Курсовая работа: Жидкие кристаллы. Жидкие кристаллы реферат по химии

Доклад - Жидкие кристаллы - Химия

Сенсация года . Некоторое время тому назад необыч­ной популярностью в США пользовалась новинка юве­лирного производства, получившая название «перстень настроения». За год было продано 5 0 миллионов таких перстней, т. е. практически каждая взрослая женщина имела это ювелирное изделие. Что же привлекло внима­ние любители бижутерии к этому перстню? Оказывается, он обладал совершенно мистическим свойством реагиро­в ать на настроение его владельца. Реакция состояла в том, что цвет камешка перстня следовал за настроением вла­дельца, пробегая все цвета радуги от красного до фио­летового. Вот это сочетание таинственного свойства уга­дывать настроение, декоративность перстня, обеспечи­ваемая яркой и меняющейся окраской камешка, плюс низкая цена и обеспечили успех перстню настроения.

Пожалуй, именно тогда впервые широкие массы стол­кнулись с загадочным термином «жидкие кристаллы». Ни­чего толком не было известно, говорилось, только, что камешек перстня сделан на жидком кристалле. Для чита­теля, который знаком с жидкими кристаллами, нужно сде­лать уточнение — на холестерическом жидком кристалле, а секрет перстня настроения связан с его удивительными оптическими свойствами.

Зачем нужны Жидкие кристаллы . Все чаще на страницах научных, а последнее время и научно-популярных журналов появ­ляется термин «жидкие кристаллы» (в аббревиатуре ЖК) и статьи, посвященные жидким кристаллам. В повсе дневной жизни мы сталкиваемся с часами, термометра­ми на жидких кристаллах. В наше время наука стала производительной силой, и поэтому, как правило, повышенный научный интерес к тому или иному явлению или объекту означает, что это явление или объект представляет интерес для материаль­ного производств а. В этом отношении не являются ис­ключением и жидкие кристаллы. Интерес к ним прежде всего обусловлен возможностями их эффективного при­менения в ряде отраслей производственной деятельно­сти. Внедрение жидких кристаллов означает экономиче­скую эффективность, простоту, удобство.

Жидкий кристалл — это специфическое агрегатное со­стояние вещества, в котором оно проявляет одновре­менно свойства кристалла и жидкости. Сразу надо огово­риться, что далеко не все вещества могут находиться в жидкокристаллическом состоянии. Большинство веществ может находиться только в трех, всем хорошо известных агрегатных состояниях: твердом или кристаллическом, жидком и газообразном. Оказывается, некоторые органические вещества, обладающие сложными молеку­лами, кроме трех названных состояний, могут образовы­вать четвертое агрегатное состояние — жидкокристалли­ческое. Это состояние осуществляется при плавлении кристаллов некоторых веществ. При их плавлении обра­ зуется жидкокристаллическая фаза, отличающаяся от обычных жидкостей. Эта фаза существует в интервале от температуры плавления кристалла до некоторой более высокой температуры, при нагреве до которой жидкий кристалл переходит в обычную жидкость. Чем же жидкий кристалл отличается от жидкости и обычного кристалла и чем похож на них? Подобно обыч ной жидкости, жидкий кристалл обладает текучестью и принимает форму сосуда, в который он помещен. Этим он отличается от известных всем кристаллов. Однако несмотря на это свойство, объединяющее его с жид­костью, он обладает свойством, характерным для кри­сталлов. Это — упорядочение в пространстве молекул, образующих кристалл. Правда, это упорядочение не та­кое полное, как в обычных кристаллах, но тем не менее оно существенно влияет на свойства жидких кристаллов, чем и отличает их от обычных жидкостей. Неполное про­странственное упорядочение молекул, образующих жид­кий кристалл, проявляется в том, что в жидких кристал­лах нет полного порядка в пространственном располо­жении центров тяжести молекул, хотя частичный порядок может быть. Это означает, что у них нет жесткой кри­сталлической решетки. Поэтому жидкие кристаллы, по­добно обычным жидкостям, обладают свойством текуче­сти.

Обязательным свойством жидких кристаллов, сбли­жающим их с обычными кристаллами, является наличие порядка» пространственной ориентации молекул. Такой порядок в ориентации может проявляться, например, в том, что все длинные оси молекул в жидкокристалличе­ском образце ориентированы одинаково.

В зависимости от вида упорядочения осей молекул жидкие кристаллы разделяются на три разновидности: нематические, смектические и холестерические.

Немного истории. Как были обнаружены не­обычные свойства жидких кристаллов? Вероятно, исследователи уже очень давно стал­кивались с жидкокристаллическим состоянием, но не от­давали себе в этом отчета. Тем не менее существование жидких кристаллов было установлено очень давно, почти столетие тому назад, а именно в 1888 году.

Первым, кто обнаружил жидкие кристаллы, был авст­рийский ученый-ботаник Рейнитцер. Исследуя новое син­тез ированное им вещество холестерилбензоат, он обн а­ружил, что при температуре 145° С кристаллы этого ве­щества плавятся, образуя мутную сильно рассеивающую свет жидкость. При продолжении нагрева по достижении температуры 179°С жидкость просветляется, т. е. начина­ет вести себя в оптическом отношен ии, как обычная жидкость, например вода. Неожиданные свойства холестерилбензоат а обнаружились в мутной фазе. Рассматри­вая эту фазу под поляризационным микроскопом, Рей­нитцер обнаружил, что она обладает двупреломлением. Это означает, что показатель преломления света, т. е. скорость света в этой фазе, зависит о т поляризации.

Явление двупреломления—это типично кристалличе­ский эффект, состоящий в том, что скорость света в кри­сталле зависит от ориентации плоскости поляризации света. Существенно, что она достигает экстремального максимального и минимального значений для двух вза­имно ортогональных ориентаций плоскости поляризации. Разумеется, ориентации поляризации, соответствующие экстремальным значениям скорости свете в кристалле, определяются анизотропией свойств кристалла и одно­значно задаются ориентацией кристаллических осей отно­сительно направления распространения света.

Поэтому сказанное поясняет, что существование дву­преломления в жидкости, которая должна быть изотроп­ной, т. е. что ее свойства должны быть независящими от направления, представлялось парадоксальным. Наиболее правдоподобным в то время могло казаться наличие в мутной фазе нерасплавившихся малых частичек кристалла, кристаллитов, которые и являлись источником двупреломления. Однако более детальные исследования, к которым Рейнитцер привлек известного немецкого фи­зика Лемана, показали, что мутная фаза не является двух­фазной системой, т. е. не содержит в обычной жидкости кристаллических включений, а является новым фазовым состоянием вещества. Этому фазовому состоянию Леман дал название «жидкий кристалл» в связи с одновре­менно проявляемыми им свойствами жидкости и кристал­ла. Употребляется также и другой термин для названия жидких кристаллов. Это — «мезофаза», что буквально означает «промежуточная фаза».

В то время существование жидких кристаллов пред­ставлялось каким-то курьезом, и никто не мог предполо­жить, что их ожидает почти через сто лет большое буду­щее в технических приложениях. Поэтому после некото­рого интереса к жидким кристаллам сразу после их от­крытия о них через некоторое время практически за­были.

В конце девятнадцатого — начале двадцатого века многие очень авторитетные ученые весьма скептически относились к открытию Рейнитцера и Лемана. 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?

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. Он же пред­ложил общий термин для жидких кристаллов — «мезоморфная 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.

Самые “кристаллические” среди жидких кристаллов — смекатические. Для смекатических кристаллов характерна двумерная упорядоченность. Молекулы размещаются так, чтобы их оси были параллельны. Более того, они “понимают” команду “равняйся” и размещаются в стройных рядах, упакованных на смекатических плоскостях, и в шеренгах — на нематических, что поясняет рис. 1а. Смекатическим жидким кристаллам свойственно многое из того, о чем пойдет речь ниже, и нечто особенное — долговременная память. Записав, например, изображение на такой кристалл, можно затем долго любоваться “произведением”. Однако эта особенность смекатических кристаллов для воспроизводящих элементов индикационных устройств, телевизоров и дисплеев не слишком удобна. Тем не менее, они находят применение в промышленности, к примеру, в индикаторах давления.

Упорядоченность нематических сред ниже, чем у смекатических. Молекулам дозволено смещаться относительно длинных осей, поэтому упорядоченность становится “односторонней”, а реакция на внешнее воздействие относительно быстрой, память — короткой. Смекатические плоскости отсутствуют, а вот нематические сохраняются. Эту особенность нематиков поясняет рис. 1б.

Термин “холестерические жидкие кристаллы” не случаен, поскольку наиболее характерным и на практике самым используемым кристаллом этого класса является холестерин. Молекулы холестерина и аналогов размещаются в нематических плоскостях. Особенность молекул холестерического типа в том, что при достаточно сильном боковом притяжении их вершины отталкиваются. Холестерин — доступный и достаточно дешевый материал, сырьем для которого богата любая скотобойня. Очень сложные жидкокристаллические структуры образуют растворы мыла в воде. Здесь можно получить слоистые, дисковые и даже шарообразные структуры. Словом, выбор материала широк.

В достаточно больших объемах кристаллической жидкости образуются домены, физические свойства которых подобны кристаллам. Однако в целом она проявляет свойства, подобные обычным жидкостям. Доменная структура жидких кристаллов образуется по тем же причинам и законам, что в сегнтоэлектриках и ферромагнетиках. Ситуация резко меняется в пленках, толщина которых сопоставима с радиусом взаимодействия молекул жидкости и пластин, формирующих слой. Это важно подчеркнуть, поскольку именно взаимодействие жидкого кристалла и формообразующих элементов создает тот легко управляемый прибор, который столь активно встраивается в современную электронную технику.

Нематики. 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)

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. 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.

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.

Упругость жидкого кристалла. Выше в основном го­ворилось о наблюдениях, связанных с проявлением не­обычных оптических свойств жидких кристаллов. Первым исследователям бросались в глаза, естественно, свойства, наиболее доступные наблюдению. А такими свойствами как раз и были оптические свойства. Техника оптическо­го эксперимента уже в девятнадцатом веке достигла вы­сокого уровня, а, например, микроскоп, даже поляриза­ционный, т. е. позволявший освещать объект исследова­ния поляризованным светом и анализировать поляриза­цию прошедшего света, был вполне доступным прибо­ром для многих лабораторий.

Оптические наблюдения дали значительное количест­во фактов о свойствах жидкокристаллической фазы, ко­торые необходимо было понять и описать. Одним из первых достижений в описании свойств жидких кристал­лов, как уже упоминалось во введении, было создание теории упругости жидких кристаллов. В современной форме она была в основном сформулирована английским ученым Ф. Франком в пятидесятые годы.

Постараемся проследить за ходом мысли и аргумен­тами создателей теории упругости ЖК. Рассуждения бы­ли (или могли быть) приблизительно такими. Установле­но, что в жидком кристалле, конкретно нематике, сущест­вует корреляция (выстраивание) направлений ориента­ции длинных осей молекул. Это должно означать, что ес­ли по какой-то причине произошло небольшое наруше­ние в согласованной ориентации молекул в соседних точ­ках нематика, то возникнут силы, которые будут старать­ся восстановить порядок, т. е. согласованную ориентацию молекул. Конечно, исходной, микроскопической, причиной таких возвращающих сил является взаимодей­ствие между собой отдельных молекул.

Для кристаллов существует хорошо развитая теория упругости. Все знают, что деформация твер­дого тела прямо пропорциональна приложенной силе и обратно пропорциональна модулю упругости К. Возника­ет мысль, если оптические свойства жидких кристаллов подобны свойствам обычных кристаллов, то, может быть, жидкий кристалл, подобно обычному кристаллу, облада­ет и упругими свойствами. Вспомните, что жидкий кри­сталл течет, как обычная жидкость. А жидкость не прояв­ляет свойств упругости, за исключением упругости по от­ношению к всестороннему сжатию, и поэтому для нее модуль упругости по отношению к обычным деформаци­ям строго равен нулю. Казалось бы, налицо парадокс. Но его разрешение в том, что жидкий кристалл — это не обычная, а анизотропная жидкость, т. е. жидкость, «.свойства которой различны в различных направлениях.

Таким образом, построение теории упругости для жидких кристаллов было не таким уж простым делом и нельзя было теорию, развитую для кристаллов, непо­средственно применить к жидким кристаллам.

Теория упругости жидких кристаллов, описывающая их как сплошную среду, т. е. претендую­щая только на описание свойств ЖК, усредненных по расстояниям больше межмолекулярных, приводит к вы­воду, что минимальная энергия жидкого кристалла соот­ветствует отсутствию деформаций в нем.

Электронная игра, электронный словарь и телевизор на жк»

Известно, какой популярностью у молодежи пользу­ются различные электронные игры, обычно устанавлива­емые в специальной комнате аттракционов в местах об­щественного отдыха или фойе кинотеатров. Успехи в разработке матричных жидкокристаллических дисплеев сделали возможным создание и массовое производство подобных игр в миниатюрном, так сказать, карманном ис­полнении. Например, всем хорошо знакома игра «Ну, погоди!», ос­военная отечественной промышленностью. Габариты этой игры, как у записной книжки, а основным ее эле­ментом является жидкокристаллический матричный дис­плей, на котором высвечиваются изображения волка, зай­ца, кур и катящихся по желобам яичек. Задача играюще­го, нажимая кнопки управления, заставить волка, пере­мещаясь от желоба к желобу, ловить скатывающиеся с желобов яички в корзину, чтобы не дать им упасть на землю и разбиться. Здесь же отметим, что, помимо раз­влекательного назначения, эта игрушка выполняет роль часов и будильника, т. е. в другом режиме работы на дисплее «высвечивается» время и может подаваться зву­ковой сигнал в требуемый момент времени.

Еще один впечатляющий пример эффективности со­юза матричных дисплеев на жидких кристаллах и микро­электронной техники дают современные электронные словари, которые начали выпускать в Японии. Они пред­ставляют собой миниатюрные вычислительные машинки размером с обычный карманный микрокалькулятор, в память которых введены слова на двух (или больше) языках и которые снабжены матричным дисплеем и кла­виатурой с алфавитом. Набирая на клавиатуре слово на одном языке, вы моментально получаете на дисплее его перевод на другой язык. Представьте себе, как улучшит­ся и облегчится процесс обучения иностранным язы­кам в школе и в вузе, если каждый учащийся будет снаб­жен подобным словарем) А наблюдая, как быстро изде­лия микроэлектроники внедряются в нашу жизнь, можно с уверенностью сказать, что такое время не за горами) Легко представить и пути дальнейшего совершенствова­ния таких словарей-переводчиков: переводится не одно слово, а целое предложение. Кроме того, перевод мо­жет быть и озвучен. Словом, внедрение таких словарей-переводчиков сулит революцию в изучении языков и технике перевода.

Жидкие кристаллы сегодня и завтра. Многие оптиче­ские эффекты в жидких кристаллах, о которых рассказы­валось выше, уже освоены техникой и используются в изделиях массового производства. Например, всем из­вестны часы с индикатором на жидких кристаллах, но не все еще знают, что те же жидкие кристаллы использу­ются для производства наручных часов, в которые встро­ен калькулятор. Тут уже даже грудно сказать, как на­звать такое устройство, то ли часы, то ли компьютер. Но это уже освоенные промышленностью изделия, хотя всего десятилетия назад подобное казалось нереальным. Перспективы же будущих массовых и эффективных при­менений жидких кристаллов еще более удивительны. По­этому стоит рассказать о нескольких технических идеях применения жидких кристаллов, которые пока что не реализованы, но, возможно, в ближайшие несколько лет послужат основой создания устройств, которые станут для нас такими же привычными, какими, скажем, сейчас являются транзисторные приемники.

Оптический микрофон. В системах оптической обработки информации и связи возникает необходимость преобразовывать не только световые сигналы в световые, но и другие самые разнообразные воздействия в световые сигналы. Такими воздействиями могут быть давление, звук, температура, деформация и т. д. И вот для преобразования этих воз­действий в оптический сигнал жидкокристаллические ус­тройства оказываются опять-таки очень удобными и пер­спективными элементами оптических систем.

