Митрохин В.Н. Электродинамические свойства материальных сред (2006), страница 10

е. она пропорциональна величине |T – Tc|–1 и достигает аномально больших значений вблизи температуры Tс.4. Спонтанная поляризация определяет оптические свойствасегнетоэлектрических кристаллов. Так, с помощью внешнего электрического поля можно изменять диэлектрическую проницаемостьε (а значит, преломляющие свойства кристаллов) и использоватьэто явление для управления интенсивностью световых пучков.576. ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫЖидкие кристаллы представляют собой своеобразные анизотропные текучие тела, находящиеся в состоянии, промежуточноммежду твердыми кристаллами и изотропными жидкостями.

Этосостояние появляется при плавлении твердых кристаллов и существует в интервале от температуры плавления кристалла до некоторой более высокой температуры, при нагреве до которой жидкиекристаллы переходят в обычную жидкость.Подобно обычной жидкости жидкие кристаллы обладают текучестью и принимают форму сосуда, в который они помещаются.Этим жидкие кристаллы отличаются от известных всем кристаллов.

Но, несмотря на это свойство, объединяющее жидкий кристалл с жидкостью, он обладает свойством, характерным для кристаллов, т. е. упорядоченностью в пространстве молекул, образующих кристалл. Это упорядочение не такое полное, как в обычных кристаллах, однако оно существенно влияет на свойства жидких кристаллов, чем отличает их от обычных жидкостей.6.1. НематикиНематиками называют разновидность жидкого кристалла, характеризующуюся фиксированной ориентацией длинных осей молекул при беспорядочном расположении их центров тяжести.Кристаллы некоторых органических веществ при нагреваниипрежде, чем расплавиться, проходят при повышении температурычерез стадию жидкокристаллической фазы (ЖК-фазы).

У одного итого же соединения может быть несколько ЖК-фаз.Рассмотрим наиболее простую ситуацию, когда соединениеобладает одной ЖК-фазой. В этом случае процесс плавления кристалла идет в две стадии. Сначала при повышении температурыкристалл испытывает «первое плавление», переходя в мутный расплав. На второй стадии при дальнейшем нагреве до вполне определенной температуры происходит просветление расплава. Просветленный расплав обладает всеми свойствами жидкости. Мутный расплав, который и представляет собой ЖК-фазу, по своимсвойствам отличается от жидкостей, хотя и обладает наиболее характерным свойством жидкостей – текучестью.При понижении температуры все превращения происходят вобратном порядке и обычно при тех же температурах. То есть58последовательность фаз такая: прозрачный расплав–мутный расплав–кристалл.Чтобы схематически представить себе структуру нематика, удобно образующие его молекулы изобразить в виде палочек (рис.

6.1).Молекулы, образующие жидкие кристаллы, представляют собой образования со сравнительно большиммолекулярным весом, протяженности которых в одном направлении в2–3 раза больше, чем в другом.Можно считать, что направление↑nºвведенных нами палочек совпадает сдлинными осями молекул. При введенной идеализации структуру нематика следует представить как«жидкость одинаково ориентированных палочек».

Это означает, чтоцентры тяжести палочек расположены и движутся хаотически, как вжидкости, а ориентация при этом Рис. 6.1. Схематическое изображение характера упорядоченияостается у всех палочек одинаковоймолекул в нематикеи неизменной. Для характеристикиориентационного порядка вводится вектор единичной длины n0, называемый директором, направление которого совпадает с направлением палочек. Директор задает выделенное преимущественное направление ориентаций молекул в нематике.

Кроме того, вводится ещеодна величина – параметр порядка s, который характеризует степеньориентационного упорядочения молекул. Этот параметр зависит отугла θ между направлением директора и мгновенным направлениемдлинной оси молекул: 0 < s < 1, причем s = 1 соответствует полномуориентационному порядку, s = 0 означает полный ориентационныйбеспорядок и соответствует нематику, перешедшему в изотропнуюжидкость.В таком однодоменном образце нематика наиболее ярко проявляются его свойства, типичные для твердых кристаллов, в частности двулучепреломление света.

Последнее означает, что показатели преломления для света, плоскость поляризации которого перпендикулярна директору и плоскость поляризации которого содержит директор, будут различными.Удельная проводимость жидкого кристалла σ = 10–7…10–6 См/м –это довольно малая величина, характерная для органических жидкостей (для металлов эта величина значительно больше).

