представляетсобой совокупностьхаотическимобразом ориентированныхмалых однодоменныхобластей. Именнос такими образцами,как правило,имели делопервые исследователижидких кристаллов,и мутный расплав,возникавшийпосле первогоплавления МББА,о котором говорилосьвыше, и был образцомтакого вида.На границахраздела различнымобразом ориентированныходнодоменныхобластей втаких образцахпроисходит,как говорят,нарушениеоптическойоднородностиили, что то жесамое, скачокзначения показателяпреломления.Это непосредственноследует изсказанноговыше о двупреломленииоднодоменногонематическогообразца и простосоответствуеттому, что длясвета, пересекающегограницу разделадвух областейс различнойориентациейдиректора,показателипреломленияэтих областейразличны, т. е.показательпреломленияиспытываетскачок. А какхорошо известно,на границераздела двухобластей сразличнымипоказателямипреломлениясвет испытываетотражение. Стаким отражениемкаждый знакомна примереоконных стекол.Так же, как и вслучае с оконнымстеклом, наодной границераздела (одномскачке оптическойоднородности)отражение светав нематике может бытьневелико, ноесли такихграниц много(в образце многонеупорядоченныходнодоменныхобластей), такиенерегулярныенарушенияоптическойоднородностиприводят ксильному рассеяниюсвета. Вот почемунематики, еслине принятьспециальныхмер, сильнорассеиваютсвет. Послепервого плавленияпри температуреТд, возникаетмутный расплав.

Покачто речь шлао том, как выглядитнематик внеполяризованномсвете. Оченьинтереснуюи своеобразнуюкартину представляетнематик, еслиего рассматриватьв поляризованномсвете и анализироватьполяризациюпрошедшегочерез негосвета (см. рис.5).На рис.5 представленасхема такогоопыта. ПоляризаторPiлинейно поляризуетсвет от источникасвета, а поляризаторPiпропускаеттолько определеннымобразом линейнополяризованныйсвет, прошедшийчерез нематическийобразец А. Картина,которую увидитнаблюдательв свете, прошедшемчерез поляризатор,представляетсобой

причудливуюсовокупностьпересекающихсялиний. Эти линииили, как их называют,нити и представляютсобой изображениеграниц разделамежду однодоменнымиобластями.А почему этиграницы можновидеть или, какговорят, визуализовать,в поляризованномсвете будетпонятно издальнейшего.

Наблюдениямэтих нитейпервыми исследователяминематик и обязансвоему названию.Нема —этопо греческинить. Отсюдаи название—нематическийжидкий кристаллили нематик.Здесь же надосказать, чтореально наблюденияописаннойкартины нематикав связи с малостьюразмеров областейс одинаковойориентациейдиректораосуществляютсяс помощьюполяризационногомикроскопа.

Упругостьжидкого кристалла.Вышев основномговорилосьо наблюдениях,связанных спроявлениемнеобычныхоптическихсвойств жидкихкристаллов.Первым исследователямбросались вглаза, естественно,свойства, наиболеедоступныенаблюдению.А такими свойствамикак раз и былиоптическиесвойства. Техникаоптическогоэкспериментауже в девятнадцатомвеке достиглавысокого уровня,а, например,микроскоп, дажеполяризационный,т. е. позволявшийосвещать объектисследованияполяризованнымсветом и анализироватьполяризациюпрошедшегосвета, был вполнедоступнымприбором длямногих лабораторий.

Оптическиенаблюдениядали значительноеколичествофактов о свойствахжидкокристаллическойфазы, которыенеобходимобыло понятьи описать. Однимиз первых достиженийв описаниисвойств жидкихкристаллов,как уже упоминалосьво введении,было созданиетеории упругостижидких кристаллов.В современнойформе она былав основномсформулированаанглийскимученым Ф. Франкомв пятидесятыегоды.

Постараемсяпроследитьза ходом мыслии аргументамисоздателейтеории упругостиЖК. Рассуждениябыли (или моглибыть) приблизительнотакими. Установлено,что в жидкомкристалле,конкретнонематике, существуеткорреляция(выстраивание)направленийориентациидлинных осеймолекул. Этодолжно означать,что если покакой-то причинепроизошлонебольшоенарушениев согласованнойориентациимолекул в соседнихточках нематика,то возникнутсилы, которыебудут старатьсявосстановитьпорядок, т. е.согласованнуюориента циюмолекул. Конечно,исходной,микроскопической,причиной такихвозвращающихсил являетсявзаимодействиемежду собойотдельныхмолекул. Однаконадеятьсяна быстрыйуспех, стартуяот взаимодействиямежду собойотдельныхмолекул, да ещетаких сложных,как в жидкихкристаллах,было трудно.Поэтому созданиетеории пошлопо феноменологическомупути, в рамкахкотороговводятся некоторыепараметры(феноменологические),значение которыхсоответствующаятеория не беретсяопределить,а оставляетих неизвестнымиили извлекаетих значенияиз сравненияс экспериментом.При этом теорияне рассматриваетмолекулярныеаспекты строенияжидких кристаллов,а описываетих как сплошнуюсреду, обладающуюупругими свойствами.

Длякристалловсуществуетхорошо развитаятеория упругости.Еще в школеучат тому, чтодеформациятвердого телапрямо пропорциональнаприложеннойсиле и обратнопропорциональнамодулю упругостиК. Возникаетмысль, еслиоптическиесвойства жидкихкристалловподобны свойствамобычных кристаллов,то, может быть,жидкий кристалл,подобно обычномукристаллу,обладает иупругими свойствами.Может показатьсяна первый взгляд,что эта мысльсовсем уж тривиальна.Однако не торопитесьс суждениями.Вспомните, чтожидкий кристаллтечет, как обычнаяжидкость. Ажидкость непроявляетсвойств упругости,за исключениемупругости поотношениюк всестороннемусжатию, и поэтомудля нее модульупругости поотношению кобычным деформациямстрого равеннулю. Казалосьбы, налицо парадокс.Но его разрешениев том, что жидкийкристалл—это не обычная,а анизотропнаяжидкость, т.е. жидкость,«.свойства которой различныв различныхнаправлениях.

Такимобразом, построениетеории упругостидля жидкихкристалловбыло не такимуж простымделом и нельзябыло теорию,развитую длякристаллов,непосредственноприменить кжидким кристаллам.Во-первых,Существенно,что, когда говорято деформациив жидких кристаллах,то имеют в видуотклонениянаправлениядиректораот равновесногонаправления.Для нематика,например, этоозначает, чторечь идет обизменении отТочки к точкев образце подвлиянием внешнеговоздействияориентациидиректора,который в равновеснойситуации, т.е. в отсутствиивоздействия,во всем образцеориентированодинаково. Вобычной жетеории упругости деформацииописываютсмещение отдельныхточек твердоготела относительнодруг друга подвлиянием приложенноговоздействия.Таким образом,деформациив жидком кристалле—это совсемне те привычныевсем деформации,о которых говорятв случае твердоготела. Крометого, упругиесвойства жидкогокристалла вобщем случаеследует рассматривать,учитывая еготечение, чтотакже вноситновый элементи тем самымусложняетрассмотрениепо сравнениюс обычной теориейупругости.Поэтому здесьограничимсярассказом обупругостижидких кристалловв отсутствиетечений.

