Митрохин В.Н. Электродинамические свойства материальных сред (2006) (1247706), страница 11
Текст из файла (страница 11)
Только в отличие от нематика директор и,следовательно, направление диэлектрической анизотропии, изменяются в пространстве, и холестерик можно представить себекак «закрученный нематик».Следует отметить, что диэлектрические свойства холестерика периодичны вдоль оси z. В качестве периода выступает нешаг спирали p, а p/2, так как ориентации директора n0 и – n0 эквивалентны, и период диэлектрических свойств холестерикаоказывается вдвое меньше, чем расстояние, на котором директор совершает полный оборот, поскольку значение шага спирали находится в диапазоне длин волн видимого света. Видимыйсвет может испытывать дифракцию на периодической структурехолестерика, причем условия дифракции аналогичны хорошоизвестным условиям дифракции рентгеновских лучей в кристаллах и описываются соотношением Брэгга–Вульфа 2sinθ == sλ/d, где θ – угол между направлением падающего пучкасвета и плоскостью холестерической оси (рис.
6.3); s – целоечисло; d – период структуры.Это соотношение определяет наРис. 6.3. Геометрия дифракции правление распространения свев холестерикета (угол θ). На этом направлении62свет с длиной волны λ испытывает дифракцию на структуре,период которой равен d. В случае холестерика d = p/2.Если изменяется шаг спирали, то изменяется цвет отраженногосвета, что нами воспринимается как изменение окраски холестерика.
Шаг холестерика изменяется от его температуры.Зависимость цвета холестерика от температуры используетсяв медицине. Учитывая очень высокую чувствительность некоторых холестериков к температуре, можно с их помощью визуальнопредставить картину распределения температуры человеческоготела. Такая информация может быть очень полезна, например,для выявления скрытых под кожей очагов воспалительных процессов или злокачественных новообразований. Для этих целейиспользуются холестерики, капсулированные в тонкие полимерные пленки. Это пленки, в объеме которых имеется множествомаленьких полостей (диаметром от 1 до 10 мкм), заполненныххолестериком. Наложение такой пленки на поверхность тела даетцветное изображение распределения температуры исследуемогоучастка тела.Шаг спирали холестерического кристалла оказывается чувствительным не только к изменению температуры, но и к другимвоздействиям, в том числе вредным для здоровья человека.6.3.
СмектикиСмектиками называют разновидность жидкого кристалла, характеризующуюся упорядоченным расположением центров массымолекул с нефиксированной ориентацией их длинных осей.В этой разновидности жидких кристаллов степень упорядочениямолекул выше, чем в нематиках. Если, как и в случае с нематиком,молекулы смектика изображать палочками, то схематически структура смектика может иметь вид, изображенный на рис.
6.4. В смектикахпомимо ориентационной упорядоченности, аналогичной случаю нематиков, существует частичное упорядочение центров тяжестимолекул, а именно: молекулы смектиков организованы в слои. Расстояния между соседними слоями фиксированы, что и задает упорядочение слоев (т. е. частичное упорядочение). Что же касаетсяупорядоченности центров тяжести молекул в пределах одного слоя,то их расположение и движение хаотично, как в жидкости. Палочкина рис.
6.4 задают усредненную ориентацию молекул, следовательно, для описания смектика также используются директор n0 и параметр порядка s.63абРис. 6.4. Схематическое изображение структуры смектика:а – типа А; б – типа СНа рис. 6.4, а изображена структура смектика А – разновидности смектических жидких кристаллов, в которых директор перпендикулярен плоскости слоя.Существуют и другие разновидности смектиков. Например,хорошо известен смектик С, который отличается от смектика Атем, что в нем директор не направлен по нормали к слою, а образует с ним некоторый фиксированный угол.Общим для всех смектиков является слабое взаимодействиемежду слоями. По этой причине смектические слои легко скользятотносительно друг друга, на ощупь смектики мылоподобные.Смектики обладают свойством двулучепреломления света имогут находиться в однодоменном состоянии только при принятии специальных мер.