Конечно, существует масса методов преобразовывать перечисленные воздействия в оптические сигналы, одна­ко подавляющее большинство этих методов связано сна­чала с преобразованием воздействия в электрический сигнал, с помощью которого затем можно управлять световым потоком. Таким образом, методы эти двусту­пенчатые и, следовательно, не такие уж простые и эко­номичные в реализации. Преимущество применения в этих целях жидких кристаллов состоит в том, что с их помощью самые разнообразные воздействия можно не­посредственно переводить в оптический сигнал, что уст­раняет промежуточное звено в цепи воздействие—све­товой сигнал, а значит, вносит принципиальное упроще­ние в управление световым потоком. Другое достоинст­во ЖК-элементов в том, что они легко совместимы с уз­лами волоконно-оптических устройств.

Чтобы проиллюстрировать возможности с помощью ЖК управлять световыми сигналами, расскажем о прин­ципе работы «оптического микрофона» на ЖК—устрой­ства, предложенного для непосредственного перевода акустического сигнала в оптический.

Принципиальная схема устройства оптического мик­рофона очень проста. Его активный элемент представляет собой ориентированный слой нематика. Звуковые коле бания создают периодические во времени деформации слоя, вызывающие также переориентации молекул и модуляцию поляризации (интенсивности) проходящего поляризованного светового потока.

Исследования характеристик оптического микрофона на ЖК показали, что по своим параметрам он не уступает су­ществующим образцам и может быть использован в оп­тических линиях связи, позволяя осуществлять непосред­ственное преобразование звуковых сигналов в оптиче­ские. Оказалось также, что почти во всем температурном интервале существования нематической фазы его акустооптические характеристики практически не изменяются

Как сделать стереотелевизор. В качестве еще одного заманчивого, неожиданного и касающегося практически всех применений жидких кристаллов стоит назвать идею создания системы стереотелевидения с применением жидких кристаллов. Причем, что представляется особен­но заманчивым, такая система «стереотелевидения на жидких кристаллах» может быть реализована ценой очень простой модификации передающей телекамеры и до­полнением обычных телевизионных приемников специ­альными очками, стекла которых снабжены жидкокристаллическими фильтрами.

Идея этой системы стереотелевидения чрезвычайно проста. Если учесть, что кадр изображения на телеэкра­не формируется построчно, причем так, что сначала вы­свечиваются нечетные строчки, а потом четные, то с по­мощью очков с жидкокристаллическими фильтрами лег­ко сделать так, чтобы правый глаз, например, видел толь­ко четные строчки, а левый — нечетные. Для этого доста­точно синхронизировать включение и выключение жидко­кристаллических фильтров, т. е. возможность восприни­мать изображение на экране попеременно то одним, то другим глазом, делая попеременно прозрачным то одно, то другое стекло очков с высвечиванием четных и нечет­ных строк.

Теперь совершенно ясно, какое усложнение передаю­щей телекамеры даст стереоэффект телезрителю. На­до, чтобы передающая телекамера была стерео, т. е. чтобы она обладала двумя объективами, соответствую­щими восприятию объекта левым и правым глазом чело­века, четные строчки на экране формировались с по­мощью правого, а нечетные—с помощью левого объ­ектива передающей камеры.

Система очков с жидкокристаллическими фильтра­ми—затворами, синхронизированными с работой телеви­зора, может оказаться непрактичной для массового при­менения. Возможно, что более конкурентоспособной ока­жется стереосистема, в которой стекла очков снабжены обычными поляроидами. При этом каждое из стекол оч­ков пропускает линейно-поляризованный свет, плоскость поляризации которого перпендикулярна плоскости поля­ризации света, пропускаемого вторым стеклом. Стерео же эффект в этом случае достигается с помощью жидко­кристаллической пленки, нанесенной на экран телевизо­ра и пропускающей от четных строк свет одной линей­ной поляризации, а от нечетных—другой линейной по­ляризации, перпендикулярной первой.

Какая из описанных систем стереотелевидения будет реализована или выживет совсем другая система, покажет будущее.

Очки для космонавтов. Знакомясь ранее с маской для электросварщика, а теперь с очками для стереотелевидения, бы заметили, что в этих устройствах управляемый жидкокристаллический фильтр перекрывает сразу все поле зрения одного или обоих глаз. Между тем сущест­вуют ситуации, когда нельзя перекрывать все поле зрения человека и в то же время необходимо перекрыть от­дельные участки поля зрения.

Например, такая необходимость может возникнуть у космонавтов в условиях их работы в космосе при чрез­вычайно ярком солнечном освещении, не ослабленном ни атмосферой, ни облачностью. Эту задачу как в случае маски для электросварщика или очков для стереотеле­видения позволяют решить управляемые жидкокристаллические фильтры.

Усложнение очков в этом случае состоит в том, что поле зрения каждого глаза теперь должен перекрывать не один фильтр, а несколько независимо управляемых фильтров. Например, фильтры могут быть выполнены в виде концентрических колец с центром в центре стекол очков или в виде полосок на стекле очков, каждая из которых при включении перекрывает только часть поля зрения глаза.

Такие очки могут быть полезны не только космонав­там, но и людям других профессий, работа которых мо­жет быть связана не только с ярким нерассеянным осве­щением, но и с необходимостью воспринимать большой объем зрительной информации.

Например, в кабине пилота современного самолета огромное количество панелей приборов. Однако не все из них нужны пилоту одновременно. Поэтому использо­вание пилотом очков, ограничивающих поле зрения, мо­жет быть полезным и облегчающим его работу, так как помогает сосредоточивать его внимание только на части нужных в данный момент приборов и устраняет отвлека­ющее влияние не нужной в этот момент информации.

Подобные очки будут очень полезны также в биоме­дицинских исследованиях работы оператора, связанной с восприятием большого количества зрительной инфор­мации. В результате таких исследований можно выявить скорость реакции оператора на зрительные сигналы, оп­ределить наиболее трудные и утомительные этапы в его работе и в конечном итоге найти способ оптимальной организации его работы. Последнее значит определить на­илучший способ расположения панелей приборов, тип индикаторов приборов, цвет и характер сигналов различ­ной степени важности.

Фильтры подобного типа и индикаторы на жидких кристаллах, несомненно, найдут (и уже находят) широкое применение в кино-, фотоаппаратуре. В этих целях они привлекательны тем, что для управления ими требуется ничтожное количество энергии, а в ряде случаев позво­ляют исключить из аппаратуры детали, совершающие механические движения. А как известно, механические системы часто оказываются наиболее громоздкими и не­надежными.

Какие механические детали кино-, фотоаппаратуры имеются в виду? Это прежде всего диафрагмы, фильт­ры — ослабители светового потока, наконец, прерывате­ли светового потока в киносъемочной камере, синхрони­зованные с перемещением фотопленки и обеспечиваю­щие покадровое ее экспонирование.

Принципы устройства таких ЖК-элементов ясны из предыдущего. В качестве прерывателей и фильтров-ос­лабителей естественно использовать ЖК-ячейки, в кото­рых под действием электрического сигнала изменяется пропускание света по всей их площади. Для диафрагм без механических частей—системы ячеек в виде кон­центрических колец, которых могут под действием элек­трического сигнала изменять площадь пропускающего свет прозрачного окна. Следует также отметить, что сло­истые структуры, содержащие жидкий кристалл и фото­полупроводник, т. е. элементы типа управляемых оп­тических транспарантов, могут быть использованы не только в качестве индикаторов, например, экспозиции, но и для автоматической установки диафрагмы в кино-, фотоаппаратуре.

При всей принципиальной простоте обсуждаемых устройств их широкое внедрение в массовую продукцию зависит от ряда технологических вопросов, связанных с обеспечением длительного срока работы ЖК-элемен-тов, их работы в широком температурном интервале, на­конец, конкуренции с традиционными и устоявшимися техническими решениями и т. д. Однако решение всех этих проблем — это только вопрос времени, и скоро, на­верное, трудно будет себе представить совершенный фо­тоаппарат, не содержащий ЖК-устройства.

Литература:

1. В. де Же. Физические свойства жидкокристаллических веществ.

2. П. де Жен «Физика жидких кристаллов»,

3. С.Чандрасекар «Жидкие кристаллы».

4. Ландау Л.Д., Лифшиц Б.М. Теоретическая физика. Т.5. Статистическая физика.

5. Гросберг А.Ю., Хохлов А.Р. Статистическая физика макромолекул М.:

www.ronl.ru

Доклад - Жидкие кристаллы - Химия

Сенсация года. Некоторое время тому назад необыч­ной популярностью в США пользоваласьновинка юве­лирного производства, получившая название «перстень настроения». Загод было продано 50 миллионов таких перстней, т. е. практически каждая взрослая женщина имела этоювелирное изделие. Что же привлекло внима­ние любителибижутерии к этому перстню? Оказывается, он обладал совершенно мистическимсвойством реагиро­вать на настроение его владельца.Реакция состояла в том, что цвет камешка перстня следовал за настроением вла­дельца,пробегая все цвета радуги от красного до фио­летового. Вот это сочетаниетаинственного свойства уга­дывать настроение, декоративность перстня, обеспечи­ваемаяяркой и меняющейся окраской камешка, плюс низкая цена и обеспечили успех перстнюнастроения.

Пожалуй, именно тогда впервые широкие массы стол­кнулись сзагадочным термином «жидкие кристаллы». Ни­чего толком не было известно,говорилось, только, что камешек перстня сделан на жидком кристалле. Для чита­теля,который знаком с жидкими кристаллами, нужно сде­лать уточнение — на холестерическом жидком кристалле, а секрет перстнянастроения связан с его удивительными оптическими свойствами.

Зачем нужны Жидкие кристаллы. Все чаще на страницах научных, а последнее время инаучно-популярных журналов появ­ляется термин «жидкие кристаллы» (ваббревиатуре ЖК) и статьи, посвященные жидким кристаллам. В повседневной жизни мы сталкиваемся с часами,термометра­ми на жидких кристаллах. В наше время наука стала производительнойсилой, и поэтому, как правило, повышенный научный интерес к тому или иномуявлению или объекту означает, что это явление или объект представляет интересдля материаль­ного производства.  В этом отношениине являются ис­ключением и жидкие кристаллы. Интерес к ним прежде всего обусловленвозможностями их эффективного при­менения в ряде отраслей производственнойдеятельно­сти. Внедрение жидких кристаллов означает экономиче­скуюэффективность, простоту, удобство.

Жидкий кристалл — это специфическое агрегатное со­стояниевещества, в котором оно проявляет одновре­менно свойства кристалла и жидкости.Сразу надо огово­риться, что далеко не все вещества могут находиться вжидкокристаллическом состоянии. Большинство веществ может находиться только втрех, всем хорошо известных агрегатных состояниях: твердом или кристаллическом,жидком и газообразном.   Оказывается,   некоторые органические вещества,обладающие сложными молеку­лами, кроме трех названных состояний, могут образовы­ватьчетвертое агрегатное состояние — жидкокристалли­ческое.  Это состояниеосуществляется при плавлении кристаллов некоторых веществ. При их плавленииобра­зуется жидкокристаллическая фаза, отличающаяся от обычных жидкостей. Эта фаза существует в интервале оттемпературы плавления кристалла до некоторой более высокой температуры, принагреве до которой жидкий кристалл переходит в обычную жидкость. Чем же жидкийкристалл  отличается от жидкости и обычного кристалла и чем похож на них?Подобно обычной жидкости, жидкий кристалл обладаеттекучестью и принимает форму сосуда, в который он помещен. Этим он отличаетсяот известных всем кристаллов. Однако несмотря на это свойство, объединяющее егос жид­костью, он обладает свойством, характерным для кри­сталлов. Это —упорядочение в пространстве молекул, образующих кристалл. Правда, этоупорядочение не та­кое полное, как в обычных кристаллах, но тем не менее оносущественно влияет на свойства жидких кристаллов, чем и отличает их от обычныхжидкостей. Неполное про­странственное упорядочение молекул, образующих жид­кийкристалл, проявляется в том, что в жидких кристал­лах нет полного порядка впространственном располо­жении центров тяжести молекул, хотя частичный порядокможет быть. Это означает, что у них нет жесткой кри­сталлической решетки.Поэтому жидкие кристаллы, по­добно обычным жидкостям, обладают свойством текуче­сти.

Обязательным свойством жидких кристаллов, сбли­жающим их собычными кристаллами, является наличие порядка» пространственной ориентациимолекул. Такой порядок в ориентации может проявляться, например, в том, что вседлинные оси молекул в жидкокристалличе­ском образце ориентированы одинаково.

В зависимости от вида упорядочения осей молекул жидкиекристаллы разделяются на три разновидности: нематические, смектические и холестерические.

Немного истории. Как были обнаружены не­обычные свойства жидкихкристаллов? Вероятно, исследователи уже очень давно стал­кивались сжидкокристаллическим состоянием, но не от­давали себе в этом отчета. Тем неменее существование жидких кристаллов было установлено очень давно, почти столетиетому назад, а именно в 1888 году.

Первым, кто обнаружил жидкие кристаллы, был авст­рийскийученый-ботаник Рейнитцер. Исследуя новое син­тезированное им вещество холестерилбензоат,он обна­ружил, что при температуре 145° С кристаллыэтого ве­щества плавятся, образуя мутную сильно рассеивающую свет жидкость. Припродолжении нагрева по достижении температуры 179°С жидкость просветляется, т. е. начина­ет вести себя в оптическом отношении, как обычная жидкость, например вода. Неожиданныесвойства холестерилбензоата обнаружились в мутнойфазе. Рассматри­вая эту фазу под поляризационным микроскопом, Рей­нитцеробнаружил, что она обладает двупреломлением. Это означает, что показательпреломления света, т. е. скорость света в этой фазе, зависит от поляризации.

Явление двупреломления—это типично кристалличе­ский эффект,состоящий в том, что скорость света в кри­сталле зависит от ориентацииплоскости поляризации света. Существенно, что она достигает экстремальногомаксимального и минимального значений для двух вза­имно ортогональныхориентаций плоскости поляризации. Разумеется, ориентации поляризации,соответствующие экстремальным значениям скорости свете в кристалле,определяются анизотропией свойств кристалла и одно­значно задаются ориентациейкристаллических осей отно­сительно направления распространения света.

Поэтому сказанное поясняет, что существование дву­преломленияв жидкости, которая должна быть изотроп­ной, т. е. что ее свойства должны бытьнезависящими от направления, представлялось парадоксальным. Наиболееправдоподобным в то время могло казаться наличие в мутной фазе нерасплавившихсямалых частичек кристалла, кристаллитов, которые и являлись источникомдвупреломления. Однако более детальные исследования, к которым Рейнитцерпривлек известного немецкого фи­зика Лемана, показали, что мутная фаза неявляется двух­фазной системой, т. е. не содержит в обычной жидкостикристаллических включений, а является новым фазовым состоянием вещества. Этомуфазовому состоянию Леман дал название «жидкий кристалл» в связи с одновре­меннопроявляемыми им свойствами жидкости и кристал­ла. Употребляется также и другойтермин для названия жидких кристаллов. Это — «мезофаза», что буквально означает«промежуточная фаза».

В то время существование жидких кристаллов пред­ставлялоськаким-то курьезом, и никто не мог предполо­жить, что их ожидает почти через столет большое буду­щее в технических приложениях. Поэтому после некото­рогоинтереса к жидким кристаллам сразу после их от­крытия о них через некотороевремя практически за­были.