Оказывается,любую деформациюв жидком кристаллеможно представитькак одну изтрех допустимыхв ЖК видов изгибныхдеформацийлибо как комбинациюэтих трех видовдеформации.Такими главнымидеформациямиявляются поперечныйизгиб, кручениеи продольныйизгиб. Рис.6,иллюстрирующийназванныевиды деформаций,делает понятнымпроисхождениеих названий.

Впоперечномизгибе меняетсяот точки к точкевдоль оси образцана рис.6,а направление,перпендикулярное(поперечное)директору, впродольномизгибе—ориентациядиректора, ав кручениипроисходитповорот директоравокруг осиизображенногона рис.6,б образца.

Коэффициентыпропорциональностимежду упругойэнергией жидкогокристалла идеформациямиизгибов называютупругими модулями.Таких упругихмодулей в жидкихкристаллахпо числу деформацийтри—K1,К2 и Кз. Численныезначения этихмодулей несколькоотличаютсядруг от друга.Так, модульпродольногоизгиба Кз обычнооказываетсябольше двухдругих модулей.Наименьшуюупругостьжидкий кристаллпроявляет поотношению ккручению, т. е.модуль Кг, какправило, меньшеостальных.

Такойрезультаткачественноможно понять,вспоминаяобсуждавшуюсявыше модельнематика какжидкостиориентированныхпалочек. Действительно,чтобы осуществитьпродольныйизгиб, надоприкладыватьусилия, которыестремятсяизогнуть этипалочки (а онижесткие)). Вдеформацииже кручения,например, происходитпросто поворотпалочек-молекулотносительнодруг друга,при этом невозникаетусилий, связанныхс деформациейотдельнойпалочки-молекулы.

Поэтомуи оказывается,что упругостьпо отношениюк продольномуизгибу (модульКз), больше упругостипо отношениюк кручению(модуль К2). Модульже К) имеетпромежуточнуюмежду К2 и Кзвеличину.

Чтобысравнить упругостьжидкого кристаллас упругостьюобычного кристалла,надо сравнитьих упругиеэнергии, приходящиесяна единицуобъема. Приэтом можно длякачественнойоценки пренебречьразличиеммодулей поперечного,продольногоизгиба и крученияи, вычисляяупругую энергиюжидкого кристалла,использоватьих среднеезначение. Сравнениепоказывает,что упругаяэнергия твердоготела в типичнойситуации оказываетсяпо меньшей мерена десять порядковбольше упругойэнергии жидкогокристалла)))

Такимобразом, теорияупругостижидких кристаллов,описывающаяих как сплошнуюсреду, т. е. претендующаятолько на описаниесвойств ЖК,усредненныхпо расстояниямбольше межмолекулярных,приводит квыводу, чтоминимальнаяэнергия жидкогокристалласоответствуетотсутствиюдеформацийв нем. Для нематикатаким состояниемс минимальнойэнергией или,как говорят,основным состояниемявляется конфигурацияс одинаковойориентациейдиректора вовсем объемеобразца. Любоеотклонениераспределениянаправленийдиректора отоднородного(т. е. постоянногово всем объеме)связано с наличиемв нематикедополнительнойупругой энергии,т. е. может бытьреализованотолько засчет приложениявнешних воздействий,например, связанныхс поверхностямиобразца, внешнимиэлектрическимии магнитнымиполями и т. д.В отсутствиеэтих воздействийили при снятииих нематикстремитсявозвратитьсяв состояниес однороднойориентациейдиректора.

Континуальнаятеория применимадля описанияи других типовжидких кристаллов.Для них, однако,требуютсяопределенныемодификациитеории. Но обэтом речь пойдетдальше.

ГидродинамикаЖК.Толькочто мы познакомилисьс упругимисвойствамижидкого кристалла,сближающимиего с твердымителами. Приэтом обнаружилисьсущественныеотличия егоупругих свойствот свойствкристаллакак в качественном,так и количественномотношении.Теперь познакомимсядетально сосвойствомжидкого кристалла,типичным дляжидкости,—текучестью,изучениемкоторой занимаетсянаука гидродинамика.

Сразуследует сказать,что несмотряна солидныйвозраст гидродинамики,одной из древнейшихнаучных дисциплин,и большие достижения,в этой наукесуществуютпроблемы, нерешенные досих пор. К ихчислу относитсяпроблематурбулентного,т. е. сопровождающегосянерегулярнымивихрями, какв бурном потоке,течения жидкости.Эта проблема,находящаяся,кстати сказать,сейчас в центревниманияспециалистов,не решена ещедля самых обычныхжидкостей,таких, как вода.А о полном описаниитурбулентноготечения такихсложных сред,как жидкиекристаллы, покачто не идет иречи. Поэтому,говоря здесьо текучестижидких кристаллов,мы будем иметьв виду их спокойноетечение, в котором нет нерегулярныхвихрей, или,как принятоназывать его,«ламинарноетечение».

Ламинарноетечение обычныхжидкостейхорошо изучено.Основнойхарактеристикой,определяющейтечение в этихусловиях, являетсявязкость, свойствожидко стей,всем хорошоизвестное напрактике. Так,каждый, незадумываясь,скажет, что уводы вязкостьнебольшая, усмазочных маселгораздо больше,а у смолы—оченьбольшая.

Вязкостьхарактеризуетсяколичественнокоэффициентомвязкости т,который показывает,как сильнотрение междусоседнимислоями текущейжидкости инасколькоинтенсивнопередаетсядвижение жидкостиот одной ееточки к другой(см. рис.7).Именно из-завязкости притечении жидкостипо трубе еескоростьнепосредственнона стенкахтрубы равнанулю, а в сечениитрубы не постоянна,а возрастаетпо мере удаленияот стенок, достигаямаксимума вцентре.

Типичнымизадачами втечении жидкостейявляются течениежидкости потрубе (например,нефтепродуктовв трубопроводе)и движение тела(например, шарикапод действиемсилы тяжести)в жидкости.Понятно, чтооба эти примераимеют непосредственноеотношение кпрактическимзадачам. Гидродинамикадавно уже далаточное описаниетаких теченийи, зная вязкостьжидкости идавление, создаваемоенасоснымистанциями,можно абсолютноточно рассчитатьпоток нефтив трубопроводеили скоростьдвижения телав жидкости. Длянас здесь важното, что именнов таких условияхвыполняютизмерениевязкости жидкостей.В соответствующихэкспериментахтрубу заменяюткапилляром,а движущеесятело шариком,падающим поддействием силытяжести в жидкости.

Течениежидкости вкапилляреописываетсязаконом Пуазейля,названным такв честь французскогоученого, открывшегоэту закономерность.В соответствиис этим закономколичествожидкости, протекающейчерез трубу(капилляр), прямопропорциональноразности давленийна концах трубы,второй степениплощади сечениятрубы и обратнопропорциональнокоэффициентувязкости. Скоростьдвижения шарикав жидкостиописываетсязаконом Стокса,названноготак по именианглийскогофизика девятнадцатоговека, современникаПуазейля. Этазакономерностьгласит, чтоскорость движенияшарика в жидкостипрямо пропорциональнаприложеннойк нему силе иобратно пропорциональнарадиусу шарикаи вязкостижидкости.

