belonuchkin-zaikin-tsipenyuk-kvantovaya-fizika (1) (810753), страница 99
Текст из файла (страница 99)
Оказывается, что при плавлении кристаллов этих веществ образуется жидкокристаллическая фаза, отличающаяся от обычных жидкостей. Эта фаза существует в интервале от температуры плавления до некоторой более высокой температуры, при нагреве до которой жидкий кристалл переходит в обычную жидкость. Первым, кто обнаружил жидкие кристаллы, т. е, понял, что это самостоятельное агрегатное состояние вещества, был австрийский ученый, ботаник Рейнитцер. Исследуя новое синтезированное им вещество холестерилбепзоат, он в 1888 г.
обнаружил, что при нагреве до температуры 145'С кристаллы этого вещества плавятся, образуя мутную, сильно рассеивающую свет жидкость. Затем по достижении температуры 179'С жидкость становится прозрачной, т, е, начинает себя вести в оптическом отношении как обычная жидкость, например вода. Неожиданные свойства холестерилбензоат обнаруживал в мутной фазе. Рассматривая его под поляризационпым микроскопом, Рейнитцер обнаружил, что в этой фазе он обладает двулучепреломлепием.
Это означает, что показатель преломления этой фазы зависит от поляризации света. Но явление двупреломления это типично кристаллический эффект, и в изотропной жидкости он не должен наблюдаться. Более детальные исследования, к которым Рейнитцер привлек известного физика Лемана, показали, что наблюдаемый эффект нс может быть обусловлен двухфазностью этого состояния, т. е, мутная фаза полностью однородна, она не является жидкостью, в которой содержатся кристаллиты. Это фазовое состояние и было названо Леманом жидкокристаллическим. Подобно обычным жидкостям, жидкие кристаллы текучи и принимают форму сосуда, в котором помещены.
А с другой стороны, образующие их молекулы упорядочены в пространстве. Правда, это упорядочение не такое полное, как в обычных кристаллах. Пространственная ориентация молекул жидких кристаллов состоит в том, например, что все длинные оси молекул одинаково ориентированы. Для характеристики ориецтациоппого порядка вводится вектор единичной длины Ь, называемый директором, направление которого совпадает с направлением усредненной ориентации длинных осей молекул.
Кроме того, вводится еще одна величина, параметр порядка Я, который характеризует степень ориентационного упорядочения молекул. Параметр порядка определяется следующим образом; Я = (3/2) (совз 0 — 173), (7.3) где 0 угол между направлениями директора и мгновенным направлением длинной оси молокул., а сов~ 0 означаот среднее по времени зпачопие сов О. 1Л. 7. КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ СТРУКТУРЫ ТВЕРДЫХ ТЕЛ 364 Из этой формулы ясно, что параметр о' может принимать значения от О до 1. Значение Я = 1 соответствует полной ориептационной упорядоченности, а Я = О означает полный ориентационный беспорядок и соответствует переходу жидкого кристалла в изотроппую жидкость.
В зависимости от характера упорядочения осей молекул жидкие кристаллы разделяю сея на три разновидности; немагаические, смектические и холестернческце. Нематпик44. 71тобы схематично описать устройство нематиков, удобно молекулы, образу1ощие его, представить в виде палочек. Для такой идеализации есть физические основания. Молекулы жидких кристаллов представляют собой типичные для многих органических веществ образования со сравнительно большим молекулярным весом, порядка сотни, сильно вытянутые в одном направлении. Структура типичного нематика приведена на рис.
7.9 а. При наблюдении нематика через микроскоп видна причудливая совокупность пересекающихся линий, или, как их называют, нитей,. представляющих собой границы раздела между однодоменными областями. Отсюда и произошло название «нематик» по-гречески «нема» означает «нить». Рис. 7.9 При в14оденной нами идеализации структуру нематика следует представлять как «жидкость одинаково ориентированных палочек».
Это озна1ает, что це1ггры тяжести расположены и движутся хаотически, как в жидкости, а ориентация всех осей при этом остается одинаковой и неизменной. Па самом деле, конечно, молекулы нематика совершают не только случайные поступательные движения, но также и ориентационные колебания. Поэтому палочки задают преимущественную, усредненную ориентацию. Амплитуда ориентационных колебаний молекул зависит от близости жидкого кристалла к точке фазового перехода в обычную жидкость, возрастая по мере приближения температуры нематика к температуре фазового перехода. В точке фазового перехода орие~тационное упорядочение молекул исчезает, и ориентация молекул становится полностью хаотической.