В конце девятнадцатого — начале двадцатого века многие оченьавторитетные ученые весьма скептически относились к открытию Рейнитцера иЛемана. Дело в том, что не только описанные противоречивые свойства жидких кри­сталловпредставлялись многим авторитетам весьма со­мнительными, но и в том, чтосвойства различных жидко­кристаллических веществ (соединений, обладавших жид­кокристаллическойфазой) оказывались существенно раз­личными. Так, одни жидкие кристаллы обладалиочень большой вязкостью, у других вязкость была невелика. Одни жидкие кристаллыпроявляли с изменением тем­пературы резкое изменение окраски, так что их цветпробегал все тона радуги, другие жидкие кристаллы та­кого резкого измененияокраски не проявляли. Наконец, внешний вид образцов, или, как принято говорить,тек­стура,  различных жидких кристаллов при рассматрива­нии их под микроскопомоказывался совсем различным. В одном случае в поле поляризационного микроскопамогли 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?

Время шло, факты о жидких кристаллах постепеннонакапливались, но не было общего принципа, который позволил бы установитькакую-то систему в представле­ниях о жидких кристаллах. Как говорят, насталовремя для классификации предмета исследований. Заслуга в создании основсовременной классификации жидких кри­сталлов принадлежит французскому ученомуЖ. Фриделю. В двадцатые годы Фридель предложил разделить все жидкие кристаллына две большие группы. Одну группу жидких кристаллов Фридель назвалнематическими, дру­гую смектическими. Он же пред­ложил общий термин для жидкихкристаллов — «мезоморфная фаза». Этот термин происходит от греческого слова«мезос» (промежуточный), а вводя его, Фридель хотел подчеркнуть, что жидкиекристаллы занимают про­межуточное положение между истинными кристаллами ижидкостями как по температуре, так и по своим физи­ческим свойствам.Нематические жидкие кристаллы в классификации Фриделя включали ужеупоминавшиеся выше холестерические жидкие кристаллы как />подкласс.

Самые “кристаллические” среди жидких кристаллов — смекатические. Для смекатических кристаллов характерна двумернаяупорядоченность. Молекулы размещаются так, чтобы их оси были параллельны. Болеетого, они “понимают” команду “равняйся” и размещаются в стройных рядах,упакованных на смекатических плоскостях, и в шеренгах — на нематических, чтопоясняет рис. 1а. Смекатическим жидким кристаллам свойственно многое из того, очем пойдет речь ниже, и нечто особенное — долговременная память. Записав,например, изображение на такой кристалл, можно затем долго любоваться “произведением”.Однако эта особенность смекатических кристаллов для воспроизводящих элементовиндикационных устройств, телевизоров и дисплеев не слишком удобна. Тем неменее, они находят применение в промышленности, к примеру, в индикаторахдавления.

Упорядоченность нематических сред ниже, чем у смекатических.Молекулам дозволено смещаться относительно длинных осей, поэтомуупорядоченность становится “односторонней”, а реакция на внешнее воздействиеотносительно быстрой, память — короткой. Смекатические плоскости отсутствуют, авот нематические сохраняются. Эту особенность нематиков поясняет рис. 1б.

Термин “холестерические жидкие кристаллы” не случаен,поскольку наиболее характерным и на практике самым используемым кристалломэтого класса является холестерин. Молекулы холестерина и аналогов размещаются внематических плоскостях. Особенность молекул холестерического типа в том, чтопри достаточно сильном боковом притяжении их вершины отталкиваются. Холестерин- доступный и достаточно дешевый материал, сырьем для которого богата любаяскотобойня. Очень сложные жидкокристаллические структуры образуют растворы мылав воде. Здесь можно получить слоистые, дисковые и даже шарообразные структуры.Словом, выбор материала широк.

В достаточно больших объемах кристаллической жидкостиобразуются домены, физические свойства которых подобны кристаллам. Однако вцелом она проявляет свойства, подобные обычным жидкостям. Доменная структуражидких кристаллов образуется по тем же причинам и законам, что всегнтоэлектриках и ферромагнетиках. Ситуация резко меняется в пленках, толщинакоторых сопоставима с радиусом взаимодействия молекул жидкости и пластин,формирующих слой. Это важно подчеркнуть, поскольку именно взаимодействиежидкого кристалла и формообразующих элементов создает тот легко управляемыйприбор, который столь активно встраивается в современную электронную технику.

Нематики.  Кристаллы некоторых органическихвеществ при нагревании, прежде чем расплавиться и перейти в обыч­ную жидкость,проходят при повышении температуры че­рез стадию жидкокристаллической фазы. Какмы увидим ниже, жидкокристаллических фаз может быть у одного и того жесоединения несколько. Но сначала для того, что­бы не осложнять знакомство сжидкокристаллической фазой несущественными здесь подробностями, рассмот­римнаиболее простую ситуацию, когда соединение обла­дает однойжидкокристаллической фазой. В этом случае процесс плавления кристалла идет в.две стадии) Сначала при повышении температуры кристалл испытывает «пер­воеплавление», переходя в мутный расплав. Затем при дальнейшем нагреве  до вполнеопределенной темпе­ратуры происходит «просветление» расплава. «Просвет­ленныйрасплав» обладает всеми свойствами жидкостей. Мутный расплав, который ипредставляет собой жидко' кристаллическую фазу, по своим свойствам существенноотличается от жидкостей, хотя обладает наиболее харак­терным свойством жидкости— текучестью. Наиболее рез­кое отличие жидкокристаллической фазы от жидкостипроявляется в оптических свойствах. Жидкий кристалл, обладая текучестью жидкости,проявляет оптические свойства всем нам знакомых обычных кристаллов)

Чтобы схематично представить себе устройство нематика, удобно образующие его молекулы представить в виде палочек. Для такойидеализации есть физические основания. Молекулы, образующие жидкие кристаллы,как уже говорилось, представляют собой типичные для многих органических веществобразования со сравни­тельно большим молекулярным весом, протяженности которыхв одном направлении в 2—3 раза больше, чем в поперечном. Можно считать, что направлениевведенных нами палочек совпадает с длинными осями мо­лекул. При введенной намиидеализации структуру нема­тика следует представлять как «жидкость одинаковоори­ентированных палочек». Это означает, что центры тяже­сти палочекрасположены и движутся хаотически, как в жидкости, а ориентация при этомостается у всех палочек  одинаковой и неизменной.

Напомним, что в обычной жидкости не только центры тяжестимолекул движутся хаотически, но и ориентации выделенных направлений молекулсовершенно случайны и не скоррелированны между собой.

Упругость жидкого кристалла. Выше в основном го­ворилось онаблюдениях, связанных с проявлением не­обычных оптических свойств жидкихкристаллов. Первым исследователям бросались в глаза, естественно, свойства,наиболее доступные наблюдению. А такими свойствами как раз и были оптическиесвойства. Техника оптическо­го эксперимента уже в девятнадцатом веке достиглавы­сокого уровня, а, например, микроскоп, даже поляриза­ционный, т. е.позволявший освещать объект исследова­ния поляризованным светом и анализироватьполяриза­цию прошедшего света, был вполне доступным прибо­ром для многихлабораторий.

Оптические наблюдения дали значительное количест­во фактов освойствах жидкокристаллической фазы, ко­торые необходимо было понять и описать.Одним из первых достижений в описании свойств жидких кристал­лов, как ужеупоминалось во введении, было создание теории упругости жидких кристаллов. Всовременной форме она была в основном сформулирована английским ученым Ф.Франком в пятидесятые годы.

Постараемся проследить за ходом мысли и аргумен­тамисоздателей теории упругости ЖК. Рассуждения бы­ли (или могли быть)приблизительно такими. Установле­но, что в жидком кристалле, конкретнонематике, сущест­вует корреляция (выстраивание) направлений ориента­ции длинныхосей молекул. Это должно означать, что ес­ли по какой-то причине произошлонебольшое наруше­ние в согласованной ориентации молекул в соседних точ­кахнематика, то возникнут силы, которые будут старать­ся восстановить порядок, т.е. согласованную ориентацию молекул. Конечно, исходной, микроскопической,причиной таких возвращающих сил является взаимодей­ствие между собой отдельныхмолекул.

Для кристаллов существует хорошо развитая теория упругости.Все знают, что деформация твер­дого тела прямо пропорциональна приложенной силеи обратно пропорциональна модулю упругости К. Возника­ет мысль, если оптическиесвойства жидких кристаллов подобны свойствам обычных кристаллов, то, можетбыть, жидкий кристалл, подобно обычному кристаллу, облада­ет и упругимисвойствами. Вспомните, что жидкий кри­сталл течет, как обычная жидкость. Ажидкость не прояв­ляет свойств упругости, за исключением упругости по от­ношениюк всестороннему сжатию, и поэтому для нее модуль упругости по отношению кобычным деформаци­ям строго равен нулю. Казалось бы, налицо парадокс. Но егоразрешение в том, что жидкий кристалл — это не обычная, а анизотропнаяжидкость, т. е. жидкость, «.свойства  которой различны в различныхнаправлениях.

Таким образом, построение теории упругости для жидкихкристаллов было не таким уж простым делом и нельзя было теорию, развитую длякристаллов, непо­средственно применить к жидким кристаллам.

Теория упругости жидких кристаллов, описывающая их каксплошную среду, т. е. претендую­щая только на описание свойств ЖК, усредненныхпо расстояниям больше межмолекулярных, приводит к вы­воду, что минимальнаяэнергия жидкого кристалла соот­ветствует отсутствию деформаций в нем.

Известно, какой популярностью у молодежи пользу­ютсяразличные электронные игры, обычно устанавлива­емые в специальной комнатеаттракционов в местах об­щественного отдыха или фойе кинотеатров. Успехи вразработке матричных жидкокристаллических дисплеев сделали возможным создание имассовое производство подобных игр в миниатюрном, так сказать, карманном ис­полнении.Например, всем хорошо знакома игра «Ну, погоди!», ос­военная отечественнойпромышленностью. Габариты этой игры, как у записной книжки, а основным ее эле­ментомявляется жидкокристаллический матричный дис­плей, на котором высвечиваютсяизображения волка, зай­ца, кур и катящихся по желобам яичек. Задача играюще­го,нажимая кнопки управления, заставить волка, пере­мещаясь от желоба к желобу,ловить скатывающиеся с желобов яички в корзину, чтобы не дать им упасть наземлю и разбиться. Здесь же отметим, что, помимо раз­влекательного назначения,эта игрушка выполняет роль часов и будильника, т. е. в другом режиме работы надисплее «высвечивается» время и может подаваться зву­ковой сигнал в требуемыймомент времени.

Еще один впечатляющий пример эффективности со­юза матричныхдисплеев на жидких кристаллах и микро­электронной техники дают современныеэлектронные словари, которые начали выпускать в Японии. Они пред­ставляют собойминиатюрные вычислительные машинки размером с обычный карманныймикрокалькулятор, в память которых введены слова на двух (или больше) языках икоторые снабжены матричным дисплеем и кла­виатурой с алфавитом. Набирая наклавиатуре слово на одном языке, вы моментально получаете на дисплее егоперевод на другой язык. Представьте себе, как улучшит­ся и облегчится процессобучения иностранным язы­кам в школе и в вузе, если каждый учащийся будет снаб­женподобным словарем) А наблюдая, как быстро изде­лия микроэлектроники внедряютсяв нашу жизнь, можно с уверенностью сказать, что такое время не за горами) Легкопредставить и пути дальнейшего совершенствова­ния таких словарей-переводчиков:переводится не одно слово, а целое предложение. Кроме того, перевод мо­жет бытьи озвучен. Словом, внедрение таких словарей-переводчиков сулит революцию визучении языков и технике перевода.

Жидкие кристаллы сегодня и завтра. Многие оптиче­ские эффекты в жидкихкристаллах, о которых рассказы­валось выше, уже освоены техникой и используютсяв изделиях массового производства. Например, всем из­вестны часы с индикаторомна жидких кристаллах, но не все еще знают, что те же жидкие кристаллы использу­ютсядля производства наручных часов, в которые встро­ен калькулятор. Тут уже дажегрудно сказать, как на­звать такое устройство, то ли часы, то ли компьютер. Ноэто уже освоенные промышленностью изделия, хотя всего десятилетия назадподобное казалось нереальным. Перспективы же будущих массовых и эффективных при­мененийжидких кристаллов еще более удивительны. По­этому стоит рассказать о несколькихтехнических идеях применения жидких кристаллов, которые пока что нереализованы, но, возможно, в ближайшие несколько лет послужат основой созданияустройств, которые станут для нас такими же привычными, какими, скажем, сейчасявляются транзисторные приемники.

Оптический микрофон. В системах оптической обработкиинформации и связи возникает необходимость преобразовывать не только световыесигналы в световые, но и другие самые разнообразные воздействия в световыесигналы. Такими воздействиями могут быть давление, звук, температура,деформация и т. д. И вот для преобразования этих воз­действий в оптическийсигнал жидкокристаллические ус­тройства оказываются опять-таки очень удобными ипер­спективными элементами оптических систем.

Конечно, существует масса методов преобразовыватьперечисленные воздействия в оптические сигналы, одна­ко подавляющее большинствоэтих методов связано сна­чала с преобразованием воздействия в электрическийсигнал, с помощью которого затем можно управлять световым потоком. Такимобразом, методы эти двусту­пенчатые и, следовательно, не такие уж простые и эко­номичныев реализации. Преимущество применения в этих целях жидких кристаллов состоит втом, что с их помощью самые разнообразные воздействия можно не­посредственнопереводить в оптический сигнал, что уст­раняет промежуточное звено в цепивоздействие—све­товой сигнал, а значит, вносит принципиальное упроще­ние вуправление световым потоком. Другое достоинст­во ЖК-элементов в том, что онилегко совместимы с уз­лами волоконно-оптических устройств.

Чтобы проиллюстрировать возможности с помощью ЖК управлятьсветовыми сигналами, расскажем о прин­ципе работы «оптического микрофона» на ЖК—устрой­ства,предложенного для непосредственного перевода акустического сигнала воптический.

Принципиальная схема устройства оптического мик­рофона оченьпроста. Его активный элемент представляет собой ориентированный слой нематика.Звуковые коле бания создают периодические во времени деформации слоя, вызывающиетакже переориентации молекул и модуляцию поляризации (интенсивности)проходящего поляризованного светового потока.

Исследования характеристик оптического микрофона на ЖКпоказали, что по своим параметрам он не уступает су­ществующим образцам и можетбыть использован в оп­тических линиях связи, позволяя осуществлять непосред­ственноепреобразование звуковых сигналов в оптиче­ские. Оказалось также, что почти вовсем температурном интервале существования нематической фазы егоакустооптические характеристики практически не изменяются

Как сделать стереотелевизор. В качестве еще одного заманчивого,неожиданного и касающегося практически всех применений жидких кристаллов стоитназвать идею создания системы стереотелевидения с применением жидкихкристаллов. Причем, что представляется особен­но заманчивым, такая система«стереотелевидения на жидких кристаллах» может быть реализована ценой оченьпростой модификации передающей телекамеры и до­полнением обычных телевизионныхприемников специ­альными очками, стекла которых снабжены жидкокристаллическими фильтрами.

Идея этой системы стереотелевидения чрезвычайно проста. Еслиучесть, что кадр изображения на телеэкра­не формируется построчно, причем так,что сначала вы­свечиваются нечетные строчки, а потом четные, то с по­мощьюочков с жидкокристаллическими фильтрами лег­ко сделать так, чтобы правый глаз,например, видел толь­ко четные строчки, а левый — нечетные. Для этого доста­точносинхронизировать включение и выключение жидко­кристаллических фильтров, т. е.возможность восприни­мать изображение на экране попеременно то одним, то другимглазом, делая попеременно прозрачным то одно, то другое стекло очков свысвечиванием четных и нечет­ных строк.

Теперь совершенно ясно, какое усложнение передаю­щейтелекамеры даст стереоэффект телезрителю. На­до, чтобы передающая телекамерабыла стерео, т. е. чтобы она обладала двумя объективами, соответствую­щимивосприятию объекта левым и правым глазом чело­века, четные строчки на экранеформировались с по­мощью правого, а нечетные—с помощью левого объ­ективапередающей камеры.

