CBRR2423 (739290), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Здесь следует сказать, что в конце девятнадцатого — начале двадцатого века многие очень авторитетные уие-ные весьма скептически относились к открытию Рейнит-цера и Лемана. (Имя Ломана также можно по праву свя­зывать с открытием жидких кристаллов, поскольку он очень активно участвовал в первых исследованиях жид ких кристаллов, и даже самим термином «жидкие кри­сталлы» мы обязаны именно ему.) Дело в том, что не только описанные противоречивые свойства жидких кри­сталлов представлялись многим авторитетам весьма со­мнительными, но и в том, что свойства различных жидко­кристаллических веществ (соединений, обладавших жид­кокристаллической фазой) оказывались существенно раз­личными. Так, одни жидкие кристаллы обладали очень большой вязкостью, у других вязкость была невелика. Одни жидкие кристаллы проявляли с изменением тем­пературы резкое изменение окраски, так что их цвет пробегал все тона радуги, другие жидкие кристаллы та­кого резкого изменения окраски не проявляли. Наконец, внешний вид образцов, или, как принято говорить, тек­стура, различных жидких кристаллов при рассматрива­нии их под микроскопом оказывался совсем различным. В одном случае в поле поляризационного микроскопа могли быть видны образования, похожие на нити, в дру­гом — наблюдались изображения, похожие на горный рельеф, а в третьем — картина напоминала отпечатки пальцев (см. рисунки на обложке). Стоял также вопрос, почему жидкокристаллическая фаза наблюдается при плавлении только некоторых веществ?

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

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

ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ — НОВОЕ СОСТОЯНИЕ ВЕЩЕСТВА.

Многообразие жидких кристаллов. Теперь обратим внимание на то, что сказать о каком-то вещест­ве: просто жидкий кристалл, это еще слишком мало. И если неспециалистов вполне удовлетворяет общий тер­мин жидкий кристалл, то специалисту требуется дать бо­лее детальную информацию. Здесь ситуация похожа на ту, которая возникла бы с вами в столовой или рестора­не, если бы вам в качестве третьего блюда предложили бы просто жидкость, не конкретизируя, что это такое. Не­сомненно, большинство из вас такое общее определение третьего блюда не удовлетворило бы, и каждый в зави­симости от своего вкуса потребовал бы что-либо более определенное—чай, кофе, молоко и т. д. Так же дело обстоит для специалистов и с жидкими кристаллами, по­скольку под этим термином, как уже бегло говорилось выше, скрывается большое количество весьма отличаю­щихся друг от друга жидкокристаллических фаз. Однако все характерные особенности этого фазового состояния вещества удобно рассмотреть сначала на примере одной разновидности жидких кристаллов стронция.

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

При понижении температуры все превращения про­исходят в обратном порядке и точно при тех же темпе­ратурах, т. е. последовательность фаз такова: прозрач­ный расплав-смутный расплав-^кристалл или в принятых сокращениях ИЖ-^НЖК-^ТК. " Если все описанные превращения наблюдаются, на­пример, для соединения п—метонсйбензилиден—п'—бу-тиланилин или, как принято сокращенно называть это соединение, МББА, то наблюдаемая жидкокристалличе­ская фаза называется нематической или просто немати-KOMj Смена же фазовых состояний характеризуется сле­дующими температурами. Температура первого плавле­ния Гя,=21°С. Ниже ТдМББА находится в обычном кри­сталлическом состоянии. От Т^ до температуры просвет­ления 7^==41°С МББА обладает нематической жидко­кристаллической фазой, и выше Тм — обычная (изотроп­ная) жидкость. Интервал температур от Гд, до tn для различных веществ может быть от единиц до сотни гра дусов. Типичное же значение этого интервала — порядка нескольких десятков градусов.

Для того чтобы разобраться, как устроена жидкокри­сталлическая фаза и чем она отличается от обычной жид­кости или, как мы иногда будем дальше говорить, от изотропной жидкости *, нужно обратить внимание на фор­му молекул соединения, образующего жидкокристалли­ческую фазу.

^ Чтобы схематично представить себе устройство нематика, удобно образующие его молекулы представить в виде палочек. Для такой идеализации есть физические основания. Молекулы, образующие жидкие кристаллы, как уже говорилось, представляют собой типичные для многих органических веществ образования со сравни­тельно большим молекулярным весом, протяженности которых в одном направлении в 2—3 раза больше, чем в поперечном. Структура молекулы типичного нематика приведена на рис. 3. Можно считать, что направление введенных нами палочек совпадает с длинными осями мо­лекул. При введенной нами идеализации структуру нема­тика следует представлять как «жидкость одинаково ори­ентированных палочек». Это означает, что центры тяже­сти палочек расположены и движутся хаотически, как в жидкости, а ориентация при этом остается у всех палочек одинаковой и неизменной (см. рис. 4).

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

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

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

В связи с описанной картиной поведения нематика его принято описывать следующим образом. Для характери­стики ориентационного порядка вводится вектор единич­ной длины ñ, называемый директором, направление которого совпадает с направлением введенных выше палочек. Таким образом, директор задает выделенное, пре­имущественное, направление ориентации молекул в хо­лестерине. Кроме того, вводится еще ОДНА величина, па­раметр порядка, который характеризует, насколько вели­ка степень ориентационного упорядочения молекул или, что то же самое, насколько мала разупорядоченность ориентаций молекул. Параметр порядка определяется следующим образом:

S=^«cos»e>-73), (1) где в—угол между направлениями директора и мгно-

венным направлением длинной оси молекул, a •

обозначает среднее по времени значении cos'@.

Из формулы (1) ясно, что параметр 5 может принимать значения от 0 до 1. Значение -S==1 соответствует полному ориентационному порядку. Причем .S==1 достигается, как не­трудно понять, если значение в не изменяется во времени и равно 0, т. е. если направление длинных осей моле­кул строго совпадает с направлением директора.

В нематической же фазе значение параметра порядка S^>0, минимально непосредственно при температуре пе­рехода Т 14 из изотропной жидкости в нематическую фазу и возрастает по мере понижения температуры ниже tn' В целом же при изменении температуры происходит сме­на следующих фазовых состояний. При температуре ни­же точки перехода нематика в обыкновенный кристалл или, как ее называют, температуре плавления Тщ — кри­сталлическое состояние. В интервале температур от Т м, до tn—нематический жидкий кристалл. Выше tin— обычная жидкость.

Пока что речь шла об однодоменном состоянии нема-тического образца, в котором ориентация директора одинакова во всех его точках, как изображено на рис. 4. В таком однодоменном образце нематика наиболее ярко проявляются его свойства, типичные для твердых кри­сталлов, в частности, двупреломление света. Последнее означает, что показатели преломления для света, плос­кость поляризации которого перпендикулярна директору и плоскость поляризации которого содержит директор, указываются различными. Однако для того чтобы полу­нить однодоменный образец нематика, как, впрочем, и любых других разновидностей жидких кристаллов, необ ходимо принятие специальных мер, о которых будет рас­сказано ниже.

Характеристики

Список файлов реферата