Обратимздесь вниманиечитателя нато, что в девятнадцатомвеке и ранеебыло частопринято многимустановленнымучеными соотношениям,даже не оченьважным, даватьгромкое имя«закон». В результатеэтой традициипоявилисьприведенныевыше термины—закон Пуазейля,закон Стоксаи многие другиезаконы. Это недолжно смущатьчитателя ивводить егов заблуждениепри оценкезначимостиназванныхсоотношенийпо сравнениюсо знакомымиему со школьнойскамьи фундаментальнымизаконами, например,законами механикиНьютона илизаконамиэлектромагнетизмаФарадея. Конечно,значимостьсоотношений,найденныхПуазей-лем иСтоксом, несравнимасо значимостьюфундаментальныхзаконов Природы,а установившаясяздесь терминология—этопросто даньвремени. Посовременнойпрактике вместослова «закон»следовало быупотребитьтермин «формула»,т. е. формулаПуазейля, формулаСтокса.

Названныезакономерности,как будем ихназывать, послесделанногоотступленияпрекраснозарекомендовалисебя при определениивязкости жидкостей.В частности,экспериментальнобыла подтвержденаих справедливостьи показано, чтозначение коэффициентавязкости тне зависитот скороститечения жидкости(скорости шарика),пока выполняютсяусловия ламинарноготечения.

Приступаяк изучениюгидродинамикижидких кристаллов,исследователиначали с того,что простоприменилиописанныеметоды измерениявязкости кжидким кристаллам.Такой подходничего хорошегоне дал. Результатыизмеренийвязкости невоспроизводилисьи зависели,казалось бы,от случайныхпричин, таких,как предысторияобразца, способаизготовлениякапилляров,применяемыхв измерениях.Более того,некоторыеизмеренияпоказывализависимостькоэффициентавязкости отскорости теченияжидкого кристалла.Эти первыерезультатыпоказали, чтогидродинамикажидких кристалловгораздо сложнейи интересней,чем гидродинамикаобычных жидкостей.И конечно, надосказать, чтоисследователи,начиная изучатьгидродинамикужидких кристаллов,надеялисьобнаружитьновые, не известныедля обычныхжидкостейсвойства и былибы разочарованы,если бы течениежидких кристалловописывалосьпростымиформуламиПуазейля иСтокса.

Вчем же дело?Почему течениенематика оказываетсяболее сложным,чем течениеобычной жидкости?

Делов том, что течениежидкости вызываетпереориентациюдлинных осеймолекул. А навведенном вышеязыке описанияжидкого кристаллакак сплошнойсреды с помощьюзадания в каждойего точкенаправлениядиректораозначает, чтотечение нематика,с одной стороны,может приводитьк переориентациидиректора, ас другой, к тому,что характеристикитечения оказываютсяразличнымипри различнойориентациидиректора поотношению кнаправлениюскорости теченияжидкости. Этирезультатылегко понятьи на молекулярномуровне. Притечении жидкостимолекул-палочекпо капиллярам,особенно узким,течение будетвыстраиватьпалочки-молекулывдоль оси капилляра.Если каким-либо'образом заставлятьоставатьсяориентациюпалочек неизменной,то легко сообразить,что течениежидкости •случае ориентациипалочек попереккапилляра будетзатрудненопо сравнениюс течениемпри их ориентациивдоль капилляра.

Этиинтуитивныепредставления,которые мычерпаем изповседневногоопыта, полностьюподтверждаютсяна эксперименте.Еще в начале40-х годов В. Н.Цветков исследовалзависимостьскорости протеканиянематика черезкапилляры оториентациидиректора. Приориентациидиректорапоперек капилляраскорость протеканияжидкого кристаллачерез капилляроказаласьсущественноменьше, чем приориентациидиректора вдольоси капилляра.Ориентациядиректорапоперек осикапилляраосуществляласьс помощьюприкладываемогоперпендикулярнокапиллярумагнитногополя (о том, почемуполе ориентируетнематик, речьеще впереди).Результатопыта, интерпретациякоторого проводиласьс помощью формулыПуазейля, показал,что при включенноммагнитном поленаблюдаемаявязкость почтив2раза больше,чем в отсутствиимагнитногополя.

Такимобразом, опытпоказал, чтодля жидкихкристалловнадо разрабатыватьсвою, болеесложную и общую,чем для обычныхжидкостей,теорию текучести.Такая теорияразрабатываетсяусилиями многихисследователей.И оказаласьона гораздоболее сложной,чем обычнаягидродинамика.Достаточносказать, чтов общем случаежидкий кристаллописываетсявосьмью коэффициентамивязкости. Идаже упрощенныйвариант этойтеории, пренебрегающийсжимаемостьюжидких кристаллов,содержит пятькоэффициентоввязкости. Этоопределяеткак трудноститеоретическогоописания теченияжидких кристаллов,так и постановкуэкспериментов,допускающиходнозначнуюинтерпретациюрезультатов.Здесь надодобавить, чтов экспериментальномотношениидополнительныетрудностисвязаны с тем,что в процессетечений в жидкомкристалле могутвозникатьдефекты в ориентациидиректора.Дефектаминазывают точкиили линии внематике, накоторых ориентациядиректоране определена.Поведениетечений приналичии такихдефектов особенносложно, и, вчастности,упоминавшуюсявыше зависимостьвязкости нематикаот скороститечения связываютс возникновениемпри возрастаниискорости именнотаких дефектов,

Такимобразом, можноконстатировать,что течениежидких кристаллов—этовесьма сложныйпроцесс, аисследованиягидродинамикиЖК находятсяв начале своегопути. Облегчаетисследованиегидродинамикижидких кристаллових двулучепреломление,оно позволяетвизу-ализироватьнаведенныетечением жидкогокристалла,измененияориентациидиректора и,наоборот, поизменениюдвупреломления,т. е. оптическихсвойств нематика,судить о скоростяхи изменениискоростей впотоке. Электрическиесвойства. Забегаявперед, скажем,что большинствопримененийжидких кристалловсвязано с управлениемих свойствамипутем приложенияк ним !электрическихвоздействий.Податливостьи «мягкость»жидких кристалловпо отношениюк внешнимвоздействиямделают ихисключительноперспективнымиматериаламидля примененияв устройствахмикроэлектроники,для которыххарактернынебольшиеэлектрическиенапряжения,малые потребляемыемощности ималые габариты.Поэтому дляобеспеченияоптимальногорежима функционированияЖК элементав каком-либоустройствеважно хорошоизучить электрическиехарактеристикижидких кристаллов.Начнем описаниеэлектрическихсвойств с электропроводностижидких кристаллов.Электропроводность— этовеличина,характеризующаяколичественноспособностьвещества проводитьток. Она являетсякоэффициентомпропорциональностив формулеl==oU,устанавливающейсвязь междутоком/и приложеннымнапряжениемU.Посколькупроводимостьо—характеристикавещества, тоее значениевсегда приводитсядля единичногообъема веществас единичнымсечениемповерхностей.Такой «объемчик»можно представитьсебе в видекубика илицилиндра. Напряжениеприкладываетсяк противоположнымграням кубаили сечениямцилиндра, а токв приведеннойформуле—этосуммарныйток через граникуба, к которымприложенонапряжение,или черезсечение цилиндра.Вспомнив курсшкольной физики,читатель скажет,что проводимость—это величина,обратнаяудельномусопротивлению(строго говоря,введеннуюнами величинуследует такженазывать удельнойпроводимостью,но слово «удельная»обычно опускают).Совершенноправильно]Более того,проводимостьизмеряетсяв тех же, что исопротивление,единицах—в омах, точнее,обратных омах.Для объема ЖКв один кубическийсантиметр еетипичное значение^0~"—\0~"Ом-*-см. Это довольно-такималая величина,характернаядля органическихжидкостей. Дляметалловсоответствующаявеличина на16—18порядков больше)Но здесь важноне абсолютноезначениепроводимости,а то, что проводимостьв направлениивдоль директора(Гц отличаетсяот проводимостипоперек директораОд..В большинственематиковсгц больше,чемOi.Так, для нематикаМББА