Система очков с жидкокристаллическими фильтра­ми—затворами,синхронизированными с работой телеви­зора, может оказаться непрактичной длямассового при­менения. Возможно, что более конкурентоспособной ока­жется стереосистема,в которой стекла очков снабжены обычными поляроидами. При этом каждое из стеколоч­ков пропускает линейно-поляризованный свет, плоскость поляризации которогоперпендикулярна плоскости поля­ризации света, пропускаемого вторым стеклом.Стерео же эффект в этом случае достигается с помощью жидко­кристаллическойпленки, нанесенной на экран телевизо­ра и пропускающей от четных строк светодной линей­ной поляризации, а от нечетных—другой линейной по­ляризации,перпендикулярной первой.

Какая из описанных систем стереотелевидения будет реализованаили выживет совсем другая система, покажет  будущее.

Очки для космонавтов. Знакомясь ранее с маской дляэлектросварщика, а теперь с очками для стереотелевидения, бы заметили, что вэтих устройствах управляемый жидкокристаллический фильтр перекрывает сразу всеполе зрения одного или обоих глаз. Между тем сущест­вуют ситуации, когда нельзяперекрывать все поле зрения человека и в то же время необходимо перекрыть от­дельныеучастки поля зрения.

Например, такая необходимость может возникнуть у космонавтовв условиях их работы в космосе при чрез­вычайно ярком солнечном освещении, неослабленном ни атмосферой, ни облачностью. Эту задачу как в случае маски дляэлектросварщика или очков для стереотеле­видения позволяют решить управляемыежидкокристаллические  фильтры.

Усложнение очков в этом случае состоит в том, что поле зрениякаждого глаза теперь должен перекрывать не один фильтр, а несколько независимоуправляемых фильтров. Например, фильтры могут быть выполнены в видеконцентрических колец с центром в центре стекол очков или в виде полосок настекле очков, каждая из которых при включении перекрывает только часть полязрения глаза.

Такие очки могут быть полезны не только космонав­там, но илюдям других профессий, работа которых мо­жет быть связана не только с яркимнерассеянным осве­щением, но и с необходимостью воспринимать большой объемзрительной информации.

Например, в кабине пилота современного самолета огромноеколичество панелей приборов. Однако не все из них нужны пилоту одновременно.Поэтому использо­вание пилотом очков, ограничивающих поле зрения, мо­жет бытьполезным и облегчающим его работу, так как помогает сосредоточивать еговнимание только на части нужных в данный момент приборов и устраняет отвлека­ющеевлияние не нужной в этот момент информации.

Подобные очки будут очень полезны также в биоме­дицинскихисследованиях работы оператора, связанной с восприятием большого количествазрительной инфор­мации. В результате таких исследований можно выявить скоростьреакции оператора на зрительные сигналы, оп­ределить наиболее трудные иутомительные этапы в его работе и в конечном итоге найти способ оптимальнойорганизации его работы. Последнее значит определить на­илучший способрасположения панелей приборов, тип индикаторов приборов, цвет и характерсигналов различ­ной степени важности.

Фильтры подобного типа и индикаторы на жидких кристаллах,несомненно, найдут (и уже находят) широкое применение в кино-, фотоаппаратуре.В этих целях они привлекательны тем, что для управления ими требуется ничтожноеколичество энергии, а в ряде случаев позво­ляют исключить из аппаратуры детали,совершающие механические движения. А как известно, механические системы частооказываются наиболее громоздкими и не­надежными.

Какие механические детали кино-, фотоаппаратуры имеются ввиду? Это прежде всего диафрагмы, фильт­ры — ослабители светового потока,наконец, прерывате­ли светового потока в киносъемочной камере, синхрони­зованныес перемещением фотопленки и обеспечиваю­щие покадровое ее экспонирование.

Принципы устройства таких ЖК-элементов ясны из предыдущего. Вкачестве прерывателей и фильтров-ос­лабителей естественно использоватьЖК-ячейки, в кото­рых под действием электрического сигнала изменяетсяпропускание света по всей их площади. Для диафрагм без механических частей—системыячеек в виде кон­центрических колец, которых могут под действием элек­трическогосигнала изменять площадь пропускающего свет прозрачного окна. Следует такжеотметить, что сло­истые структуры, содержащие жидкий кристалл и фото­полупроводник,т. е. элементы типа управляемых оп­тических транспарантов, могут бытьиспользованы не только в качестве индикаторов, например, экспозиции, но и дляавтоматической установки диафрагмы в кино-, фотоаппаратуре.

При всей принципиальной простоте обсуждаемых устройств ихширокое внедрение в массовую продукцию зависит от ряда технологическихвопросов, связанных с обеспечением длительного срока работы ЖК-элемен-тов, ихработы в широком температурном интервале, на­конец, конкуренции с традиционнымии устоявшимися техническими решениями и т. д. Однако решение всех этих проблем— это только вопрос времени, и скоро, на­верное, трудно будет себе представитьсовершенный фо­тоаппарат, не содержащий ЖК-устройства.

1. В. де Же. Физические свойства жидкокристаллических веществ. 

2. П. де Жен «Физика жидких кристаллов», 

3. С.Чандрасекар «Жидкие кристаллы».

4. Ландау Л.Д., Лифшиц Б.М.Теоретическая физика. Т.5. Статистическая    физика. 

5. Гросберг А.Ю., Хохлов А.Р. Статистическая физика макромолекул М.: 

www.ronl.ru

Доклад - Жидкие кристаллы - Химия

/>/>/>/>/>Саратовский ГосударственныйУниверситет имени Н.Г. Чернышевского

РЕФЕРАТ

Жидкиекристаллы.

Выполнила: студентка химического факультета, 3 курса, 312 группы,

Любименко Н.А.

Проверил: Ракитин С.А.

Саратов 2002

Содержание.

Введение

1.История открытия жидких кристаллов

2.Молекулярное строение и структура жидких кристаллов.

2.1. Термотропные жидкие кристаллы

2.2. Лиотропные жидкие кристаллы

3.Анизотропия физических свойств — основная особенность жидких кристаллов.

4. Как управлять жидкими кристаллами

5. Как управлять холестерической спиралью

Заключение

Введение

Необычное сочетание слов«жидкие кристаллы», вероятно, многим уже знакомо, хотя далеко не всесебе представляют, что же стоит за этим странным и, казалось бы противоречивымпонятием. Эти удивительные вещества удачно сочетают в себе анизотропныесвойства кристаллов и текучие свойства жидкостей.

В то же время, вероятно,каждый второй(ну, может быть третий!) человек носит при себе жидкокристаллические(ЖК)индикаторы и по несколько десятков раз в день посматривает на свои электронныечасы. ЖК-циферблат которых аккуратно отсчитывает часы, минуты, секунды, аиногда и доли секунд. Именно ЖК-индикаторы являются основой современныхкалькуляторов, портативных компьютеров «Notebooks», миниатюрныхплоских экранов телевизоров, словарей-переводчиков, пейджеров и многих другихсовременных электронных  технических и бытовых приборов и устройств.

Мировое производствоЖК-индикаторов и дисплеев исчисляется миллиардами и, по прогнозам будетувеличиваться и дальше. Уже сейчас без преувеличения можно сказать, чтопрогресс и развитие ряда отраслей науки и техники немыслимы без развитияисследований в области жидких кристаллов. Не меньший интерес представляют собойжидкие кристаллы с точки зрения биологии и  процессов жизнедеятельности.Функционирование клеточных мембран и ДНК, передача нервных импульсов, работамышц, формирование аттеросклеротических бляшек — вот далеко неполный переченьпроцессов, протекающих в ЖК-фазе, с присущими этой фазе особенностями —склонностью к самоорганизации и сохранении высокой молекулярной подвижности.

1. История открытияжидких кристаллов.

Со времени открытияжидких кристаллов прошло более 100 лет. Впервые их обнаружил австрийскийботаник Фридрих Рейнитцер, наблюдая две точки плавления сложного эфирахолестерина — холестерилбензоата (рис.1).

/>

Рис.1

ПервоеЖК-соединение — холестерилбензоат и диаграмма, иллюстрирующая температурнуюобласть существования ЖК-фазы.

При температуре плавления(Tпл), 1450C, кристаллическое вещество превращалось вмутную, сильно рассеивающую свет жидкость, которая при 1790Cстановилась прозрачной. В отличии от точки плавления температуру, при которойпроисходило просветление образца, Рейнитцер назвал точкой просветления (Tпр).Пораженный этим необычайным явление, свидетельствующим как будто о двойномплавлении, Рейнитцер отправил свои препараты немецкому кристаллографу ОттоЛеману с просьбой помочь разобраться в странном поведении холестерилбенозоата.Исследуя их при помощи поляризационного микроскопа, Леман установил, что мутнаяфаза, наблюдаемая Рейнитцером, является анизатропной. Поскольку свойства анизотропииприсуще твердому кристаллу, а вещество в мутной фазе было жидким, Леман назвалего жидким кристаллом.

С тех пор вещества,способные в определенном температурном интервале выше точки плавления сочетатьодновременно свойства жидкостей (текучесть, способность к образованию капель) исвойства кристаллических тел (анизотропии), стали называться жидкимикристаллами или жидкокристаллическими. ЖК-вещества часто называют мезоморфными,а образуемую ими ЖК-фазу — мезофазой (от греч. «мезос» —промежуточный). Такое состояние является термодинамически стабильным фазовымсостоянием и по праву на ряду с твердым, жидким и газообразным можетрассматриваться как четвертое состояние вещества.

Однако понимание природыЖК-состояния веществ установление и исследование их структурной организацииприходит значительно позднее. Серьезное недоверие к самому факту существованиятаких необычных соединений в 20 — 30-х годах сменилось их активнымисследованием. Работы Д. Форлендера в Германии во многом способствовали синтезуновых ЖК-соединений. Достаточно сказать, что под его руководством быловыполнено 85 диссертаций по жидким кристаллам. Французский ученый Ж. Фридельпредложил первую классификацию жидких кристаллов, голландец С. Озеен и чех Х.Цохер создали теорию упругости, русские ученые В.К. Фредерикс и В.Н. Цветков вСССР в 30-х годах впервые исследовали поведение жидких кристаллов вэлектрических и магнитных полях. Однако то 60-х годов изучение жидкихкристаллов не представляло существенного практического интереса, и все научныеисследования имели достаточно ограниченный, чисто академический интерес.

Ситуация резко измениласьв середине 60-х годов, когда в связи с бурным развитием микроэлектроники имикроминиатюризации приборов потребовались вещества, способные отражать ипередавать информацию, потребляя при этом минимум энергии. И вот здесь напомощь пришли жидкие кристаллы, двойственный характер которых (анизотропиясвойств и высокая молекулярная подвижность) позволили создать управляемыевнешним электрическим полем быстродействующие и экономичные ЖК-индикаторы,являющиеся по существу основным элементом многомиллионной «армии»часов, калькуляторов, плоских экранов телевизоров и т. д.

Жидкокристллический бум,в свою очередь, стимулировал активную научную деятельность, созывалисьмеждународные симпозиумы и конференции по жидким кристаллам, организовывались школыдля молодых ученых, выпускались сборники и монографии.

Что же представляют собойэти необычные кристаллы и каковы особые свойства, сделавшие их сегодняпрактически незаменимыми?

2. Молекулярноестроение и структура жидких кристаллов.

Сейчас известно уже околосотни тысяч органических веществ, которые могут находиться в ЖК-состоянии, ичисло таких соединений непрерывно растет. Если первые десятилетия после открытия жидких кристаллов основными представителями этих соединений являлисьтолько вещества, состоящие из асимметрических молекул стержнеобразной формы, —так называемые каламитики (от греч. «каламис» — тростник), то впоследствии было обнаружено, что в ЖК-состояние могут переходить самыеразнообразные вещества, имеющие молекулы более сложной формы (диски, пластины идр.). Молекулы ЖК-соединений очень часто называют мезогенами, а группировки илифрагменты малеку, способствующие формированию ЖК-фазы, — мезогенными группами.В таблице 1 приведены примеры стержнеобразных мезогенов — каломитиков, а такжехимические формулы дискообразных (дискотики) и планкообразных мезогенов (санидики)(от греч. «санидис» — планка).

Как видно из таблицы 1,среди мезогенных групп чаще всего встречаются бензольные кольца, связанныенепосредственно друг с другом с помощью различных химических группировок(–CH=CH–, –CH=N–, –NH–CO и др.). Характерной особенностью всех ЖК-соединенийявляется асимметричная форма малеку, обеспечивающая анизотропию поляризуемостии тенденцию к расположению молекул преимущественно параллельно друг другу вдольих длинных (каламитики и санидики) и коротких (дискотики) осей.

Таблица 1.

Типичныепримеры химических соединений, образующих ЖК-фазу.

/>

2.1.Термотропныежидкие кристаллы

В зависимостиот характера расположения молекул согласно классификации, предложенной еще Фриделем, различают три основных типа структур ЖК-соединений: смектический,нематический и холестерический.Указанные типы структур относятся к так называемым термотропнымжидким кристаллам, образование которых осуществляется только при термическомвоздействии на вещество (нагревание илиохлаждение). На рис. 2 показаны схемы расположениястержне- и дискообразных молекулв трех перечисленных структурных модификацияхжидких кристаллов.

/>

Рис.2. Основные типы расположениястержне-образных (а-в)и дискообразных (г)молекул в жидких кристаллах:а — смектическая фаза,б — нематическая, в — холестерическая,г — дискотическая (n-директор).

Смектическийтип жидких кристаллов (смектики – от греч. слова«смегма» – мыло)  ближе всего к истинно кристаллическим телам. Молекулы располагаются в слоях, и их центры тяжести подвижны в двух измерениях (на смектическойплоскости). При этом длинные оси молекул в каждомслое могут располагаться как перпендикулярноплоскости слоя (ортогональные смектики), так и поднекоторым углом (наклонные смектики). Направление преимущественной ориентации осей молекул принято называть директором, который обычно обозначается вектором n(рис. 2, а).

Нематический тип жидких кристаллов (нематикиот греч. «нема» — нить) характеризуется наличием толькоодномерного ориентационного порядка длинных (каламитики) или коротких (дискотики)осей молекул (рис. 2 б и  г соответственно). При этом центры тяжести молекулрасположены в пространстве хаотично, что свидетельствует об отсутствиитрансляционного порядка.

Наиболеесложный тип упорядочения молекул жидких кристаллов холестерический(холестерики), образуемый хиральными(оптически активными) молекулами, содержащимиасимметрический атом углерода. Это означает, что такие молекулы являются зеркально-несимметричными в отличие от зеркально-симметричныхмолекул нематиков.  Впервые холестерическая мезофазанаблюдалась для производных холестерина, откуда ипроизошло ее название. Холестерики во многих отношениях подобны нематикам, в которых реализуется одномерный ориентационныйпорядок; они образуются также при добавлении небольших количеств хиральных соединений (1-2 мол. %) к нематикам. Как видно из рис. 2, в, в этом случаедополнительно реализуется спиральная закрученностьмолекул, и очень часто холестерик называют закрученнымнематиком.

Периодическаяспиральная структура холестериков определяет ихуникальную особенность — способность селективно отражать падающий свет,«работая» в этом случае как дифракционнаярешетка. При фиксированном угле отражения условияинтерференции выполняются только для лучей одного цвета, и слой (или пленка) холестерика кажется окрашенным в один цвет. Этот цветопределяется шагом спирали Р, который принормальном угле падения света простым образомсвязан с максимумом длины волны отраженного света lmax:

P= lmax / n,                                                                                                           (1)

где n —показатель преломления холестерика. Этот эффект избирательного отраженияпленкой холестерика света с определенной длиной волны получил названиеселективного отражения. В зависимости от величины шага спирали, которыйопределяется химической природой холестерика, максимум длины волны отраженногосвета может располагаться в видимой, а также в ИК-и УФ-областях спектра, определяя широкие областииспользования оптических свойств холестериков.

Любой из трехтипов мезофаз рассматривается обычно какнепрерывная анизотропная среда, где в небольших по размерам микрообьемах (их часто называют роями или доменами),состоящих, как правило, из 104-105молекул, молекулы ориентированы параллельно друг другу.