Смекгп44к44. В смектических жидких кристаллах степень упорядочения молекул вьппе, чем в нематиках. Схематически структура смектика выглядит так, как это показано на рис. 7.9 б. В смектиках, помимо ориентационной упорядоченности молекул, аналогичной случаю пематиков, существует частичное упорядочение центров тяжести молекул молекулы смектика организованы в слои, расстояния между которыми фиксированы, что и дает 7.4. жидкие кРистАллы Звз упорядочение слоев.
Ориентация молекул в слое может быть как перпендикулярна плоскости слоя, так и направлена под некоторым углом к нему. Общим для всех смектиков, независимо от описанных выше деталей их структуры, является слабое взаимодействие молекул, принадлежащих к различным слоям, по сравнению с взаимодействием молекул внутри одного слоя.
По этой причине слои легко скользят друг относительно друга и смектики на ощупь мылоподобны. Отсюда и их название, в основе которого лежит греческое слово «смегма», что значит мыло. Аналогично нематикам, смектики обладают двулучепреломлением света. Если не созданы специальные условия, образец смектического жидкого кристалла, так же как и пематик, представляет собой совокупность малых областей (доменов) с одинаковым упорядочением молекул только в их пределах. Холестерияи. Холестерики устроены более сложно, чем нематики и смектики. Локально холестерический жидкий кристалл имеет такую же структуру, что и нематик.
Это означает, что в малом объеме упорядочение молекул холестерика можно характеризовать директором и параметром порядка. Отличия холестерика от нематика проявляются в больших по сравнению с молекулярными размерами масштабах. Оказывается, что направление директора в холестгрике не остается неизменным по его объему даже для однодоменного образца. Существует такое направление, называемое холестерической осью (па рис.
7.9 в это ось г), вдоль которого регулярным образом изменяется ориентация директора. Директор перпендикулярен этой оси и вращается вокруг нее, причем угол поворота директора ~р линейно зависит от расстояния з вдоль холестерической оси и может быть представлен В Виде 277 ~Р = (7.4) р Расстояние р вдоль холестерической оси, на котором директор поворачивается на 360', носит название шага холестерической спирали. Если провести воображаемые плоскости, перпендикулярные холестерической оси (как это сделано па рис.
7.9 в)., то для каждой плоскгх:ти направление директора во всех ее точках оказывается фиксированным, однако изменяющимся от плоскости к плоскости. Следует отметить, что мы рассмотрели лишь жидкие кристаллы, молекулы которых имеют удлиненную форму. Реально для жидких кристаллов существенным моментом является лишь анизотропия молекул, и поэтому жидкокристаллическую фазу могут образовывать и молекулы сплюснутой формы (дискообразные). Существует и другой класс жидких кристаллов лиотропные, к которым относятся, в частности, клеточные мембраны, игранпцие болыпую роль в биологии.
Мы ограничимся только подробно разобранными выше термотропными жидкими кристаллами, в которых фазовый переход в жидкокристаллическое состояние происходит при изменении температуры вещества. Из всего многообразия физических свойств жидких кристаллов мы остановимся лишь на их оптических свойствах, которые определяют необычайно широкое использование жидких кристаллов для отображения информации. Прежде всего рассмотрим вопрос о том, как получить жидкий монокристалл, например, нематик. Стабилизировать структуру жидкого кристалла 1Л. 7.
КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ СТРУКТУРЫ ТВЕРДЫХ ТЕЛ можно, например, с помощью поверхностных сил, задающих определенную ориентацию молекул на поверхностях, ограничивающих нсматик, который, в свою очередь, индуцирует за счет межмолекулярных взаимодействий соответствующую ориентацию молекул в объеме. Практика показывает, что полной однородности структуры можно добиться, поместив нематик между двумя пластинами, зазор между которыми не более 10 100 мкм. Пластины, ограничивающие нематик., как правило, изготавливают из прозрачных материалов: стекла, полимеров, токопроводящего прозрачного соединения окиси олова (Яп07) и т.
д. Обработка поверхности пластин в простейшем случае состоит в их направленной 1юлировке. Можно создавать ориентацию молекул и внешними полями, как правило, электрическими, ориентирующими молекулы однородным образом во всем объеме. Решающую роль в электрооптическом поведении жидких кристаплов играет апизотропия их диэлектрических свойств. Во внешнем поле жидкий кристалл стремится ориентироваться так, чтобы направление, в котором его диэлектрическая проницаемость е максимальна, совпадало с направлением поля: при этом Ь !~ Е или Ь 1 Е в зависимости от знака диэлектрической проницаемости е вещества. С переориентацией директора связано изменение направления оптической оси, т. е.
практически всех оптических свойств образца --- поглощения света, вращения плоскости поляризации, двойного лучспреломлония и т. д. Если, например, в исходном состоянии вектор Ь параллелен прозрачным электродам и е ) О, то при некотором критическом значении поля Е Г Ь произойдет переориентация Ь. Этот переход называется переходом Фредерикса.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