вЦ/»1==1,5-

Другимважным обстоятельствомявляется то,что проводимостьв жидких кристаллахносит ионныйхарактер. Этоозначает, чтоответственнымиза переносэлектрическоготока в ЖК являютсяне электроны,как в металлах,а гораздо болеемассивныечастицы. Этоположительнои отрицательнозаряженныефрагментымолекул (илисами молекулы),отдавшие илизахватившиеизбыточныйэлектрон. Поэтой причинеэлектропроводностьжидких кристалловсильно зависитот количестваи химическойприроды содержащихсяв них примесей.В частности,электропроводностьнематика можноцеленаправленноизменять, добавляяв него контролируемо»количествоионных добавок,в качествекоторых могутвыступатьнекоторые соли.

Изсказанногопонятно, чтоток в жидкомкристаллепредставляетсобой направленноедвижение ионовв системеориентированныхпалочек-молекул.Если ионы представитьсебе в видешариков, тосвойство нематикаобладатьпроводимостьювдоль директорав р.больше, чему,представляетсясовершенноестественными понятным.Действительно,при движениишариков вдольдиректора онииспытываютменьше помехот молекул-палочек,чем при движениипоперек молекул-палочек.В результатечего и следуетожидать, чтопродольнаяпроводимостьоIIбудет превосходитьпоперечнуюпроводимость.

Болеетого, обсуждаемаямодель шариков-ионовв системеориентированныхпалочек-молекулс необходимостьюприводит кследующемуважному заключению.Двигаясь поддействиемэлектрическоготока поперекнаправлениядиректора (мысчитаем, чтополе приложенопоперек директора),ионы, сталкиваясьс молекулами-палочками,будут стремитьсяразвернутьих вдоль направлениядвижения ионов,т. е. вдоль направленияэлектрическоготока. Мы приходимк заключению,что электрическийток в жидкомкристалледолжен приводитьк переориентациидиректора.

Экспериментподтверждаетвыводы рассмотреннойвыше простоймеханическоймодели прохождениятока в жидкомкристалле.Однако во многихслучаях ситуацияоказываетсяне такой простой,как может показатьсяна первый взгляд.

Частопостоянноенапряжение,приложенноек слою нематика,вызывает врезультатевозникшеготока не однородноеизменениеориентациимолекул, апериодическоев пространствевозмущениеориентациидиректора.Дело здесь втом, что, говоряоб ориентирующеммолекулы нематикавоздействииионов носителейтока, мы покачто пренебрегалитем, что ионыбудут вовлекатьв свое движениетакже и молекулынематика. Врезультатетакого вовлеченияпрохождениетока в жидкомкристалле можетсопровождатьсягидродинамическимипотоками, вследствиечего можетустановитьсяпериодическоев пространствераспределениескоростейтечения жидкогокристалла.Вследствиеже обсуждавшейсяв предыдущемразделе связипотоков жидкогокристалла сориентациейдиректора вслое нематикавозникнетпериодическоевозмущениераспределениядиректора.Подробней наэтом интересноми важном вприложениижидких кристалловявлении мыостановимсяниже, рассказываяоб электрооптикенематиков.

Флексоэлектрическийэффект.Говоря о формемолекул жидкогокристалла, мыпока аппроксимировалиее жесткойпалочкой. Авсегда ли такаяаппроксимацияхороша? Рассматриваямодели структурмолекул, можноприйти к заключению,что не для всехсоединенийприближениемолекула-палочканаиболее адекватноих форме. Далеемы увидим, чтос формой молекулсвязан рядинтересных,наблюдаемыхна опыте, свойствжидких кристаллов.Сейчас мы остановимсяна одном изтаких свойствжидких кристаллов,связанном сотклонениемее формы отпростейшеймолекулы-палочки,проявляющемсяв существовании флексоэлектрическогоэффекта.

Интересно,что открытиефлексоэлектрическогоэффекта, какиногда говорято теоретическихпредсказаниях,было сделанона кончике пераамериканскимфизиком Р.Мейером в1969году.

Рассматриваямодели жидкихкристаллов,образованныхне молекулами-палочками,а молекуламиболее сложнойформы, он задалсебе вопрос:«Как формамолекулы можетобнаружитьсебя в макроскопическихсвойствах?»Для конкретностиР. Мейер предположил,что молекулыимеют грушеобразнуюили банановиднуюформу. Далееон предположил,что отклонениеформы молекулыот простейшей,рассматривавшейсяранее, сопровождаетсявозникновениему нее электрическогодипольногомомента.

Возникновениедипольногомомента у молекулынесимметричнойформы—типичное явлениеи связано онос тем, чторасположение«центра тяжести»отрицательногоэлектрическогозаряда электроновв молекулеможет бытьнесколькосмещено относительно«центра тяжести»положительныхзарядов атомныхядер молекулы.Это относительноесмещениеотрицательныхи положительныхзарядов относительнодруг друга иприводит квозникновениюэлектрическогодипольногомомента молекулы.При этом в целоммолекула остаетсянейтральной,так как величинаотрицательногозаряда электроновв точностиравна положительномузаряду ядер.Величина дипольногомомента равнапроизведениюзаряда одногоиз знаков навеличину ихотносительногосмещения. Направлендипольныймомент вдольнаправлениясмещения ототрицательногозаряда к положительному.Для грушеобразноймолекулы направлениедипольногомомента посимметричным соображениямдолжно совпадатьс осью вращения,для банановидноймолекулы—направленопоперек длиннойоси.

Рассматриваяжидкий кристаллтаких молекул,легко понять,что без влиянияна него внешнихвоздействийдипольныймомент макроскопическималого, но,разумеется,содержащегобольшое числомолекул объемажидкого кристалла,равен нулю. Этосвязано с тем,что направлениедиректора вжидком кристаллезадается ориентациейдлинных осеймолекул, количествоже молекул,дипольныймомент которыхнаправлен подиректору вту и другуюсторону—для грушеобразныхмолекул, илидля банановидныхмолекул—поперек направлениядиректорав ту и другуюсторону, одинаково.В результатедипольныймомент любогомакроскопическогообъема жидкогокристалла равеннулю, так какон равен суммедипольныхмоментов отдельныхмолекул.