Теперьрассмотрим  макроскопическую структуру жидких кристаллов, которую чаще всегоназывают текстурой, понимая под этим совокупность структурных деталей образцажидкого кристалла, помешенного между двумя стеклами и исследуемого с помощьюоптического поляризационного микроскопа. Каждый тип жидкого кристалласамопроизвольно образует свои характерные текстуры, по которым их часто удаетсяидентифицировать. Как правило, текстуры жидких кристаллов настолько«фотогеничны», что их красивые микрофотографии часто помешают на обложках научных журналов и научно-популярных изданий.

/>

/>

/>

Рис.3 Типичные текстуры нематических(а), смектических(б) и холестерических (в)жидких кристаллов: а — шлирен, б — веерная, в — конфокальная текстуры.

Нематические жидкие кристаллыхарактеризуются так называемой шлирен-текстурой(рис. 3, а), представляющей собой систему тонких нитевидных линий и точек с нитеобразными черными«хвостами». Эти линии называют />дисклинациями (от греч.«клине» — наклон).Они представляют собой места резкого изменениянаправления ориентации длинных осей молекул.Характерной текстурой смектиков является веерная текстура, которая во многом напоминает кристаллыобычных твердых тел (рис. 3, б), что подчеркивает наибольшуюаналогию в структурной организации двумерно-упорядоченных смектиков итрехмерно-упорядоченных кристаллов. Неориентированные холестерики образуютконфокальную текстуру, которая состоит из отдельныхи связанных между собой сложных образований, называемых конфокальными доменами(рис. 3, в).

Важноотметить, что все рассмотренные текстуры чрезвычайно лабильны и легкоподвергаются структурным перестройкам под действием небольших внешнихвоздействий (механические напряжения, электрические поля, температура и др.).

2.2.Лиотропныежидкие кристаллы

В отличие от термотропных жидкихкристаллов лиотропные жидкие кристаллы образуются при растворении ряда амфифильных соединений в определенных растворителях иимеют, как правило, более сложную структуру, чем термотропныежидкие кристаллы. Амфифильные соединения состоят измолекул, содержащих гидрофильные и гидрофобные группы. Такие соединения широкораспространены в природе. Так, например, любая жирная кислота является амфифильной. Ее молекулы состоят из двух частей: полярной«головки» (СООН-группа) и углеводородного«хвоста» [СН3(СН2)n—].Подобные соединения при растворении в воде, как правило, образуют мицеллярные растворы, в которых полярные головкиторчат наружу, находясь в контакте с водой, ауглеводородные хвосты, контактируя друг с другом,смотрят вовнутрь. Такие мицеллы(рис. 4, а) и являются теми структурными элементами, из которых строятсялиотропные  жидкие кристаллы, формируя, например, цилиндрическую или ламеллярную формы (рис. 4, б, в)./>

/>

 Рис.4. Некоторые типылиотропных жидкокристаллических структур, образованные амфифильными молекулами в водных растворах: а — цилиндрическая мицелла, б — гексагональная упаковкацилиндрических мицелл, в — ламеллярныйсмектический жидкий кристалл; г — строение мембраны,состоящей из фосфолипидногодвойного слоя ( 1 ) имолекул белков (2).

В отличие от термотропных жидких кристаллов, где формированиеопределенного типа мезофазы определяется лишьтемпературой, в лиотропных системах тип структурной организации определяется уже двумя параметрами:концентрацией вещества и температурой. />Лиотропные жидкие кристаллы наиболее часто образуются биологическими системами,функционирующими в водных средах. Именно в этихсистемах в наиболее яркой форме проявляются уникальные особенности жидкихкристаллов, сочетающих лабильность с высокойсклонностью к самоорганизации. Ограничимся лишь одним примером, относящимся к клеткам и внутриклеточным органеллам, покрытым тонкими высокоупорядоченнымиоболочками — мембранами. Современные структурные исследования показывают, чтомембраны представляют собой типичные лиотропные ламеллярныелабильные ЖК-структуры, составленные из двойного слоя фосфолипидов,в котором «растворены» белки, полисахарилы,холестерин и другие жизненно важные компоненты (рис. 4, г). Такое анизотропное строениемембраны, с одной  стороны, позволяет защищать ее внутреннюю часть от нежелательных внешнихвоздействий, а с другой стороны, ее «жидкостной» характеробеспечивает высокие транспортные свойства (проницаемость,перенос ионов и др.), что придает клетке определяющуюроль в процессах жизнедеятельности.

3. Анизотропия физическихсвойств — основная особенность жидких кристаллов.

Посколькуосновным структурным признаком жидких кристалловявляется наличие ориентационного порядка,обусловленного анизотропной формой молекул, то естественно, что все их свойстватак или иначе определяются степенью ориентаци-ониогоупорядочения. Количественно степень упорядоченности жидкого кристаллаопределяется параметром порядка S, введенным В.И. Цветковым в 40-х годах:

S= 0,5 á( 3cos2q – 1)ñ                                                                                       (2)

где q — угол между осьюиндивидуальной молекулы жидкого кристалла ипреимущественным направлением всего ансамбля, определяемым директоромn (рис. 2) (угловые скобки означают усреднение повсем ориентациям молекул). Легко понять, что вполностью разупорядоченной изотропно-жидкой фазе S = 0, а в полностью твердомкристалле S = 1. Параметрпорядка жидкого кристалла лежит в пределах от 0 до 1. Именно существование ориентационного порядка обусловливает анизотропию всехфизических свойств жидких кристаллов. Так, анизотропная форма молекул каламитиков определяет появление двойного лучепреломления(Dn) и диэлектрической анизотропии (De), величины которых могутбыть выражены следующим образом:

Dn|| =  n|| – n^ и De|| = e|| – e^                                                                            (3)

где n||, n^/> и e||, e^ — показатели преломленияи диэлектрические постоянные соответственно, измеренные при параллельной иперпендикулярной ориентации длинных осей молекул относительно директора.Значения Dn для ЖК-соединений обычно весьма велики и меняются в широкихпределах в зависимости от их химического строения, достигая иногда величиныпорядка 0,3-0,4. Величина и знак De зависят от соотношениямежду анизотропией поляризуемости молекулы, величиной постоянного дипольного моментаm, а также от угла между направлением дипольного момента и длинноймолекулярной осью. Примеры двух ЖК-соединений, характеризующихся положительной и отрицательнойвеличиной De, приведены ниже:

/>

Нагреваниежидкого кристалла, понижая его ориентационныйпорядок, сопровождается монотонным снижением значений Dn и De, так что в точке исчезновения ЖК-фазыпри Тпр анизотропия свойств полностьюисчезает.

В то же времяименно анизотропия всех физических характеристик жидкого кристалла в сочетаниис низкой вязкостью этих соединений и позволяет с высокой легкостью и эффективностью осу/>ществлять ориентацию (ипереориентацию) их молекул под действием небольших«возмущающих» факторов (электрические имагнитные поля, механическое напряжение), существенно изменяя их структуру исвойства. Именно поэтому жидкие кристаллы оказалисьнезаменимыми электрооптически-активными средами, наоснове которых и было создано новое поколение так называемых ЖК-индикаторов.

4. Какуправлять жидкими кристаллами

Основойлюбого ЖК-индикатора является так называемая электрооптическая ячейка,устройство которой изображено на рис. 5. Две плоские стеклянные пластинки снанесенным на них прозрачным проводящим слоем изокиси олова или окиси индия, выполняющие роль электродов, разделяются тонкими прокладками из непроводяшего материала (полиэтилен, тефлон). Образовавшийся зазор между пластинками,который колеблется от 5 до 50 мкм (в зависимости отназначения ячейки), заполняется жидким кристаллом, и вся «сандвичевая» конструкция по периметру«запаивается» герметикой или другимизолирующим материалом (рис. 5). Полученная таким образом ячейка может бытьпомешена между двумя очень тонкими пленочными поляризаторами, плоскостиполяризации которых образуют определенный угол с целью наблюдения эффектов ориентации молекул под действием электрическогополя. Приложение к тонкому ЖК-слою даже небольшогоэлектрического напряжения (1,5—3 В) вследствие относительно низкой вязкости ивнутреннего трения анизотропной жидкости приводит к изменению ориентации жидкого кристалла. При этом важно подчеркнуть, чтоэлектрическое поле воздействует не на отдельные молекулы, а на ориентированныегруппы молекул (рои или домены), состоящие издесятков тысяч молекул, вследствие чего энергия электростатическоговзаимодействия значительно превышает энергию теплового движения молекул. Витоге жидкий кристалл стремится повернуться таким образом, чтобы направлениемаксимальной диэлектрической постоянной совпало с направлением электрического поля. А вследствие большой величиныдвулучепреломления Dn процесс ориентацииведет к резкому изменению структуры и оптическихсвойств жидкого кристалла.

Впервыевоздействие электрических и магнитных полей на жидкие кристаллы былоисследовано русским физиком В.К. Фредериксом, и процессы их ориентации получилиназвание электрооптических переходов (или эффектов) фредерикса.Один из трех, наиболее часто встречающихся вариантов ориентации молекул показанна рис. 5. а. Это планарнаяориентация, которая характерна для нематиков с отрицательной диэлектрической анизотропией (De <0), когда длинные оси молекул параллельны стеклянным поверхностям ячейки.

 />

Рис.5. Электрооптическая ячейка типа «сандвич» с планарнойориентацией молекул (а) и схемы расположения молекул жидких кристаллов вячейке: б — гомеотропная и в — твист-ориентация. 1 — слой жидкого кристалла. 2 — стеклянные пластинки, 3 — токопроводящий слой, 4 — диэлектрическая прокладка, 5 — поляризатор, 6 — источник электрического напряжения.

Гомеотропная ориентация реализуется для жидких кристаллов с положительнойдиэлектрической анизотропией (De >0) (рис. 5, б). В этом случае длинные оси молекул с продольным дипольным моментом располагаются вдоль направленияполя перпендикулярно поверхности ячейки. И наконец,возможна твист- или закрученная ориентация молекул (рис. 5, в). Такаяориентация достигается спе/>циальной обработкойстеклянных пластинок, при которой длинные осимолекул поворачиваются в направлении от нижнего кверхнему стеклу электрооптической ячейки. Обычно это достигается натираниемстекол в разных направлениях или использованием специальных веществ-ориентантов, задающих направление ориентации молекул.

В основедействия любого ЖК-индикатора лежат структурныеперестройки между указанными типами ориентациимолекул, которые индуцируются при приложении слабого электрического поля.Рассмотрим, например, как работает ЖК-циферблатэлектронных часов. Основу циферблата составляет уже знакомая нам электрооптическая ячейка, правда несколько дополненная(рис. 6, а, б). Помимо стекол с напыленнымиэлектродами, двух поляризаторов,плоскости поляризации которых противоположны, но совпадают с направлением длинных осей молекул у электродов, добавляетсяеще располагаюшееся под нижним поляризаторомзеркало (на рисунке не показано). Нижний электрод обычно делают сплошным, аверхний — фигурным, состоящим из семи небольшихсегментов-электродов, с помощью которых можноизобразить любую цифру или букву (рис. 6, в).Каждый такой сегмент «питается» электричеством и включается согласнозаданной программе от миниатюрногогенератора. Исходнаяориентация нематика закрученная, то есть мы имеемтак называемую твист-ориентацию молекул (см. рис. 5, в и 6, а). Свет падает на верхний поляризатор и становится плоскополяризованным в соответствии с его поляризацией.

/>

Рис.6 Схема работы ЖК-индикатора на твист-эффекте: а — до включения электрическогополя, б — после включения поля, в — семисегментной буквенно-цифровой электрод,управляемый электрическим полем.

Приотсутствии электрического поля (то есть в выключенном состоянии) свет,«следуя» твист-ориентации нематика, меняет свое направление всоответствии с оптической осью нематика и на выходе будет иметь то же направление поляризации, что и нижнийполяризатор (см. рис. 6, а). Другими словами, светотразится от зеркала, и мы увидим светлый фон. При включении электрическогополя для нематического жидкого кристалла сположительной диэлектрической анизотропией (De > 0) произойдетпереход от закрученной твист-ориентации к гомеотропной ориентации молекул, то есть длинные оси молекул повернутсяв направлении, перпендикулярном к электродам, испиральная структура разрушится (рис. 6, б). Теперь свет, не изменивнаправления исходной поляризации, совпадающей с поляризацией верхнего поляризатора,будет иметь направление поляризации, противоположное нижнему поляроиду, а они,как видно на рис. 6, б, находятся в скрещенном положении. В этом случае свет недойдет до зеркала, и мы увидим темный фон. Другими словами, включая поле, можнорисовать любые темные символы (буквы, цифры) насветлом фоне, используя, например, простуюсемисегментную систему электродов (рис. 6, в).

Таков принципдействия любого ЖК-индикатора. Основнымипреимуществами этих индикаторов являются низкие управляющие напряжения (1,5-5 В), малые потребляемые мощности(1—10 мкВт), высокая контрастность изображения,легкость встраивания в любые электронные схемы, надежность в работе и относительнаядешевизна.

5. Какуправлять холестерической спиралью

Средирассмотренных типов жидких кристаллов, пожалуй, наиболее экзотическимиоптическими свойствами обладают холестерики.Необычайно тонко организованная спиральная структура холестерическихжидких кристаллов (см. рис. 2, в) чрезвычайно чувствительнак самым различным внешним воздействиям. Изменяя температуру, давление,прикладывая электромагнитные поля и механические напряжения, можно существеннымобразом менять шагхолестерической спирали, а всоответствии с уравнением (1) легко менять цвет холестерика. Огромная чувствительность этихсоединений, позволяющая «пробегать» всецвета спектра в интервале 0,01 -0,001 °С. показывает, какие необыкновенныевозможности открывает использование этих веществ вкачестве высокоэффективных термоиндикаторов.

У большинствахолестериков с ростом температуры шаг спиралиуменьшается, а следовательно, уменьшается и длинаволны селективно отраженного света lmax (рис. 7). Иными словами,каждой из указанных на рис. 7 температур — Т0,Т1, Т2 и Т3 —  соответствует свой цвет. Таким образом, нанося холестерическиежидкие кристаллы на поверхности различных объектов,можно получать топографию распределения температуры, что делает их незаменимымитермоиндикаторами и визуализаторами для различногорода применений в технике и медицине. Вводя холестерики в полимерные пленки, тоесть получая так называемые капсулирован-ные жидкиекристаллы, можно создавать весьма удобные в обращении пленочные материалы,которые можно использовать в качестве термометров, а также для визуализации и «фотографирования» тепловых полей.

/>

Рис. 7

Температурная зависимость длины волны селективного отражения света lmaxслоя холестерического жидкого кристалла — холестерилпеларгоната.

В последниегоды разрабатываются смеси холестерических жидкихкристаллов, резко изменяющие цвет (а следовательно, и шаг спирали) поддействием малых, но опасных концентраций вредных паров различных химическихсоединений. Такие ЖК-индикаторы могут за очень короткое время (1-2 мин) менять цветовуюокраску при превышении допустимой концентрации вредных паров, выполняя таким образом рольсвоеобразных химических датчиков.

Одним извнешних факторов, с помощью которого можно управлять шагом холестерической спирали, может служить электрическоеили магнитное поле. При приложении поля холестерическаяспираль начинает постепенно раскручиваться, при этом шаг спирали увеличивается,четко «отслеживая» величину поданного напряжения. А это означает, чтоможно непрерывно управлять и цветом холестерическогослоя жидкого кристалла. При некотором так называемом критическом напряженииполя спираль можно полностью раскрутить, превратив таким образом холестерический жидкий кристалл а нематический (один из видов эффекта Фредерикса). Процесс раскрутки спирали в настоящее время активно исследуется с целью использования в цветных плоских экранах с электронной системой управления.

Заключение

Итак, жидкиекристаллы обладают двойственными свойствами, сочетая в себе свойство жидкостей(текучесть)и свойство кристаллических тел (анизотропию). Их поведение не всегда удаетсяописать с помощью привычных методов и понятий. Но именно в этом и заключена ихпривлекательность для исследователей, стремящихсяпознать еще неизведанное.