Но здесь59важно то, что проводимость в направлении вдоль директора σ||отличается от проводимости поперек директора σ⊥ . В большинстве нематиков σ|| > σ⊥ (для наиболее распространенных нематиков σ|| / σ⊥ ≈ 1,5…2).Следует отметить, что ответственными за перенос электрического тока в нематиках являются не электроны, а ионы.Во внешнем электрическом поле минимуму энергии нематикасоответствует такая его ориентация, при которой направление, отвечающее максимальному значению диэлектрической проницаемости, совпадает с направлением поля. Это значит, что если, например, диэлектрическая анизотропия нематика (∆ε = ε|| – ε⊥) положительна, т. е. диэлектрическая проницаемость вдоль директораε||→n0 больше диэлектрической проницаемости ε⊥, т.

е., ε|| > ε⊥, то вполе на жидкий кристалл будет действовать сила, стремящаясясовместить направление директора с направлением приложенногополя. Таков механизм переориентации директора, т.е. измененияструктуры нематика во внешнем поле.6.2. ХолестерикиХолестериками называют разновидность жидкого кристалла,отличающуюся от нематика дополнительным закручиванием молекул в направлении, перпендикулярном к их длинным осям.Локально холестерический жидкий кристалл имеет такую жеструктуру, как и нематик. Различие проявляется на больших по сравнению с молекулярными размерами объемах и расстояниях. Делов том, что в холестерике молекулы образуюттак называемую холестерическую спираль, аименно: направление директора n0 изменяетсяпо объему холестерика (даже для однодоменного образца).

Существует такое направление,называемое холестерической осью, при смещении вдоль которого регулярным образомизменяется ориентация директора.Если провести воображаемые плоскости, перпендикулярные холестерическойоси (рис. 6.2), то для каждой плоскостинаправлениедиректора во всех ее точкахРис. 6.2.

Схематичеоказывается фиксированным и перпендикуское изображениестроения холестерика лярным холестерической оси, однако изме60няющимся от плоскости к плоскости. При перемещении вдольхолестерической оси происходит поворот директора вокруг этойоси, причем угол поворота директора ϕ является линейной функцией расстояния z вдоль холестерической оси и изменяется с координатой z по закону ϕ = 2πz /p . Величина р называется шагомхолестерической спирали и равна тому расстоянию вдоль холестерической оси, на котором директор поворачивается на 360º.Отмеченное выше подобие холестерика в малом объеме свойствам нематика означает, что в молекулярном масштабе расстояний закрученность ориентации молекул холестерика слабая, т. е.шаг спирали р в сотни и тысячи раз больше молекулярных размеров (см.

рис. 6.2).Причина того, что холестерические жидкие кристаллы образуют закрученную структуру, лежит в специфике межмолекулярноговзаимодействия в них. Геометрическое проявление такого характера взаимодействия молекул выражается в отсутствии у отдельной молекулы зеркальной симметрии. Это означает, что отражениемолекул холестерика в «зеркале» отличается от оригинала исходной молекулы.Симметрийное качество молекул холестерика принято называтькиральностью (спиральность). Киральность (от греч. hiro – рука,зеркально несимметричный объект) молекулы может быть левойили правой.

Для молекул нарушение зеркальной симметрии невелико. Именно поэтому закрученность молекул холестерика очень слабая и ориентация молекул меняется очень медленно (по молекулярным масштабам) от точки к точке вдоль холестерической оси. Поскольку молекулы холестерика бывают левые или правые, соответственно и холестерическая спираль является левой или правой.Правильность таких представлений хорошо демонстрируют жидкиекристаллы, молекулы которых при одном и том же химическом составе могут обладать двумя изомерными модификациями. Одна изних правая, а другая – левая.

В таких случаях левый изомер даетхолестерик с левой спиралью, а правый изомер – холестерик с правой спиралью. В смеси двух изомеров знак спирали определяетсясвойством изомера, концентрация которого выше. При одинаковойконцентрации изомеров (50 × 50 %) в смеси наблюдается не холестерическая, а нематическая фаза.Описанная выше структура холестериков оправдывает употребление в связи с их структурой слова «спираль».

Термин «холестерический» возник потому, что подобная структура является характерной для жидких кристаллов, образуемых эфирами холесте61рина, того самого холестерина, избыточное содержание которого вкрови человека принято связывать с симптомами сердечнососудистых заболеваний. Холестерическая фаза жидких кристаллов для некоторых соединений может наблюдаться непосредственно выше температуры плавления кристалла, а для некоторыхсоединений ей может предшествовать по температуре смектическая ЖК-фаза.

При дальнейшем повышении температуры холестерическая фаза переходит в изотропную жидкость.Типичное значение шага холестерической спирали составляетпорядка длин волн видимого света, поэтому температурные изменения шага проявляются в сильной температурной зависимости оптических свойств холестерика, последние зависят от шагаспирали. Напомним, что локальная структура холестерика аналогична структуре нематика, а это значит, что направление упорядочения молекул для каждого значения координаты z характеризуется директором n0, а диэлектрические свойства анизотропны,т. е. ∆ε = ε|| – ε⊥ ≠ 0.