Так,однако, делообстоит лишьв неискаженномобразце. Стоитпутем внешнеговоздействия,напримермеханического,исказить, скажем,изогнуть его,как молекулыначнут выстраиваться,и распределениенаправленийдипольныхмоментов отдельныхмолекул вдольдиректорадля грушеподобныхмолекул и поперекдиректорадля банановидныхбудет неравновероятным.Это означает,что возникаетпреимущественноенаправлениеориентациидипольныхмоментов отдельныхмолекул и, какследствие,появляетсямакроскопическийдипольныймомент в объемежидкого кристалла.Причиной такоговыстраиванияявляются стерическиефакторы, т. е.факторы,обеспечивающиеплотнейшуюупаковку молекул.Плотнейшейупаковке молекулименно и соответствуеттакое выстраиваниемолекул, прикотором ихдиполь-ныемоменты «смотрят»преимущественнов одну сторону.

Смакроскопическойточки зрениярассмотренныйэффект проявляетсяв возникновениив слое жидкогокристаллаэлектрическогополя при деформации.Как видно изрисунка, этосвязано с тем,что при выстраиваниидиполей наодной поверхностидеформированногокристаллаоказываетсяизбыток зарядоводного, а напротивоположнойповерхности—другого знака.Таким обрезом,наличие илиотсутствиефлексоэлектрическогоэффекта несетинформациюо форме молекули ее ди-польноммоменте. Длямолекул-палочектакой эффектотсутствует.Для только чторассмотренныхформ молекулэффект есть.Однако, какуже, наверное,заметили наиболеевнимательныечитатели, длягрушеподобныхи банановидныхмолекул длянаблюдениявозникновенияэлектрическогополя в слоенадо вызватьв нем различныедеформации.Грушеподобныемолекулы даютэффект припоперечномизгибе, а банановидные—при продольномизгибе жидкогокристалла

Предсказанныйтеоретическифлексоэлектрическийэффект вскоребыл обнаруженэкспериментально.Причем наэкспериментеможно былопользоватьсякак прямым,так и обратнымэффектом. Этоозначает, чтоможно не толькопутем деформацииЖК индуцироватьв нем электрическоеполе и макроскопическийдипольныймомент (прямойэффект), но и,прикладываяк образцувнешнее электрическоеполе, вызыватьдеформациюориентациидиректора вжидком кристалле.

Электроннаяигра, электронныйсловарь и телевизорнажк»

Известно,какой популярностьюу молодежипользуютсяразличныеэлектронныеигры, обычноустанавливаемыев специальнойкомнате аттракционовв местах общественногоотдыха или фойекинотеатров.Успехи в разработкематричныхжидкокристаллическихдисплеев сделаливозможнымсоздание имассовое производствоподобных игрв миниатюрном,так сказать,карманномисполнении.На рис.28изображенаигра «Ну, погоди!»,освоеннаяотечественнойпромышленностью.Габариты этойигры, как у записнойкнижки, а основнымее элементомявляетсяжидкокристаллическийматричныйдисплей, накотором высвечиваютсяизображенияволка, зайца,кур и катящихсяпо желобамяичек. Задачаиграющего,нажимая кнопкиуправления,заставитьволка, перемещаясьот желоба кжелобу, ловитьскатывающиесяс желобов яичкив корзину, чтобыне дать им упастьна землю и разбиться.Здесь же отметим,что, помиморазвлекательногоназначения,эта игрушкавыполняет рольчасов и будильника,т. е. в другомрежиме работына дисплее«высвечивается»время и можетподаватьсязвуковой сигналв требуемыймомент времени.

Ещеодин впечатляющийпример эффективностисоюза матричныхдисплеев нажидких кристаллахи микроэлектроннойтехники даютсовременныеэлектронныесловари, которыеначали выпускатьв Японии. Онипредставляютсобой миниатюрныевычислительныемашинки размеромс обычный карманныймикрокалькулятор,в память которыхвведены слована двух (илибольше) языкахи которые снабженыматричнымдисплеем иклавиатуройс алфавитом.Набирая наклавиатуреслово на одномязыке, вы моментальнополучаете надисплее егоперевод надругой язык.Представьтесебе, как улучшитсяи облегчитсяпроцесс обученияиностраннымязыкам в школеи в вузе, есликаждый учащийсябудет снабженподобным словарем)А наблюдая, какбыстро изделиямикроэлектроникивнедряютсяв нашу жизнь,можно с уверенностьюсказать, чтотакое времяне за горами)Легко представитьи пути дальнейшегосовершенствованиятаких словарей-переводчиков:переводитсяне одно слово,а целое предложение.Кроме того,перевод можетбыть и озвучен.Словом, внедрениетаких словарей-переводчиковсулит революциюв изученииязыков и техникеперевода.

Требованияк матричномудисплею, используемомув качествеэкрана телевизора,оказываютсязначительновыше как побыстродействию,так и по числуэлементов, чемв описанныхвыше электроннойигрушке исловаре-переводчике.Это станетпонятным, есливспомнить, чтов соответствиис телевизионнымстандартомизображениена экране формируетсяиз625строк (и приблизительноиз такого жечисла элементовсостоит каждаястрока), а времязаписи одногокадра40мс. Поэтомупрактическаяреализациятелевизорас жидкокристаллическимэкраном оказываетсяболее труднойзадачей. Темне менее налицопервые успехив техническомрешении и этойзадачи. Так,японская фирма«Сони» наладилапроизводствоминиатюрного,умещающегосяпрактическина ладони телевизорас черно-белымизображениеми размеромэкрана3,6см. Несомненно,в будущемудастся создатьтелевизорына ЖК как с болеекрупными экранами,так и с цветнымизображением.

Союзмикроэлектроникии жидких кристалловоказываетсячрезвычайноэффективнымне только вготовом изделии,но и на стадииизготовленияинтегральныхсхем. Как известно,одним из этаповпроизводствамикросхемявляетсяфотолитография,которая состоитв нанесениина поверхностьполупроводниковогоматериаласпециальныхмасок, а затемв вытравливаниис помощью фотографическойтехники такназываемыхлитографическихокон. Эти окнав результатедальнейшегопроцессапроизводствапреобразуютсяв элементы исоединениямикроэлектроннойсхемы. От того,насколько малыразмерысоответствующихокон, зависитчисло элементовсхемы, которыемогут бытьразмещены наединице площади полупроводника,а от точностии качествавытравливания окон зависиткачество микросхемы.Выше уже говорилосьо контролекачества готовыхмикросхем спомощью холестерическихжидких кристаллов,которые визуализируютполе температурна работающейсхеме и позволяютвыделить участкисхемы с аномальнымтепло-выделением.Не менее полезнымоказалосьприменениежидких кристаллов(теперь ужнематических)на стадии контролякачествалитографическихработ. Для этогона полупроводниковуюпластину спротравленнымилитографическимиокнами наноситсяориентированныйслой не- матика,а затем к нейприкладываетсяэлектрическоенапряжение. В результатевполяризованномсвете картина"вытравленныхокон отчетливовизуализируется.Более того,этот методпозволяетвыявить оченьмалые по раз-мерам неточностии дефектылитографическихработ, 1протяженностькоторых всего0,01мкм (рис.29).