Недавнооткрыты и интенсивно исследуются жидкокристаллическиеполимеры, появились полимерные ЖК-сегнетоэлектрики,идет активное исследование гибкоцепныхэлементоорганических и металлсодержащих ЖК-соединений, образующих новые типы мезофаз. Мир жидких кристалловбесконечно велик и охватывает широчайший круг природныхи синтетических объектов, привлекая внимание не только ученых — физиков, химиков и биологов, но иисследователей-практиков, работающих в самых разнообразных отраслях современной техники (электронике, оптоэлектронике,информатике, голографиии т. п.).

Списоклитературы:

1. Шибаев В.П. Необычные кристаллы или загадочные жидкости //Соросовский Образовательный Журнал. 1996. N11. С.37-46.

2. Чандрасекар С. Жидкие кристаллы — М.: Мир, 1980 с.344

3. Титов В.В., Севостьянов В.П., Кузьмин Н.Г., Семенов А.М.Жидкокристаллические дисплеи: строение, синтез, свойства жидких кристаллов. — Минск: Изд-во НПООО «Микровидеосистемы», 1998 с.238

www.ronl.ru

Курсовая работа - Жидкие кристаллы

Сенсация года. Некоторое время тому назад необыч­ной популярностью в США пользоваласьновинка юве­лирного производства, получившая название «перстень настроения». Загод было продано 50 миллионов таких перстней, т. е. практически каждая взрослая женщина имела этоювелирное изделие. Что же привлекло внима­ние любителибижутерии к этому перстню? Оказывается, он обладал совершенно мистическимсвойством реагиро­вать на настроение его владельца.Реакция состояла в том, что цвет камешка перстня следовал за настроением вла­дельца,пробегая все цвета радуги от красного до фио­летового. Вот это сочетаниетаинственного свойства уга­дывать настроение, декоративность перстня, обеспечи­ваемаяяркой и меняющейся окраской камешка, плюс низкая цена и обеспечили успех перстнюнастроения.

Пожалуй, именно тогда впервые широкие массы стол­кнулись сзагадочным термином «жидкие кристаллы». Ни­чего толком не было известно,говорилось, только, что камешек перстня сделан на жидком кристалле. Для чита­теля,который знаком с жидкими кристаллами, нужно сде­лать уточнение — на холестерическом жидком кристалле, а секрет перстнянастроения связан с его удивительными оптическими свойствами.

Зачем нужны Жидкие кристаллы. Все чаще на страницах научных, а последнее время инаучно-популярных журналов появ­ляется термин «жидкие кристаллы» (ваббревиатуре ЖК) и статьи, посвященные жидким кристаллам. В повседневной жизни мы сталкиваемся с часами,термометра­ми на жидких кристаллах. В наше время наука стала производительнойсилой, и поэтому, как правило, повышенный научный интерес к тому или иномуявлению или объекту означает, что это явление или объект представляет интересдля материаль­ного производства.  В этом отношениине являются ис­ключением и жидкие кристаллы. Интерес к ним прежде всего обусловленвозможностями их эффективного при­менения в ряде отраслей производственнойдеятельно­сти. Внедрение жидких кристаллов означает экономиче­скуюэффективность, простоту, удобство.

Жидкий кристалл — это специфическое агрегатное со­стояниевещества, в котором оно проявляет одновре­менно свойства кристалла и жидкости.Сразу надо огово­риться, что далеко не все вещества могут находиться вжидкокристаллическом состоянии. Большинство веществ может находиться только втрех, всем хорошо известных агрегатных состояниях: твердом или кристаллическом,жидком и газообразном.   Оказывается,   некоторые органические вещества,обладающие сложными молеку­лами, кроме трех названных состояний, могут образовы­ватьчетвертое агрегатное состояние — жидкокристалли­ческое.  Это состояниеосуществляется при плавлении кристаллов некоторых веществ. При их плавленииобра­зуется жидкокристаллическая фаза, отличающаяся от обычных жидкостей. Эта фаза существует в интервале оттемпературы плавления кристалла до некоторой более высокой температуры, принагреве до которой жидкий кристалл переходит в обычную жидкость. Чем же жидкийкристалл  отличается от жидкости и обычного кристалла и чем похож на них?Подобно обычной жидкости, жидкий кристалл обладаеттекучестью и принимает форму сосуда, в который он помещен. Этим он отличаетсяот известных всем кристаллов. Однако несмотря на это свойство, объединяющее егос жид­костью, он обладает свойством, характерным для кри­сталлов. Это —упорядочение в пространстве молекул, образующих кристалл. Правда, этоупорядочение не та­кое полное, как в обычных кристаллах, но тем не менее оносущественно влияет на свойства жидких кристаллов, чем и отличает их от обычныхжидкостей. Неполное про­странственное упорядочение молекул, образующих жид­кийкристалл, проявляется в том, что в жидких кристал­лах нет полного порядка впространственном располо­жении центров тяжести молекул, хотя частичный порядокможет быть. Это означает, что у них нет жесткой кри­сталлической решетки.Поэтому жидкие кристаллы, по­добно обычным жидкостям, обладают свойством текуче­сти.

Обязательным свойством жидких кристаллов, сбли­жающим их собычными кристаллами, является наличие порядка» пространственной ориентациимолекул. Такой порядок в ориентации может проявляться, например, в том, что вседлинные оси молекул в жидкокристалличе­ском образце ориентированы одинаково.

В зависимости от вида упорядочения осей молекул жидкиекристаллы разделяются на три разновидности: нематические, смектические и холестерические.

Немного истории. Как были обнаружены не­обычные свойства жидкихкристаллов? Вероятно, исследователи уже очень давно стал­кивались сжидкокристаллическим состоянием, но не от­давали себе в этом отчета. Тем неменее существование жидких кристаллов было установлено очень давно, почти столетиетому назад, а именно в 1888 году.

Первым, кто обнаружил жидкие кристаллы, был авст­рийскийученый-ботаник Рейнитцер. Исследуя новое син­тезированное им вещество холестерилбензоат,он обна­ружил, что при температуре 145° С кристаллыэтого ве­щества плавятся, образуя мутную сильно рассеивающую свет жидкость. Припродолжении нагрева по достижении температуры 179°С жидкость просветляется, т. е. начина­ет вести себя в оптическом отношении, как обычная жидкость, например вода. Неожиданныесвойства холестерилбензоата обнаружились в мутнойфазе. Рассматри­вая эту фазу под поляризационным микроскопом, Рей­нитцеробнаружил, что она обладает двупреломлением. Это означает, что показательпреломления света, т. е. скорость света в этой фазе, зависит от поляризации.

Явление двупреломления—это типично кристалличе­ский эффект,состоящий в том, что скорость света в кри­сталле зависит от ориентацииплоскости поляризации света. Существенно, что она достигает экстремальногомаксимального и минимального значений для двух вза­имно ортогональныхориентаций плоскости поляризации. Разумеется, ориентации поляризации,соответствующие экстремальным значениям скорости свете в кристалле,определяются анизотропией свойств кристалла и одно­значно задаются ориентациейкристаллических осей отно­сительно направления распространения света.

Поэтому сказанное поясняет, что существование дву­преломленияв жидкости, которая должна быть изотроп­ной, т. е. что ее свойства должны бытьнезависящими от направления, представлялось парадоксальным. Наиболееправдоподобным в то время могло казаться наличие в мутной фазе нерасплавившихсямалых частичек кристалла, кристаллитов, которые и являлись источникомдвупреломления. Однако более детальные исследования, к которым Рейнитцерпривлек известного немецкого фи­зика Лемана, показали, что мутная фаза неявляется двух­фазной системой, т. е. не содержит в обычной жидкостикристаллических включений, а является новым фазовым состоянием вещества. Этомуфазовому состоянию Леман дал название «жидкий кристалл» в связи с одновре­меннопроявляемыми им свойствами жидкости и кристал­ла. Употребляется также и другойтермин для названия жидких кристаллов. Это — «мезофаза», что буквально означает«промежуточная фаза».

В то время существование жидких кристаллов пред­ставлялоськаким-то курьезом, и никто не мог предполо­жить, что их ожидает почти через столет большое буду­щее в технических приложениях. Поэтому после некото­рогоинтереса к жидким кристаллам сразу после их от­крытия о них через некотороевремя практически за­были.

В конце девятнадцатого — начале двадцатого века многие оченьавторитетные ученые весьма скептически относились к открытию Рейнитцера иЛемана. Дело в том, что не только описанные противоречивые свойства жидких кри­сталловпредставлялись многим авторитетам весьма со­мнительными, но и в том, чтосвойства различных жидко­кристаллических веществ (соединений, обладавших жид­кокристаллическойфазой) оказывались существенно раз­личными. Так, одни жидкие кристаллы обладалиочень большой вязкостью, у других вязкость была невелика. Одни жидкие кристаллыпроявляли с изменением тем­пературы резкое изменение окраски, так что их цветпробегал все тона радуги, другие жидкие кристаллы та­кого резкого измененияокраски не проявляли. Наконец, внешний вид образцов, или, как принято говорить,тек­стура,  различных жидких кристаллов при рассматрива­нии их под микроскопомоказывался совсем различным. В одном случае в поле поляризационного микроскопамогли 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?

Время шло, факты о жидких кристаллах постепеннонакапливались, но не было общего принципа, который позволил бы установитькакую-то систему в представле­ниях о жидких кристаллах. Как говорят, насталовремя для классификации предмета исследований. Заслуга в создании основсовременной классификации жидких кри­сталлов принадлежит французскому ученомуЖ. Фриделю. В двадцатые годы Фридель предложил разделить все жидкие кристаллына две большие группы. Одну группу жидких кристаллов Фридель назвалнематическими, дру­гую смектическими. Он же пред­ложил общий термин для жидкихкристаллов — «мезоморфная фаза». Этот термин происходит от греческого слова«мезос» (промежуточный), а вводя его, Фридель хотел подчеркнуть, что жидкиекристаллы занимают про­межуточное положение между истинными кристаллами ижидкостями как по температуре, так и по своим физи­ческим свойствам.Нематические жидкие кристаллы в классификации Фриделя включали ужеупоминавшиеся выше холестерические жидкие кристаллы как />подкласс.

Самые “кристаллические” среди жидких кристаллов — смекатические. Для смекатических кристаллов характерна двумернаяупорядоченность. Молекулы размещаются так, чтобы их оси были параллельны. Болеетого, они “понимают” команду “равняйся” и размещаются в стройных рядах,упакованных на смекатических плоскостях, и в шеренгах — на нематических, чтопоясняет рис. 1а. Смекатическим жидким кристаллам свойственно многое из того, очем пойдет речь ниже, и нечто особенное — долговременная память. Записав,например, изображение на такой кристалл, можно затем долго любоваться “произведением”.Однако эта особенность смекатических кристаллов для воспроизводящих элементовиндикационных устройств, телевизоров и дисплеев не слишком удобна. Тем неменее, они находят применение в промышленности, к примеру, в индикаторахдавления.

Упорядоченность нематических сред ниже, чем у смекатических.Молекулам дозволено смещаться относительно длинных осей, поэтомуупорядоченность становится “односторонней”, а реакция на внешнее воздействиеотносительно быстрой, память — короткой. Смекатические плоскости отсутствуют, авот нематические сохраняются. Эту особенность нематиков поясняет рис. 1б.

Термин “холестерические жидкие кристаллы” не случаен,поскольку наиболее характерным и на практике самым используемым кристалломэтого класса является холестерин. Молекулы холестерина и аналогов размещаются внематических плоскостях. Особенность молекул холестерического типа в том, чтопри достаточно сильном боковом притяжении их вершины отталкиваются. Холестерин- доступный и достаточно дешевый материал, сырьем для которого богата любаяскотобойня. Очень сложные жидкокристаллические структуры образуют растворы мылав воде. Здесь можно получить слоистые, дисковые и даже шарообразные структуры.Словом, выбор материала широк.

В достаточно больших объемах кристаллической жидкостиобразуются домены, физические свойства которых подобны кристаллам. Однако вцелом она проявляет свойства, подобные обычным жидкостям. Доменная структуражидких кристаллов образуется по тем же причинам и законам, что всегнтоэлектриках и ферромагнетиках. Ситуация резко меняется в пленках, толщинакоторых сопоставима с радиусом взаимодействия молекул жидкости и пластин,формирующих слой. Это важно подчеркнуть, поскольку именно взаимодействиежидкого кристалла и формообразующих элементов создает тот легко управляемыйприбор, который столь активно встраивается в современную электронную технику.

Нематики.  Кристаллы некоторых органическихвеществ при нагревании, прежде чем расплавиться и перейти в обыч­ную жидкость,проходят при повышении температуры че­рез стадию жидкокристаллической фазы. Какмы увидим ниже, жидкокристаллических фаз может быть у одного и того жесоединения несколько. Но сначала для того, что­бы не осложнять знакомство сжидкокристаллической фазой несущественными здесь подробностями, рассмот­римнаиболее простую ситуацию, когда соединение обла­дает однойжидкокристаллической фазой. В этом случае процесс плавления кристалла идет в.две стадии) Сначала при повышении температуры кристалл испытывает «пер­воеплавление», переходя в мутный расплав. Затем при дальнейшем нагреве  до вполнеопределенной темпе­ратуры происходит «просветление» расплава. «Просвет­ленныйрасплав» обладает всеми свойствами жидкостей. Мутный расплав, который ипредставляет собой жидко' кристаллическую фазу, по своим свойствам существенноотличается от жидкостей, хотя обладает наиболее харак­терным свойством жидкости— текучестью. Наиболее рез­кое отличие жидкокристаллической фазы от жидкостипроявляется в оптических свойствах. Жидкий кристалл, обладая текучестью жидкости,проявляет оптические свойства всем нам знакомых обычных кристаллов)

Чтобы схематично представить себе устройство нематика, удобно образующие его молекулы представить в виде палочек. Для такойидеализации есть физические основания. Молекулы, образующие жидкие кристаллы,как уже говорилось, представляют собой типичные для многих органических веществобразования со сравни­тельно большим молекулярным весом, протяженности которыхв одном направлении в 2—3 раза больше, чем в поперечном. Можно считать, что направлениевведенных нами палочек совпадает с длинными осями мо­лекул. При введенной намиидеализации структуру нема­тика следует представлять как «жидкость одинаковоори­ентированных палочек». Это означает, что центры тяже­сти палочекрасположены и движутся хаотически, как в жидкости, а ориентация при этомостается у всех палочек  одинаковой и неизменной.

Напомним, что в обычной жидкости не только центры тяжестимолекул движутся хаотически, но и ориентации выделенных направлений молекулсовершенно случайны и не скоррелированны между собой.

Упругость жидкого кристалла. Выше в основном го­ворилось онаблюдениях, связанных с проявлением не­обычных оптических свойств жидкихкристаллов. Первым исследователям бросались в глаза, естественно, свойства,наиболее доступные наблюдению. А такими свойствами как раз и были оптическиесвойства. Техника оптическо­го эксперимента уже в девятнадцатом веке достиглавы­сокого уровня, а, например, микроскоп, даже поляриза­ционный, т. е.позволявший освещать объект исследова­ния поляризованным светом и анализироватьполяриза­цию прошедшего света, был вполне доступным прибо­ром для многихлабораторий.

Оптические наблюдения дали значительное количест­во фактов освойствах жидкокристаллической фазы, ко­торые необходимо было понять и описать.Одним из первых достижений в описании свойств жидких кристал­лов, как ужеупоминалось во введении, было создание теории упругости жидких кристаллов. Всовременной форме она была в основном сформулирована английским ученым Ф.Франком в пятидесятые годы.

