Жидкие кристаллы

Жидкие кристаллы (ЖК) были открыты более ста лет назад профессором Ботанического института Фридрихом Рейнитцером. Он изучал влияние холестерина и его производных на рост и развитие растений. Для этой цели ему пришлось синтезировать некоторые соединения холестерина. Среди них оказался сложный эфир холестерина и бензойной кислоты - холестерилбензоат, который до Рейнитцера никто не получал. Определяя его температуру плавления, он обнаружил, что холестирилбензоат плавится в две стадии: вначале образовывалась мутная жидкость, а затем при дальнейшем нагревании - прозрачный расплав.

Название жидкие кристаллыбыло предложено Леманом. Этот термин, основанный на привлекательности двух противоположных, в некотором смысле, слов - жидкий и кристаллический, хорошо прижился. Только через тридцать лет появился другой, теперь столь же распространенный термин - мезоморфное состояние (если речь идет о мезофазе), который ввел французкий физик Фридель, образовав его от греческого слова мезос - промежуточный.

В настоящее время ЖК уже более сорока лет используются в различных областях техники. Наиболее массовое применение ЖК, без сомнения - индикаторы и дисплеи. Однако на пути более широкого внедрения ЖК стоят серьезные трудности, связанные с технологией их изготовления. Все электрооптические эффекты ЖК наблюдаются в тонких слоях с определенной структурой. Организация такой структуры связана с процессом ориентации молекул ЖК между двумя стеклянными подложками, на внутреннюю сторону которых нанесены прозрачные электроды для управления ЖК. Высокие требования к качеству стеклянных подложек, длительность процессов ориентации и герметизации сужают возможности получения экранов большого размера и делают технологию изготовления таких устройств достаточно сложной.

Многие из этих трудностей снимают ЖК композиты - новые материалы, разработка которых сейчас интенсивно ведется во всем мире.

Рабочим элементом ЖК композитов являются жидкие кристаллы, поэтому представляется естественным рассмотреть их микро- и макроскопическую структуры и основные свойства, определяющие структуру и свойства композитов.

Некоторые ЖК дополнительно имеют частичный трансляционный порядок. Он не может быть трехмерным — это характерно для твердого кристалла. Но дву- и одномерный трансляционные порядки наблюдаются довольно часто.

В зависимости от характера микроскопического упорядочения ЖК принято делить на несколько главных типов

· нематические (нематики),

· холестерические (холестерики),

· смектические (смектики).

Нематики характеризуются лишь одномерным ориентационным порядком (рис. 1.1, а). Выделенные оси структурных элементов ориентированы примерно в одном направлении, а центры тяжести расположены в пространстве хаотично (трансляционный порядок отсутствует). Направление ориентационного упорядочения задается единичным векторомn, называемым директором.

Рис. 2.12.6. Главные типы жидких кристаллов:а — нематический; б — холестерический. в — холестерический с двумерным ориентационным упорядочением; г - смектический (А); д — смектический (С). Черточками показаны выделенные оси структурных элементов. Их длина пропорциональна наклону структурных элементов

В холестериках ориентационный порядок тоже одномерный, но есть и одномерное трансляционное упорядочение (рис. 1.1, б). Последнее проявляется в том, что молекулы в структуре расположены слоями. В пределах каждого слоя ориентационный порядок чисто нематический, но при переходе от одного слоя к следующему директор поворачивается.

Жидкие кристаллы — это большой класс соединений, преимущественно органических, отличающихся обязательным присутствием ориентационного порядка.

Наличие ориентационного порядка предполагает, чтоих структурные единицы являются анизометричными, чаще всего вытянутой или дисковидной формы. Ориентационный порядок проявляется в том, что выделенные оси структурных элементов — длинные (для вытянутых элементов) или короткие (для дисковидных) — ориентированы вдоль некоторого направления. Таких направлений в пространстве может быть одно (одномерный порядок), два (двумерный) или три (трехмерный ориентационный порядок).

Каждый тип ЖК образует свои характерные текстуры, если не приняты специальные меры к созданию определенным образом ориентированных препаратов. Для нематиков это шлирен-текстура (рис. 2.12.7, а).

Рис. 2.12.7. Типичные текстуры жидких кристаллов: а — шлирен-текстура нематика; б — конфокальная текстура холестерика; в — схематическое изображение поля директора вблизи дисклинаций этой текстуры (стрелками указаны направления поляризатора и анализатора); г — схематическое изображение конфокального домена.

Смектики А тоже дают конфокальную текстуру, но другие типы смектиков могутиметь и более сложные текстуры.