О БУДУЩИХПРИМЕНЕНИЯХЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ

Жидкиекристаллысегодня и завтра.Многие оптическиеэффекты в жидкихкристаллах,о которыхрассказывалосьвыше, уже освоенытехникой ииспользуютсяв изделияхмассовогопроизводства.Например, всемизвестны часыс индикаторомна жидких кристаллах,но не все ещезнают, что теже жидкие кристаллыиспользуютсядля производстванаручных часов,в которые встроенкалькулятор.Тут уже дажегрудно сказать,как назватьтакое устройство,то ли часы, толи компьютер.Но это уже освоенныепромышленностьюизделия, хотявсего десятилетияназад подобноеказалось нереальным.Перспективыже будущихмассовых иэффективныхпримененийжидких кристалловеще болееудивительны.Поэтому стоитрассказатьо несколькихтехническихидеях примененияжидких кристаллов,которые покачто не реализованы,но, возможно,в ближайшиенесколько летпослужат основойсоздания устройств,которые станутдля нас такимиже привычными,какими, скажем,сейчас являютсятранзисторныеприемники.

Управляемыеоптическиетранспаранты.Рассмотримпример достижениянаучных исследованийв процессесозданияжидкокристаллическихэкранов, отображенияинформации,в частностижидкокристаллическихэкранов телевизоров.Известно, чтомассовое созданиебольших плоскихэкранов нажидких кристаллахсталкиваетсяс трудностямине принципиального,а чисто технологическогохарактера. Хотяпринципиальновозможностьсоздания такихэкранов продемонстрирована,однако а связисо сложностьюих производствапри современнойтехнологииих стоимостьоказываетсяочень высокой.Поэтому возниклаидея созданияпроекционныхустройств нажидких кристаллах,в которыхизображение,полученноена жидкокристаллическомэкране малогоразмера моглобы быть спроектированов увеличенномвиде на обычныйэкран, подобнотому, как этопроисходитв кинотеатрес кадрами кинопленки.Оказалось, чтотакие устройствамогут бытьреализованына жидкихкристаллах,если использоватьсэндвичевыеструктуры, вкоторые нарядусо слоем жидкогокристаллавходит слойфотополупроводника.Причем записьизображенияв жидком кристалле,осуществляемаяс помощьюфотополупроводника,производитсялучом света.О подобномпроекторе ужерассказывалосьв главеVII.Теперь же познакомимсяс физическимиявлениями,положеннымив основу егоработы.

Принципзаписи изображенияочень прост.В отсутствиеподсветкифотополупроводникаего проводимостьочень мала,поэтому практическився разностьпотенциалов,поданная наэлектродыоптическойячейки, в которуюеще дополнительновведен слойфотополупроводника,падает на этомслое фотополупроводника.При этом состояниежидкокристаллическогослоя соответствуетотсутствиюнапряжен; .я нанем. При подсветкефотополупроводникаего проводимостьрезко возрастает,так как светсоздает в немдополнительныеносители тока(свободныеэлектроны идырки). В результатепроисходитперераспределениеэлектрическихнапряженийв ячейке—теперь практическивсе напряжениепадает нажидкокристаллическомслое, и состояниеслоя, в частности,его оптическиехарактеристикиизменяютсясоответственновеличине поданногонапряжения.Таким образомизменяютсяоптическиехарактеристикижидкокристаллическогослоя в результатедействия света.Ясно, что приэтом в принципеможет бытьиспользованлюбой электрооптическийэффект из описанныхвыше. Практически,конечно, выборэлектрооптическогоэффекта в такомсэндвичевомустройстве,называемомэлектроопти-ческимтранспарантом,определяетсянаряду с требуемыми оптическимихарактеристикамии чисто технологическими причинами[6].

Важно,что в описываемомтранспарантеизменениеоптическиххарактеристикжидкокристаллическогослоя происходитлокально—в точке засветкифотополупроводника.Поэтому такиетранспарантыобладают оченьвысокой разрешающейспособностью.Так, объеминформации,содержащейсяна телевизионномэкране, можетбыть записанна транспарантеразмерами менее1Х1см^.

Описанныйспособ записиизображения,помимо всегопрочего, обладаетбольшимидостоинствами,так как он делаетненужной сложнуюсистему коммутации,т. е. системуподвода электрических сигналов, котораяприменяетсяв матричныхэкранах нажидких кристаллах.

Пространственно-временныемодуляторысвета.Управляемыеоптическиетранспарантымогут бытьиспользованыне только какэлементыпроекционногоустройства,но и выполнятьзначительноечисло функций,связанныхс преобразованием,хранением иобработкойоптическихсигналов. Всвязи с тенденциямиразвития методовпередачи иобработкиинформациис использованиемоптическихканалов связи,позволяющихувеличитьбыстродействиеустройств иобъем передаваемойинформации,управляемыеоптическиетранспарантына жидкихкристаллахпредставляютзначительныйинтерес и сэтой точкизрения. В этомслучае их ещепринято называтьпространственно-временнымимодуляторамисвета (ПВМС),или световымиклапанами.Перспективыи масштабыпримененияПВМС в устройствахобработкиоптическойинформацииопределяютсятем, насколькосегодняшниехарактеристикиоптическихтранспарантовмогут бытьулучшены всторону достижениямаксимальнойчувствительностик управляющемуизлучению,повышениябыстродействияи пространственногоразрешениясветовых сигналов,а также диапазонадлин волн излучения,в котором надежноработают этиустройства.Как уже отмечалось,одна из основныхпроблем—это проблемабыстродействияжидкокристаллическихэлементов,однако ужедостигнутыехарактеристикимодуляторовсвета позволяютсовершенноопределенноутверждать,что они займутзначительноеместо в системахобработкиоптическойинформации.Ниже рассказываетсяо ряде возможныхприменениймодуляторовсвета.

Преждевсего отметимвысокую чувствительностьмодуляторовсвета к управляющемусветовомупотоку, котораяхарактеризуетсяинтенсивностьюсветовогопотока всего10^—10^ Вт/см^. Крометого, достигнутовысокое пространственноеразрешениесигнала—около 300линий на1мм. Спектральныйдиапазон работымодуляторов,выполненныхна различныхполупроводниковыхматериалах,перекрываетдлины волн отультрафиолетовогодо ближнегоинфракрасногоизлучения.Очень важно,что в связи сприменениемв модуляторахфотополупроводниковудается улучшитьвременныехарактеристикиустройств посравнению сбыстродействиемсобственножидких кристаллов.Так, модуляторысвета за счетсвойств фотополупроводникамогут зарегистрироватьоптическийсигнал продолжительностьювсего10^—10"^с. Разумеется,изменениеоптическиххарактеристикжидкого кристаллав точке регистрациисигнала происходитс запаздыванием,т. е. более медленно,в соответствиис временемизмененияоптическиххарактеристикжидкого кристаллапри наложениина него (илиснятии) электрическогополя.

