Жидкие кристаллы

Жидкими кристаллами называют такие вещества, которые находятся в мезоморфном (промежуточном) состоянии между изотропной жидкостью и твердым кристаллическим телом. Для них характерная анизотропия свойств и, прежде всего, оптическая анизотропия.

Жидкие кристаллы были открыты в 1888г., но широкое использование приобрели относительно недавно. Специфика существования жидких кристаллов - в конечном температурном промежутке существования мезофазы, то есть молекулы жидкого кристалла имеют некоторое направление называемое директор. Существует больше 3000 органических соединений, которые могут существовать в мезоморфном состоянии. Их молекулы бывают двух типов: нитевидные и дископодобные (рис. 2.35).

По общей симметрии все жидкие кристаллы подразделяются на три типа: нематические, холестерические, смектические.

В нематических кристаллах длинные оси молекул ориентированные вдоль одного общего направления, которое называется нематическим директором (рис. 2.36.а). Но центры тяжести молекул расположены в беспорядке, так что взаимное скольжение молекул возможно только в направлении нематического директора.

В смектических кристаллах имеет место слоистое строение молекул (рис. 2.36.б). Центры тяжести молекул находятся в плоскостях, равноотстоящих одна от другой. В каждом слое молекулы ориентированные параллельно за счет упругого взаимодействия. За счет большой вязкости такие кристаллы не имеют широкого распространения.

В холестерических кристаллах ориентация молекул в отдельных пластах подобна нематической, но каждый слой закручен вокруг оси, перпендикулярной молекулярным слоям (рис. 2.36.в). То есть, получается винтовая слоистая структура с шагом спирали L около 300 нм.

Кроме того, жидкие кристаллы подразделяются на термотропные и лиотропные.

Термотропные кристаллы имеют мезоморфное состояние в зависимости от температуры, то есть их свойства прежде всего зависят от изменения температуры. Примером термотропного жидкого кристалла является бензойнокислый холестерин (холестерический кристалл). Если такой кристалл осветить, то его поведение подобно интерференционному фильтру, то есть согласно условию Вульфа-Брега:

2L×sinθ = m× λ₀ (2.72)

где θ - угол падения луча;

λ₀ - длина волны, которая отвечает условию Вульфа-Брега.

L - шаг спирали жидкого кристалла.

Если плоский пласт такого кристалла освещать белым светом, то в отраженном свете он станет цветным, и вдобавок цвет будет изменяться от угла наблюдения. Поскольку шаг спирали L зависит от температуры, то изменяется и λ₀ , то есть цвет слоя кристалла. Такие жидкие кристаллы используют, как термометры или датчики температур. Такими кристаллами можно измерять температуры от -40 до 200 ⁰С, а температурный промежуток может достигать 0.01 ⁰С.

Лиотропные кристаллы имеют мезоморфное состояние в зависимости от растворения. Их важным свойством является амфифильность.. Лиотропные жидкие кристаллы играют важную роль в жизнедеятельности живых организмов - клеточная мембрана, прежде всего. В технике они используются для изготовления поляроидов.

Но наибольший практический интерес жидкие кристаллы получили для управления индикаторами отображения информации.

Если мы имеем большой объем жидкого кристалла, то он всегда будет мутным, так как он разбивается на небольшие участки - домены. Поэтому для практического использования необходимо иметь тонкие однородно ориентированные слои. При этом разделяют гомогенную (горизонтальную) и гомеотропную (вертикальную) ориентацию молекул относительно стеклянных подложек. Нужная ориентация молекул достигается специальной обработкой поверхности стекла или добавлением поверхностно-активных веществ в мезофазу.