Постараемся проследить за ходом мысли и аргумен­тамисоздателей теории упругости ЖК. Рассуждения бы­ли (или могли быть)приблизительно такими. Установле­но, что в жидком кристалле, конкретнонематике, сущест­вует корреляция (выстраивание) направлений ориента­ции длинныхосей молекул. Это должно означать, что ес­ли по какой-то причине произошлонебольшое наруше­ние в согласованной ориентации молекул в соседних точ­кахнематика, то возникнут силы, которые будут старать­ся восстановить порядок, т.е. согласованную ориентацию молекул. Конечно, исходной, микроскопической,причиной таких возвращающих сил является взаимодей­ствие между собой отдельныхмолекул.

Для кристаллов существует хорошо развитая теория упругости.Все знают, что деформация твер­дого тела прямо пропорциональна приложенной силеи обратно пропорциональна модулю упругости К. Возника­ет мысль, если оптическиесвойства жидких кристаллов подобны свойствам обычных кристаллов, то, можетбыть, жидкий кристалл, подобно обычному кристаллу, облада­ет и упругимисвойствами. Вспомните, что жидкий кри­сталл течет, как обычная жидкость. Ажидкость не прояв­ляет свойств упругости, за исключением упругости по от­ношениюк всестороннему сжатию, и поэтому для нее модуль упругости по отношению кобычным деформаци­ям строго равен нулю. Казалось бы, налицо парадокс. Но егоразрешение в том, что жидкий кристалл — это не обычная, а анизотропнаяжидкость, т. е. жидкость, «.свойства  которой различны в различныхнаправлениях.

Таким образом, построение теории упругости для жидкихкристаллов было не таким уж простым делом и нельзя было теорию, развитую длякристаллов, непо­средственно применить к жидким кристаллам.

Теория упругости жидких кристаллов, описывающая их каксплошную среду, т. е. претендую­щая только на описание свойств ЖК, усредненныхпо расстояниям больше межмолекулярных, приводит к вы­воду, что минимальнаяэнергия жидкого кристалла соот­ветствует отсутствию деформаций в нем.

Известно, какой популярностью у молодежи пользу­ютсяразличные электронные игры, обычно устанавлива­емые в специальной комнатеаттракционов в местах об­щественного отдыха или фойе кинотеатров. Успехи вразработке матричных жидкокристаллических дисплеев сделали возможным создание имассовое производство подобных игр в миниатюрном, так сказать, карманном ис­полнении.Например, всем хорошо знакома игра «Ну, погоди!», ос­военная отечественнойпромышленностью. Габариты этой игры, как у записной книжки, а основным ее эле­ментомявляется жидкокристаллический матричный дис­плей, на котором высвечиваютсяизображения волка, зай­ца, кур и катящихся по желобам яичек. Задача играюще­го,нажимая кнопки управления, заставить волка, пере­мещаясь от желоба к желобу,ловить скатывающиеся с желобов яички в корзину, чтобы не дать им упасть наземлю и разбиться. Здесь же отметим, что, помимо раз­влекательного назначения,эта игрушка выполняет роль часов и будильника, т. е. в другом режиме работы надисплее «высвечивается» время и может подаваться зву­ковой сигнал в требуемыймомент времени.

Еще один впечатляющий пример эффективности со­юза матричныхдисплеев на жидких кристаллах и микро­электронной техники дают современныеэлектронные словари, которые начали выпускать в Японии. Они пред­ставляют собойминиатюрные вычислительные машинки размером с обычный карманныймикрокалькулятор, в память которых введены слова на двух (или больше) языках икоторые снабжены матричным дисплеем и кла­виатурой с алфавитом. Набирая наклавиатуре слово на одном языке, вы моментально получаете на дисплее егоперевод на другой язык. Представьте себе, как улучшит­ся и облегчится процессобучения иностранным язы­кам в школе и в вузе, если каждый учащийся будет снаб­женподобным словарем) А наблюдая, как быстро изде­лия микроэлектроники внедряютсяв нашу жизнь, можно с уверенностью сказать, что такое время не за горами) Легкопредставить и пути дальнейшего совершенствова­ния таких словарей-переводчиков:переводится не одно слово, а целое предложение. Кроме того, перевод мо­жет бытьи озвучен. Словом, внедрение таких словарей-переводчиков сулит революцию визучении языков и технике перевода.

Жидкие кристаллы сегодня и завтра. Многие оптиче­ские эффекты в жидкихкристаллах, о которых рассказы­валось выше, уже освоены техникой и используютсяв изделиях массового производства. Например, всем из­вестны часы с индикаторомна жидких кристаллах, но не все еще знают, что те же жидкие кристаллы использу­ютсядля производства наручных часов, в которые встро­ен калькулятор. Тут уже дажегрудно сказать, как на­звать такое устройство, то ли часы, то ли компьютер. Ноэто уже освоенные промышленностью изделия, хотя всего десятилетия назадподобное казалось нереальным. Перспективы же будущих массовых и эффективных при­мененийжидких кристаллов еще более удивительны. По­этому стоит рассказать о несколькихтехнических идеях применения жидких кристаллов, которые пока что нереализованы, но, возможно, в ближайшие несколько лет послужат основой созданияустройств, которые станут для нас такими же привычными, какими, скажем, сейчасявляются транзисторные приемники.

Оптический микрофон. В системах оптической обработкиинформации и связи возникает необходимость преобразовывать не только световыесигналы в световые, но и другие самые разнообразные воздействия в световыесигналы. Такими воздействиями могут быть давление, звук, температура,деформация и т. д. И вот для преобразования этих воз­действий в оптическийсигнал жидкокристаллические ус­тройства оказываются опять-таки очень удобными ипер­спективными элементами оптических систем.

Конечно, существует масса методов преобразовыватьперечисленные воздействия в оптические сигналы, одна­ко подавляющее большинствоэтих методов связано сна­чала с преобразованием воздействия в электрическийсигнал, с помощью которого затем можно управлять световым потоком. Такимобразом, методы эти двусту­пенчатые и, следовательно, не такие уж простые и эко­номичныев реализации. Преимущество применения в этих целях жидких кристаллов состоит втом, что с их помощью самые разнообразные воздействия можно не­посредственнопереводить в оптический сигнал, что уст­раняет промежуточное звено в цепивоздействие—све­товой сигнал, а значит, вносит принципиальное упроще­ние вуправление световым потоком. Другое достоинст­во ЖК-элементов в том, что онилегко совместимы с уз­лами волоконно-оптических устройств.

Чтобы проиллюстрировать возможности с помощью ЖК управлятьсветовыми сигналами, расскажем о прин­ципе работы «оптического микрофона» на ЖК—устрой­ства,предложенного для непосредственного перевода акустического сигнала воптический.

Принципиальная схема устройства оптического мик­рофона оченьпроста. Его активный элемент представляет собой ориентированный слой нематика.Звуковые коле бания создают периодические во времени деформации слоя, вызывающиетакже переориентации молекул и модуляцию поляризации (интенсивности)проходящего поляризованного светового потока.

Исследования характеристик оптического микрофона на ЖКпоказали, что по своим параметрам он не уступает су­ществующим образцам и можетбыть использован в оп­тических линиях связи, позволяя осуществлять непосред­ственноепреобразование звуковых сигналов в оптиче­ские. Оказалось также, что почти вовсем температурном интервале существования нематической фазы егоакустооптические характеристики практически не изменяются

Как сделать стереотелевизор. В качестве еще одного заманчивого,неожиданного и касающегося практически всех применений жидких кристаллов стоитназвать идею создания системы стереотелевидения с применением жидкихкристаллов. Причем, что представляется особен­но заманчивым, такая система«стереотелевидения на жидких кристаллах» может быть реализована ценой оченьпростой модификации передающей телекамеры и до­полнением обычных телевизионныхприемников специ­альными очками, стекла которых снабжены жидкокристаллическими фильтрами.

Идея этой системы стереотелевидения чрезвычайно проста. Еслиучесть, что кадр изображения на телеэкра­не формируется построчно, причем так,что сначала вы­свечиваются нечетные строчки, а потом четные, то с по­мощьюочков с жидкокристаллическими фильтрами лег­ко сделать так, чтобы правый глаз,например, видел толь­ко четные строчки, а левый — нечетные. Для этого доста­точносинхронизировать включение и выключение жидко­кристаллических фильтров, т. е.возможность восприни­мать изображение на экране попеременно то одним, то другимглазом, делая попеременно прозрачным то одно, то другое стекло очков свысвечиванием четных и нечет­ных строк.

Теперь совершенно ясно, какое усложнение передаю­щейтелекамеры даст стереоэффект телезрителю. На­до, чтобы передающая телекамерабыла стерео, т. е. чтобы она обладала двумя объективами, соответствую­щимивосприятию объекта левым и правым глазом чело­века, четные строчки на экранеформировались с по­мощью правого, а нечетные—с помощью левого объ­ективапередающей камеры.

Система очков с жидкокристаллическими фильтра­ми—затворами,синхронизированными с работой телеви­зора, может оказаться непрактичной длямассового при­менения. Возможно, что более конкурентоспособной ока­жется стереосистема,в которой стекла очков снабжены обычными поляроидами. При этом каждое из стеколоч­ков пропускает линейно-поляризованный свет, плоскость поляризации которогоперпендикулярна плоскости поля­ризации света, пропускаемого вторым стеклом.Стерео же эффект в этом случае достигается с помощью жидко­кристаллическойпленки, нанесенной на экран телевизо­ра и пропускающей от четных строк светодной линей­ной поляризации, а от нечетных—другой линейной по­ляризации,перпендикулярной первой.

Какая из описанных систем стереотелевидения будет реализованаили выживет совсем другая система, покажет  будущее.

Очки для космонавтов. Знакомясь ранее с маской дляэлектросварщика, а теперь с очками для стереотелевидения, бы заметили, что вэтих устройствах управляемый жидкокристаллический фильтр перекрывает сразу всеполе зрения одного или обоих глаз. Между тем сущест­вуют ситуации, когда нельзяперекрывать все поле зрения человека и в то же время необходимо перекрыть от­дельныеучастки поля зрения.

Например, такая необходимость может возникнуть у космонавтовв условиях их работы в космосе при чрез­вычайно ярком солнечном освещении, неослабленном ни атмосферой, ни облачностью. Эту задачу как в случае маски дляэлектросварщика или очков для стереотеле­видения позволяют решить управляемыежидкокристаллические  фильтры.

Усложнение очков в этом случае состоит в том, что поле зрениякаждого глаза теперь должен перекрывать не один фильтр, а несколько независимоуправляемых фильтров. Например, фильтры могут быть выполнены в видеконцентрических колец с центром в центре стекол очков или в виде полосок настекле очков, каждая из которых при включении перекрывает только часть полязрения глаза.

Такие очки могут быть полезны не только космонав­там, но илюдям других профессий, работа которых мо­жет быть связана не только с яркимнерассеянным осве­щением, но и с необходимостью воспринимать большой объемзрительной информации.

Например, в кабине пилота современного самолета огромноеколичество панелей приборов. Однако не все из них нужны пилоту одновременно.Поэтому использо­вание пилотом очков, ограничивающих поле зрения, мо­жет бытьполезным и облегчающим его работу, так как помогает сосредоточивать еговнимание только на части нужных в данный момент приборов и устраняет отвлека­ющеевлияние не нужной в этот момент информации.

Подобные очки будут очень полезны также в биоме­дицинскихисследованиях работы оператора, связанной с восприятием большого количествазрительной инфор­мации. В результате таких исследований можно выявить скоростьреакции оператора на зрительные сигналы, оп­ределить наиболее трудные иутомительные этапы в его работе и в конечном итоге найти способ оптимальнойорганизации его работы. Последнее значит определить на­илучший способрасположения панелей приборов, тип индикаторов приборов, цвет и характерсигналов различ­ной степени важности.

Фильтры подобного типа и индикаторы на жидких кристаллах,несомненно, найдут (и уже находят) широкое применение в кино-, фотоаппаратуре.В этих целях они привлекательны тем, что для управления ими требуется ничтожноеколичество энергии, а в ряде случаев позво­ляют исключить из аппаратуры детали,совершающие механические движения. А как известно, механические системы частооказываются наиболее громоздкими и не­надежными.

Какие механические детали кино-, фотоаппаратуры имеются ввиду? Это прежде всего диафрагмы, фильт­ры — ослабители светового потока,наконец, прерывате­ли светового потока в киносъемочной камере, синхрони­зованныес перемещением фотопленки и обеспечиваю­щие покадровое ее экспонирование.

Принципы устройства таких ЖК-элементов ясны из предыдущего. Вкачестве прерывателей и фильтров-ос­лабителей естественно использоватьЖК-ячейки, в кото­рых под действием электрического сигнала изменяетсяпропускание света по всей их площади. Для диафрагм без механических частей—системыячеек в виде кон­центрических колец, которых могут под действием элек­трическогосигнала изменять площадь пропускающего свет прозрачного окна. Следует такжеотметить, что сло­истые структуры, содержащие жидкий кристалл и фото­полупроводник,т. е. элементы типа управляемых оп­тических транспарантов, могут бытьиспользованы не только в качестве индикаторов, например, экспозиции, но и дляавтоматической установки диафрагмы в кино-, фотоаппаратуре.

При всей принципиальной простоте обсуждаемых устройств ихширокое внедрение в массовую продукцию зависит от ряда технологическихвопросов, связанных с обеспечением длительного срока работы ЖК-элемен-тов, ихработы в широком температурном интервале, на­конец, конкуренции с традиционнымии устоявшимися техническими решениями и т. д. Однако решение всех этих проблем— это только вопрос времени, и скоро, на­верное, трудно будет себе представитьсовершенный фо­тоаппарат, не содержащий ЖК-устройства.

1. В. де Же. Физические свойства жидкокристаллических веществ. 

2. П. де Жен «Физика жидких кристаллов», 

3. С.Чандрасекар «Жидкие кристаллы».

4. Ландау Л.Д., Лифшиц Б.М.Теоретическая физика. Т.5. Статистическая    физика. 

5. Гросберг А.Ю., Хохлов А.Р. Статистическая физика макромолекул М.: 

www.ronl.ru

Читать реферат по химии: "Жидкие кристаллы"

(Назад) (Cкачать работу)

Функция "чтения" служит для ознакомления с работой. Разметка, таблицы и картинки документа могут отображаться неверно или не в полном объёме!