Какиеже, кроме ужеобсуждавшихсяфункций, могутвыполнятьмодуляторысвета? Присоответствующемподборе режимаработы модулятораони могут выделятьконтур проектируемогона него изображения.Если контурперемещается,то можно визуализироватьего движение.При этом существенно,что длина волнызаписывающегоизображенияизлучения исчитывающегоизлучениямогут отличаться.Поэтому модуляторысвета позволяют,например,визуализироватьинфракрасноеизлучение,или с помощьювидимого светамодулироватьпучки инфракрасногоизлучения, илисоздаватьизображенияв инфракрасномдиапазоне длинволн.

Вдругом режимеработы модуляторысвета могутвыделять области,подвергнутыенестационарномуосвещению.В этом режимеработы из всегоизображениявыделяются,например, толькоперемещающиесяпо изображениюсветовые точки,или мерцающиеего участки.Модуляторысвета могутиспользоватьсякак усилителияркости света(в10^—10°раз и более) Всвязи же с ихвысокой пространственнойразрешающейспособностьюих использованиеоказываетсяэквивалентнымусилителю сочень большим(10"—10^)числом каналов.Перечисленныефункциональныевозможностиопти ческихмодуляторовдают Основаниеиспользоватьих6 многочисленныхзадачах обработкиоптическойинформации,таких какраспознаваниеобразов, подавлениепомех, спектральныйи корреляционныйанализ, интерферометрия,в том числезапись голограммв реальноммасштабевремени, и т.д. Насколькошироко перечисленныевозможностижидкокристаллическихоптическихмодуляторовреализуютсяв надежныетехническиеустройства,покажет ближайшеебудущее.

Оптическиймикрофон.Толькочто было рассказанооб управлениисветовымипотоками спомощью света.Однако в системахоптическойобработкиинформациии связи возникаетнеобходимостьпреобразовыватьне только световыесигналы в световые,но и другиесамые разнообразныевоздействияв световыесигналы. Такимивоздействиямимогут бытьдавление, звук,температура,деформацияи т. д. И вот дляпреобразованияэтих воздействийв оптическийсигнал жидкокристаллическиеустройстваоказываютсяопять-такиочень удобнымии перспективнымиэлементамиоптическихсистем.

Конечно,существуетмасса методовпреобразовыватьперечисленныевоздействияв оптическиесигналы, однакоподавляющеебольшинствоэтих методовсвязано сначалас преобразованиемвоздействияв электрическийсигнал, с помощьюкоторого затемможно управлятьсветовым потоком.Таким образом,методы этидвуступенчатыеи, следовательно,не такие ужпростые иэкономичныев реализации.Преимуществопримененияв этих целяхжидких кристалловсостоит в том,что с их помощьюсамые разнообразныевоздействияможно непосредственнопереводитьв оптическийсигнал, чтоустраняетпромежуточноезвено в цепивоздействие—световойсигнал, а значит,вносит принципиальноеупрощениев управлениесветовым потоком.Другое достоинствоЖК-элементовв том, что онилегко совместимыс узламиволоконно-оптическихустройств.

Чтобыпроиллюстрироватьвозможностис помощью ЖКуправлятьсветовымисигналами,расскажем опринципе работы«оптическогомикрофона»на ЖК—устройства,предложенногодля непосредственногопереводаакустическогосигнала в оптический.

Принципиальнаясхема устройстваоптическогомикрофонаочень проста.Его активныйэлемент представляетсобой ориентированныйслой нематика.Звуковые колебания создаютпериодическиево временидеформациислоя, вызывающиетакже переориентациимолекул и модуляциюполяризации(интенсивности)проходящегополяризованногосветовогопотока.

Исследованияхарактеристикоптическогомикрофона наЖК, выполненныев Акустическоминституте АНСССР, показали,что по своимпараметрамон не уступаетсуществующимобразцам иможет бытьиспользованв оптическихлиниях связи,позволяя осуществлятьнепосредственноепреобразованиезвуковых сигналовв оптические.Оказалосьтакже, что почтиво всем температурноминтервалесуществованиянематическойфазы его акусто-оптическиехарактеристикипрактическине изменяются

[9]-Преждечем перейтик другому примерувозможного

примененияЖК в оптическихлиниях связи,напомним, чтооптическоеволокно представляетсобой оптическийволновод. Светиз этого волноводане выходитнаружу по тойпричине, чтоснаружи наволокно нанесенопокрытие,диэлектрическаяпроницаемостькоторого больше,чем во внутреннейчасти волокна,в результатечего происходитполное внутреннееотражение светана границевнутреннейчасти и внешнегопокрытия. Волноводныйрежим распространениясвета в волокнеможет бытьтакже достигнутне только засчет резкойдиэлектрическойграницы, но ипри плавномизменениипоказателяпреломления(диэлектрическойпроницаемости)от серединык поверхностиволновода (рис.45).

Поаналогии соптическимиволокнами втонком слоежидкого кристаллатакже можетбыть реализованволноводныйрежим распространениясвета вдольслоя, если обеспечитьсоответствующееизменениедиэлектрическойпроницаемостив пределахтолщины слоя.А как мы знаем,изменениядиэлектрическиххарактеристикв ЖК можно добитьсяизменениемориентациидиректора(длинных осеймолекул). Оказывается,в слое нематикаили холестеринаможно, например,путем приложенияэлектрическогополя обеспечитьтакой характеризмененияориентациидиректора потолщине, чтодля определеннойполяризациисвета такойслой оказываетсяоптическимволноводом.

Каждыйувидит здесьочевиднуюаналогию междуоптическимволокном-волноводоми жидкокристаллическимволноводом.Но имеетсяздесь и оченьсущественнаяразница. Этаразница состоитв том, что еслидиэлектрическиехарактеристикиоптическоговолокна, аследовательно,и его волноводныесвойства, неизменныи формируютсяпри его изготовлении,то диэлектрические,а следовательно,и волноводныесвойства ЖК-волноводалегко изменятьпутем внешнихвоздействий.

Этозначит, например,что еслижидкокристаллическийволновод включенв канал волоконнойсвязи, то световойпоток, идущийпо этому каналу,можно модулировать,меняя характеристикиЖК-элемента.В простейшемслучае этоможет бытьпросто прерываниесветовогопотока, котороеможет происходитьв ЖК-эле-ментепри такомпереключенииэлектрическогосигнала на нем,которое приводитк исчезновениюего волновод-ныхсвойств. Кстатисказать, этотже ЖК-элементможет выполнятьи функции оптическогомикрофона, еслион устроен так,что акустическийсигнал вызываетв нем возмущениеориентациидиректора.

Каксделать стереотелевизор.Вкачестве ещеодного заманчивого,неожиданногои касающегосяпрактическивсех примененийжидких кристалловстоит назватьидею созданиясистемы стереотелевиденияс применениемжидких кристаллов.Причем, чтопредставляетсяособеннозаманчивым,такая система«стереотелевиденияна жидких кристаллах»может бытьреализованаценой оченьпростой модификациипередающейтелекамерыи дополнениемобычных телевизионныхприемниковспециальнымиочками, стеклакоторых снабженыжидкокристаллическими фильтрами.