По электрическим свойствам нематические жидкие кристаллы относят к полярным диэлектрикам с относительно небольшим удельным сопротивлением (10⁶-10¹⁰ Ом^.м). В молекуле нематика возможные два направления дипольного момента - вдоль длинной оси молекулы и перпендикулярно ей. Жидкие кристаллы, в которых дипольный момент имеет направление вдоль длинной оси, в электрическом поле ориентируются вдоль силовых линий поля, их диэлектрическая проницаемость ε_‼ вдоль директора больше чем перпендикулярно ему ε_┴. Такие кристаллы имеют положительную диэлектрическую анизотропию (Δε = ε_‼ - ε_┴. >0). В кристаллах с отрицательной анизотропией (Δε = ε_‼ - ε_┴. <0) дипольный момент перпендикулярен молекуле. Поэтому в электрическом поле они вытягиваются длинной осью поперек силовых линий поля. То есть для нематиков с отрицательной диэлектрической анизотропией характерна гомогенная ориентация, а для положительных - гомеотропная ориентация.

Такие свойства нематических кристаллов используют для управления световым потоком, используя электрооптические ячейки (рис. 2.37). Между стеклянными пластинами, которые разделены диэлектрическими прослойками, находится слой жидкого кристалла толщиной 5-30 мкм. На внутренней поверхности стекла нанесены прозрачные электроды. Ячейки могут работать как на просвет, так и на отражение. В последнем случае один из электродов делают непрозрачным.

Для создания приборов отображения информации на жидких кристаллах используют эффект динамического рассеивания, “твист эффект”, и эффект “гость- хозяин”.

Эффект динамического рассеивания имеет место только в жидких кристаллах с отрицательной диэлектрической анизотропией. При отсутствии электрического поля исходное состояние - гомеотропная ориентация молекул (рис. 2.38а). Тогда, согласно внутреннему порядку, такая ячейка прозрачна для падающего света. Под влиянием внешнего поля возникает поворот диполей, и ориентация изменяется на гомогенную(рис 2.38б). Одновременно сильное электрическое поле генерирует поток ионов, который нарушает статический порядок в расположении молекул, что приводит к возникновению турбулентности в мезофазе, то есть возникают центры рассеивания и ячейка становится непрозрачной. Эффект динамического рассеяния имеет место как в постоянном, так и в переменном поле (до 10²-10⁴Гц). В постоянном поле имеют место процессы электролиза, а в переменном они значительно более слабые.

Эффект динамического рассеяния используют как оптические затворы (шторы, жалюзи, световые сигнальные устройства). Недостатком этого эффекта является необходимость большого управляющего напряжения.

“Твист-эффект” используют для жидких нематических кристаллов с положительной анизотропией свойств и холестерических жидких кристаллов. Соответствующей обработкой стекла достигают гомогенной ориентации молекул с закручиванием структуры по азимуту на 90⁰ . Вследствие этого слой жидкого кристалл получает возможность поворачивать плоскость поляризации входящего света на четверть оборота.

Если электрическое поле не приложено, то свет, падая на верхний поляроид, становится поляризованным. При прохождении сквозь жидкий кристалл, поляризованный свет изменяет свое направление согласно оптической оси нематика и на выходе имеет такое же направление, как и нижний поляроид. Проходя без потерь сквозь последний, он отражается от зеркала и возвращается назад. При наложении внешнего поля больше некоторого граничного значения, за счет положительной диэлектрической анизотропии ориентация становится гомеотропной. Тогда для света, которой прошел через жидкий кристалл, получим скрещенные поляроиды, то есть поле станет темным. Таким образом можно рисовать темные фигуры на фоне цвета жидкого кристалла (серо-зеленого). “Твист-эффект” используют для индикаторов наручных часов, экранов телевизоров и других.

Эффект “гость-хозяин” используют для цветных изображений. Для этого в жидкие кристаллы домешивают молекулы краски, которые имеют схожую с молекулами жидкого кристалла форму и ориентируются параллельно молекулам мезофазы за счет упругого взаимодействия. Спектр поглощения таких молекул является функцией их ориентации относительно направления поляризации падающего света. Поглощение будет максимальным, если длинные оси молекул параллельны колебаниям электрического вектора световой волны. Таким способом создают цветные изображения. Жидкие кристаллы используют как датчики температуры, инфрачастотного излучения, для измерения температурных полей, как индикаторные устройства. Их основные преимущества следующие: хороший контраст при ярком освещении, низкая мощность, малые напряжения, простота изготовления, низкая стоимость. Недостатки - небольшое быстродействие и наличие электро- и фотохимического старения.