В противном случае образец смектического жидкого кристалла так же, как и нематик, представляет собойсовокупность малых областей. Эти области ориентированы случайно с одинаковым упорядочением молекул, только в пределахотдельной области.При описании фазовых превращений нематиков в разд. 6.1 говорилось, что при нагреве выше температуры плавления Tm возникает нематическая ЖК-фаза.Для некоторых веществ порядок следования фаз при повышении температуры может быть иной: при плавлении кристалла сначала возникает смектическая фаза, затем по достижении более высокой температуры происходит фазовый переход в нематическую64фазу, и только при еще более высокой температуре – ее переход визотропную жидкость.Анализ строения молекул смектиков показывает, что для ниххарактерна следующая особенность.
Смектики, как молекулы нематиков и холестериков, обладают удлиненной формой, однаконаряду с жесткой вытянутой частью у смектиков, как правило,имеются еще мягкие «хвосты», ориентация которых может легкоизменяться по отношению к жесткому остову. Наличие остовов и«хвостов» приводит к тому, что у смектиков реализуется слоистаяструктура.У смектика, как и у нематиков, анизотропны электродинамические характеристики. Например, удельная электрическая проводимость поперек слоев меньше, чем вдоль слоев.
Причем эторазличие может быть гораздо больше, чем в нематике, и находится в прямой зависимости от структуры смектика. Так, смектиктипа А (см. рис. 6.4, а), как и нематик, является оптически однородной средой. Это значит, что в смектике существует одно направление (оптическая ось), совпадающее с направлением директора, для которого показатель преломления не зависит от поляризации света. Смектики типа С (рис 6.4, б) по своим оптическимхарактеристикам отличаются от нематиков, так как являютсядвуосными средами. Это означает, что в них существуют два направления распространения света, для которых показатель преломления не зависит от поляризации.
Это является следствиеммикроструктуры смектиков.6.4. Жидкие сегнетоэлектрикиКак отмечалось в разд. 6.3, существует большое число модификаций смектиков, обладающих слоистой структурой. Различиеих между собой заключается в характере упорядочения молекул впределах одного слоя. Причем некоторые разновидности смектиков обладают сегнетоэлектрическими свойствами.Следует подчеркнуть, что сочетание в одном материалесвойств жидкости и сегнетоэлектричества является уникальнымсвойством именно смектиков. Ниже будем рассматривать смектики, обладающие макроскопическим электрическим дипольныммоментом pэ.
Существование такого дипольного момента обусловленно, с одной стороны, свойствами отдельных молекул, а сдругой стороны – характером упорядочения молекул в смектикеС. Происхождение дипольного момента pэ связано с тем, что65молекулы обладают собственным молекулярным электрическимдипольным моментом. Этот момент обусловлен тем, что положительные и отрицательные заряды несколько сдвинуты относительно друг друга; поэтому у молекулы оказывается отличным от нуляэлектрический дипольный момент pэ.Во всех молекулах определенного сорта момент pэ (если онсуществует) ориентирован строго определенным образом относительно осей молекулы. Однако реальная ситуация оказывается значительно сложнее.
Соответствующие энергетические причины приводят к тому, что направление дипольного момента в реальномсмектике с сегнетоэлектричеством от слоя к слою изменяется, оставаясь в плоскости слоя, но прецессируя вокруг нормали к смектическим слоям. В результате у смектика возникает спиральная структура, аналогичная структуре холестерика, с тем отличием, что в смектике директор не перпендикулярен спиральной оси (оси перпендикулярен дипольный момент слоя).
Чтобы представить себе такуюструктуру, которая называется киральным смектиком, следуетплоскость на рис. 6.2 отождествить со смектическими слоями и считать, что директор на некоторый угол выведен из плоскости слоев(на рис. 6.2 показано, как происходит вращение вокруг спиральнойоси проекции директора на смектический слой).Таким образом, в киральном смектике из-за его спиральнойструктуры происходит компенсация сегнетоэлектрического момента отдельных слоев, и непосредственно в электрическом моменте массивного смектического образца его сегнетоэлектрические свойства не проявляются. Однако существует возможностьобнаружить сегнетоэлектрический момент кирального смектика,если каким-либо образом раскрутить описанную спираль, наложивна киральный смектик электрическое поле, перпендикулярное оптической оси.Необходимо отметить, что из-за подобия структур киральныесмектики и холестерики обладают похожими оптическими свойствами.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