Идеяэтой системыстереотелевидениячрезвычайнопроста. Еслиучесть, чтокадр изображенияна телеэкранеформируетсяпострочно,причем так, чтосначала высвечиваютсянечетные строчки,а потом четные,то с помощьюочков с жидкокристаллическимифильтрамилегко сделатьтак, чтобы правыйглаз, например,видел толькочетные строчки,а левый—нечетные. Дляэтого достаточносинхронизироватьвключение ивыключениежидкокристаллическихфильтров, т. е.возможностьвосприниматьизображениена экране попеременното одним, тодругим глазом,делая попеременнопрозрачнымто одно, то другоестекло очковс высвечиваниемчетных и нечетныхстрок.

Теперьсовершенноясно, какоеусложнениепередающейтелекамерыдаст стереоэффекттелезрителю.Надо, чтобыпередающаятелекамерабыла стерео,т. е. чтобы онаобладала двумяобъективами,соответствующимивосприятиюобъекта левыми правым глазомчеловека, четныестрочки наэкране формировалисьс помощьюправого, а нечетные—спомощью левогообъективапередающейкамеры.

Системаочков с жидкокристаллическимифильтрами—затворами,синхронизированнымис работойтелевизора,может оказатьсянепрактичнойдля массовогоприменения.Возможно, чтоболее конкурентоспособнойокажетсястереосистема,в которой стеклаочков снабженыобычными поляроидами.При этом каждоеиз стекол очковпропускаетлинейно-поляризованныйсвет, плоскостьполяризациикоторогоперпендикулярнаплоскостиполяризациисвета, пропускаемоговторым стеклом.Стерео же эффектв этом случаедостигаетсяс помощьюжидкокристаллическойпленки, нанесеннойна экран телевизораи пропускающейот четных строксвет однойлинейнойполяризации,а от нечетных—другойлинейнойполяризации,перпендикулярнойпервой.

Какаяиз описанныхсистем стереотелевидениябудет реализованаили выживетсовсем другаясистема, покажет будущее.

Очкидля космонавтов.Знакомясьранее с маскойдля электросварщика,а теперь с очкамидля стереотелевидения, бы заметили,что в этихустройствахуправляемыйжидкокристаллическийфильтр перекрываетсразу все полезрения одногоили обоих глаз.Между тем существуютситуации, когданельзя перекрыватьвсе поле зрениячеловека и вто же времянеобходимоперекрытьотдельныеучастки полязрения.

Например,такая необходимостьможет возникнутьу космонавтовв условиях ихработы в космосепри чрезвычайноярком солнечномосвещении, неослабленномни атмосферой,ни облачностью.Эту задачу какв случае маскидля электросварщикаили очков длястереотелевиденияпозволяютрешить управляемыежидкокристаллические фильтры.

Усложнениеочков в этомслучае состоитв том, что полезрения каждогоглаза теперьдолжен перекрыватьне один фильтр,а нескольконезависимоуправляемыхфильтров. Например,фильтры могутбыть выполненыв виде концентрическихколец с центромв центре стеколочков или ввиде полосокна стекле очков,каждая из которыхпри включенииперекрываеттолько частьполя зренияглаза.

Такиеочки могут бытьполезны нетолько космонавтам,но и людям другихпрофессий,работа которыхможет бытьсвязана нетолько с яркимнерассеяннымосвещением,но и с необходимостьювосприниматьбольшой объемзрительнойинформации.

Например,в кабине пилотасовременногосамолета огромноеколичествопанелей приборов.Однако не всеиз них нужныпилоту одновременно.Поэтому использованиепилотом очков,ограничивающихполе зрения,может бытьполезным иоблегчающимего работу, таккак помогаетсосредоточиватьего вниманиетолько на частинужных в данныймомент приборови устраняетотвлекающеевлияние ненужной в этотмомент информации.Конечно, в случаепилота можнопойти и по другомупути—поставитьЖК-фильтры наиндикаторыприборов, чтобыиметь возможностьэкранироватьих показания.

Подобныеочки будуточень полезнытакже в биомедицинскихисследованияхработы оператора,связанной свосприятиембольшого количествазрительнойинформации.В результатетаких исследованийможно выявитьскорость реакцииоператора назрительныесигналы, определитьнаиболее трудныеи утомительныеэтапы в егоработе и в конечномитоге найтиспособ оптимальнойор ганизацииего работы.Последнеезначит определитьнаилучшийспособ расположенияпанелей приборов,тип индикаторовприборов, цвети характерсигналов различнойстепени важностии т. д.

Фильтрыподобного типаи индикаторына жидких кристаллах,несомненно,найдут (и уженаходят) широкоеприменениев кино-, фотоаппаратуре.В этих целяхони привлекательнытем, что дляуправленияими требуетсяничтожноеколичествоэнергии, а вряде случаевпозволяютисключить изаппаратурыдетали, совершающиемеханическиедвижения. А какизвестно,механическиесистемы частооказываютсянаиболее громоздкимии ненадежными.

Какиемеханическиедетали кино-,фотоаппаратурыимеются в виду?Это преждевсего диафрагмы,фильтры—ослабителисветовогопотока, наконец,прерывателисветовогопотока в киносъемочнойкамере, синхронизованныес перемещениемфотопленкии обеспечивающиепокадровоеее экспонирование.

Принципыустройстватаких ЖК-элементовясны из предыдущего.В качествепрерывателейи фильтров-ослабителейестественноиспользоватьЖК-ячейки, вкоторых поддействиемэлектрическогосигнала изменяетсяпропусканиесвета по всейих площади. Длядиафрагм безмеханическихчастей—системыячеек в видеконцентрическихколец, которыхмогут под действиемэлектрическогосигнала изменятьплощадь пропускающегосвет прозрачногоокна. Следуеттакже отметить,что слоистыеструктуры,содержащиежидкий кристалли фотополупроводник,т. е. элементытипа управляемыхоптическихтранспарантов,могут бытьиспользованыне только вкачестве индикаторов,например, экспозиции,но и для автоматическойустановкидиафрагмы вкино-, фотоаппаратуре.

Привсей принципиальнойпростоте обсуждаемыхустройств ихширокое внедрениев массовуюпродукциюзависит от рядатехнологическихвопросов, связанныхс обеспечениемдлительногосрока работыЖК-элемен-тов,их работы вшироком температурноминтервале,наконец, конкуренциис традиционнымии устоявшимисятехническимирешениями ит. д. Однако решениевсех этих проблем—это тольковопрос времени,и скоро, наверное,трудно будетсебе представитьсовершенныйфотоаппарат,не содержащийЖК-устройства.

СОДЕРЖАНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ:

а)сенсация года;

б)зачем нужныЖК;

в)немного истории;

ЖИДКИЕКРИСТАЛЛЫ —НОВОЕ СОСТОЯНИЕВЕЩЕСТВА:

а)многообразиежидких кристаллов;

б)нематики;

в)упругостьжидкого кристалла;

г)гидродинамикаЖК;

д)флексоэлектрическийэффект;

е)электроннаяигра, электронныйсловарь и телевизорна ЖК;

ОБУДУЩИХ ПРИМЕНЕНИЯХЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ:

а)жидкие кристаллысегодня и завтра;

б)управляемыеоптическиетранспаранты;

в)пространственно-временныемодуляторысвета;

г)оптическиймикрофон;

д)как сделатьстереотелевизор;

е)очки для космонавтов.