Сенсация года. Некоторое время тому назад необычной популярностью в США пользовалась новинка ювелирного производства, получившая название «перстень настроения». За год было продано 50 миллионов таких перстней, т. е. практически каждая взрослая женщина имела это ювелирное изделие. Что же привлекло внимание любители бижутерии к этому перстню? Оказывается, он обладал совершенно мистическим свойством реагировать на настроение его владельца. Реакция состояла в том, что цвет камешка перстня следовал за настроением владельца, пробегая все цвета радуги от красного до фиолетового. Вот это сочетание таинственного свойства угадывать настроение, декоративность перстня, обеспечиваемая яркой и меняющейся окраской камешка, плюс низкая цена и обеспечили успех перстню настроения. Пожалуй, именно тогда впервые широкие массы столкнулись с загадочным термином «жидкие кристаллы». Ничего толком не было известно, говорилось, только, что камешек перстня сделан на жидком кристалле. Для читателя, который знаком с жидкими кристаллами, нужно сделать уточнение — на холестерическом жидком кристалле, а секрет перстня настроения связан с его удивительными оптическими свойствами.Зачем нужны Жидкие кристаллы. Все чаще на страницах научных, а последнее время и научно-популярных журналов появляется термин «жидкие кристаллы» (в аббревиатуре ЖК) и статьи, посвященные жидким кристаллам. В повседневной жизни мы сталкиваемся с часами, термометрами на жидких кристаллах. В наше время наука стала производительной силой, и поэтому, как правило, повышенный научный интерес к тому или иному явлению или объекту означает, что это явление или объект представляет интерес для материального производства. В этом отношении не являются исключением и жидкие кристаллы. Интерес к ним прежде всего обусловлен возможностями их эффективного применения в ряде отраслей производственной деятельности. Внедрение жидких кристаллов означает экономическую эффективность, простоту, удобство. Жидкий кристалл — это специфическое агрегатное состояние вещества, в котором оно проявляет одновременно свойства кристалла и жидкости. Сразу надо оговориться, что далеко не все вещества могут находиться в жидкокристаллическом состоянии. Большинство веществ может находиться только в трех, всем хорошо известных агрегатных состояниях: твердом или кристаллическом, жидком и газообразном. Оказывается, некоторые органические вещества, обладающие сложными молекулами, кроме трех названных состояний, могут образовывать четвертое агрегатное состояние — жидкокристаллическое. Это состояние осуществляется при плавлении кристаллов некоторых веществ. При их плавлении образуется жидкокристаллическая фаза, отличающаяся от обычных жидкостей. Эта фаза существует в интервале от температуры плавления кристалла до некоторой более высокой температуры, при нагреве до которой жидкий кристалл переходит в обычную жидкость. Чем же жидкий кристалл отличается от жидкости и обычного кристалла и чем похож на них? Подобно обычной жидкости, жидкий кристалл обладает текучестью и принимает форму сосуда, в который он помещен. Этим он отличается от известных всем кристаллов. Однако несмотря на это свойство, объединяющее его с жидкостью, он обладает свойством, характерным для кристаллов. Это — упорядочение в пространстве молекул, образующих кристалл. Правда, это упорядочение не такое полное, как в обычных кристаллах, но тем не менее оно существенно влияет на свойства жидких кристаллов, чем и отличает их от обычных жидкостей. Неполное пространственное упорядочение молекул, образующих жидкий кристалл, проявляется в том, что в жидких кристаллах нет полного порядка в пространственном расположении центров тяжести молекул, хотя частичный порядок может быть. Это означает, что у них нет жесткой кристаллической решетки. Поэтому жидкие кристаллы, подобно обычным жидкостям, обладают свойством текучести.Обязательным свойством жидких кристаллов, сближающим их с обычными кристаллами, является наличие порядка» пространственной ориентации молекул. Такой порядок в ориентации может проявляться, например, в том, что все длинные оси молекул в жидкокристаллическом образце ориентированы одинаково.В зависимости от вида упорядочения осей молекул жидкие кристаллы разделяются на три разновидности: нематические, смектические и холестерические.Немного истории. Как были обнаружены необычные свойства жидких кристаллов? Вероятно, исследователи уже очень давно сталкивались с жидкокристаллическим состоянием, но не отдавали себе в этом отчета. Тем не менее существование жидких кристаллов было установлено очень давно, почти столетие тому назад, а именно в 1888 году. Первым, кто обнаружил жидкие кристаллы, был австрийский ученый-ботаник Рейнитцер. Исследуя новое синтезированное им вещество холестерилбензоат, он обнаружил, что при температуре 145° С кристаллы этого вещества плавятся, образуя мутную сильно рассеивающую свет жидкость. При продолжении нагрева по достижении температуры 179°С жидкость просветляется, т. е. начинает вести себя в оптическом отношении, как обычная жидкость, например вода. Неожиданные свойства холестерилбензоата обнаружились в мутной фазе. Рассматривая эту фазу под поляризационным микроскопом, Рейнитцер обнаружил, что она обладает двупреломлением. Это означает, что показатель преломления света, т. е. скорость света в этой фазе, зависит от поляризации.Явление двупреломления—это типично кристаллический эффект, состоящий в том, что скорость света в кристалле зависит от ориентации плоскости поляризации света. Существенно, что она достигает экстремального максимального и минимального значений для двух взаимно ортогональных ориентаций плоскости поляризации. Разумеется, ориентации поляризации, соответствующие экстремальным значениям скорости свете в кристалле, определяются анизотропией свойств кристалла и однозначно задаются ориентацией кристаллических осей относительно направления распространения света.Поэтому сказанное поясняет, что существование двупреломления в жидкости, которая должна быть изотропной, т. е. что ее свойства должны быть независящими от направления, представлялось парадоксальным. Наиболее правдоподобным в то время могло казаться наличие в мутной фазе нерасплавившихся малых частичек кристалла, кристаллитов, которые и являлись источником двупреломления. Однако более детальные исследования, к которым Рейнитцер привлек известного немецкого физика Лемана, показали, что мутная фаза не является двухфазной системой, т. е. не содержит в обычной жидкости кристаллических включений, а является новым фазовым состоянием вещества. Этому фазовому состоянию Леман дал название «жидкий кристалл» в связи с одновременно проявляемыми им свойствами жидкости и кристалла. Употребляется также и другой термин для названия жидких кристаллов. Это — «мезофаза», что буквально означает «промежуточная фаза».В то время существование жидких кристаллов представлялось каким-то курьезом, и никто не мог предположить, что их ожидает почти через сто лет большое будущее в технических приложениях. Поэтому после некоторого интереса к жидким кристаллам сразу после их открытия о них через некоторое время практически забыли.В конце девятнадцатого — начале двадцатого века многие очень авторитетные ученые весьма скептически относились к открытию Рейнитцера и Лемана. 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

referat.co

Реферат - Жидкие кристаллы - Химия

/>/>/>/>/>Саратовский ГосударственныйУниверситет имени Н.Г. Чернышевского

РЕФЕРАТ

Жидкиекристаллы.

Выполнила: студентка химического факультета, 3 курса, 312 группы,

Любименко Н.А.

Проверил: Ракитин С.А.

Саратов 2002

Содержание.

Введение

1.История открытия жидких кристаллов

2.Молекулярное строение и структура жидких кристаллов.

2.1. Термотропные жидкие кристаллы

2.2. Лиотропные жидкие кристаллы

3.Анизотропия физических свойств — основная особенность жидких кристаллов.

4. Как управлять жидкими кристаллами

5. Как управлять холестерической спиралью

Заключение

Введение

Необычное сочетание слов«жидкие кристаллы», вероятно, многим уже знакомо, хотя далеко не всесебе представляют, что же стоит за этим странным и, казалось бы противоречивымпонятием. Эти удивительные вещества удачно сочетают в себе анизотропныесвойства кристаллов и текучие свойства жидкостей.

В то же время, вероятно,каждый второй(ну, может быть третий!) человек носит при себе жидкокристаллические(ЖК)индикаторы и по несколько десятков раз в день посматривает на свои электронныечасы. ЖК-циферблат которых аккуратно отсчитывает часы, минуты, секунды, аиногда и доли секунд. Именно ЖК-индикаторы являются основой современныхкалькуляторов, портативных компьютеров «Notebooks», миниатюрныхплоских экранов телевизоров, словарей-переводчиков, пейджеров и многих другихсовременных электронных  технических и бытовых приборов и устройств.

Мировое производствоЖК-индикаторов и дисплеев исчисляется миллиардами и, по прогнозам будетувеличиваться и дальше. Уже сейчас без преувеличения можно сказать, чтопрогресс и развитие ряда отраслей науки и техники немыслимы без развитияисследований в области жидких кристаллов. Не меньший интерес представляют собойжидкие кристаллы с точки зрения биологии и  процессов жизнедеятельности.Функционирование клеточных мембран и ДНК, передача нервных импульсов, работамышц, формирование аттеросклеротических бляшек — вот далеко неполный переченьпроцессов, протекающих в ЖК-фазе, с присущими этой фазе особенностями —склонностью к самоорганизации и сохранении высокой молекулярной подвижности.

1. История открытияжидких кристаллов.

Со времени открытияжидких кристаллов прошло более 100 лет. Впервые их обнаружил австрийскийботаник Фридрих Рейнитцер, наблюдая две точки плавления сложного эфирахолестерина — холестерилбензоата (рис.1).

/>

Рис.1

ПервоеЖК-соединение — холестерилбензоат и диаграмма, иллюстрирующая температурнуюобласть существования ЖК-фазы.

При температуре плавления(Tпл), 1450C, кристаллическое вещество превращалось вмутную, сильно рассеивающую свет жидкость, которая при 1790Cстановилась прозрачной. В отличии от точки плавления температуру, при которойпроисходило просветление образца, Рейнитцер назвал точкой просветления (Tпр).Пораженный этим необычайным явление, свидетельствующим как будто о двойномплавлении, Рейнитцер отправил свои препараты немецкому кристаллографу ОттоЛеману с просьбой помочь разобраться в странном поведении холестерилбенозоата.Исследуя их при помощи поляризационного микроскопа, Леман установил, что мутнаяфаза, наблюдаемая Рейнитцером, является анизатропной. Поскольку свойства анизотропииприсуще твердому кристаллу, а вещество в мутной фазе было жидким, Леман назвалего жидким кристаллом.

С тех пор вещества,способные в определенном температурном интервале выше точки плавления сочетатьодновременно свойства жидкостей (текучесть, способность к образованию капель) исвойства кристаллических тел (анизотропии), стали называться жидкимикристаллами или жидкокристаллическими. ЖК-вещества часто называют мезоморфными,а образуемую ими ЖК-фазу — мезофазой (от греч. «мезос» —промежуточный). Такое состояние является термодинамически стабильным фазовымсостоянием и по праву на ряду с твердым, жидким и газообразным можетрассматриваться как четвертое состояние вещества.

Однако понимание природыЖК-состояния веществ установление и исследование их структурной организацииприходит значительно позднее. Серьезное недоверие к самому факту существованиятаких необычных соединений в 20 — 30-х годах сменилось их активнымисследованием. Работы Д. Форлендера в Германии во многом способствовали синтезуновых ЖК-соединений. Достаточно сказать, что под его руководством быловыполнено 85 диссертаций по жидким кристаллам. Французский ученый Ж. Фридельпредложил первую классификацию жидких кристаллов, голландец С. Озеен и чех Х.Цохер создали теорию упругости, русские ученые В.К. Фредерикс и В.Н. Цветков вСССР в 30-х годах впервые исследовали поведение жидких кристаллов вэлектрических и магнитных полях. Однако то 60-х годов изучение жидкихкристаллов не представляло существенного практического интереса, и все научныеисследования имели достаточно ограниченный, чисто академический интерес.

Ситуация резко измениласьв середине 60-х годов, когда в связи с бурным развитием микроэлектроники имикроминиатюризации приборов потребовались вещества, способные отражать ипередавать информацию, потребляя при этом минимум энергии. И вот здесь напомощь пришли жидкие кристаллы, двойственный характер которых (анизотропиясвойств и высокая молекулярная подвижность) позволили создать управляемыевнешним электрическим полем быстродействующие и экономичные ЖК-индикаторы,являющиеся по существу основным элементом многомиллионной «армии»часов, калькуляторов, плоских экранов телевизоров и т. д.

Жидкокристллический бум,в свою очередь, стимулировал активную научную деятельность, созывалисьмеждународные симпозиумы и конференции по жидким кристаллам, организовывались школыдля молодых ученых, выпускались сборники и монографии.

Что же представляют собойэти необычные кристаллы и каковы особые свойства, сделавшие их сегодняпрактически незаменимыми?

2. Молекулярноестроение и структура жидких кристаллов.

Сейчас известно уже околосотни тысяч органических веществ, которые могут находиться в ЖК-состоянии, ичисло таких соединений непрерывно растет. Если первые десятилетия после открытия жидких кристаллов основными представителями этих соединений являлисьтолько вещества, состоящие из асимметрических молекул стержнеобразной формы, —так называемые каламитики (от греч. «каламис» — тростник), то впоследствии было обнаружено, что в ЖК-состояние могут переходить самыеразнообразные вещества, имеющие молекулы более сложной формы (диски, пластины идр.). Молекулы ЖК-соединений очень часто называют мезогенами, а группировки илифрагменты малеку, способствующие формированию ЖК-фазы, — мезогенными группами.В таблице 1 приведены примеры стержнеобразных мезогенов — каломитиков, а такжехимические формулы дискообразных (дискотики) и планкообразных мезогенов (санидики)(от греч. «санидис» — планка).

Как видно из таблицы 1,среди мезогенных групп чаще всего встречаются бензольные кольца, связанныенепосредственно друг с другом с помощью различных химических группировок(–CH=CH–, –CH=N–, –NH–CO и др.). Характерной особенностью всех ЖК-соединенийявляется асимметричная форма малеку, обеспечивающая анизотропию поляризуемостии тенденцию к расположению молекул преимущественно параллельно друг другу вдольих длинных (каламитики и санидики) и коротких (дискотики) осей.

Таблица 1.

Типичныепримеры химических соединений, образующих ЖК-фазу.

/>

2.1.Термотропныежидкие кристаллы

В зависимостиот характера расположения молекул согласно классификации, предложенной еще Фриделем, различают три основных типа структур ЖК-соединений: смектический,нематический и холестерический.Указанные типы структур относятся к так называемым термотропнымжидким кристаллам, образование которых осуществляется только при термическомвоздействии на вещество (нагревание илиохлаждение). На рис. 2 показаны схемы расположениястержне- и дискообразных молекулв трех перечисленных структурных модификацияхжидких кристаллов.

/>

Рис.2. Основные типы расположениястержне-образных (а-в)и дискообразных (г)молекул в жидких кристаллах:а — смектическая фаза,б — нематическая, в — холестерическая,г — дискотическая (n-директор).

Смектическийтип жидких кристаллов (смектики – от греч. слова«смегма» – мыло)  ближе всего к истинно кристаллическим телам. Молекулы располагаются в слоях, и их центры тяжести подвижны в двух измерениях (на смектическойплоскости). При этом длинные оси молекул в каждомслое могут располагаться как перпендикулярноплоскости слоя (ортогональные смектики), так и поднекоторым углом (наклонные смектики). Направление преимущественной ориентации осей молекул принято называть директором, который обычно обозначается вектором n(рис. 2, а).

Нематический тип жидких кристаллов (нематикиот греч. «нема» — нить) характеризуется наличием толькоодномерного ориентационного порядка длинных (каламитики) или коротких (дискотики)осей молекул (рис. 2 б и  г соответственно). При этом центры тяжести молекулрасположены в пространстве хаотично, что свидетельствует об отсутствиитрансляционного порядка.

Наиболеесложный тип упорядочения молекул жидких кристаллов холестерический(холестерики), образуемый хиральными(оптически активными) молекулами, содержащимиасимметрический атом углерода. Это означает, что такие молекулы являются зеркально-несимметричными в отличие от зеркально-симметричныхмолекул нематиков.  Впервые холестерическая мезофазанаблюдалась для производных холестерина, откуда ипроизошло ее название. Холестерики во многих отношениях подобны нематикам, в которых реализуется одномерный ориентационныйпорядок; они образуются также при добавлении небольших количеств хиральных соединений (1-2 мол. %) к нематикам. Как видно из рис. 2, в, в этом случаедополнительно реализуется спиральная закрученностьмолекул, и очень часто холестерик называют закрученнымнематиком.

Периодическаяспиральная структура холестериков определяет ихуникальную особенность — способность селективно отражать падающий свет,«работая» в этом случае как дифракционнаярешетка. При фиксированном угле отражения условияинтерференции выполняются только для лучей одного цвета, и слой (или пленка) холестерика кажется окрашенным в один цвет. Этот цветопределяется шагом спирали Р, который принормальном угле падения света простым образомсвязан с максимумом длины волны отраженного света lmax:

P= lmax / n,                                                                                                           (1)

где n —показатель преломления холестерика. Этот эффект избирательного отраженияпленкой холестерика света с определенной длиной волны получил названиеселективного отражения. В зависимости от величины шага спирали, которыйопределяется химической природой холестерика, максимум длины волны отраженногосвета может располагаться в видимой, а также в ИК-и УФ-областях спектра, определяя широкие областииспользования оптических свойств холестериков.

Любой из трехтипов мезофаз рассматривается обычно какнепрерывная анизотропная среда, где в небольших по размерам микрообьемах (их часто называют роями или доменами),состоящих, как правило, из 104-105молекул, молекулы ориентированы параллельно друг другу.

Теперьрассмотрим  макроскопическую структуру жидких кристаллов, которую чаще всегоназывают текстурой, понимая под этим совокупность структурных деталей образцажидкого кристалла, помешенного между двумя стеклами и исследуемого с помощьюоптического поляризационного микроскопа. Каждый тип жидкого кристалласамопроизвольно образует свои характерные текстуры, по которым их часто удаетсяидентифицировать. Как правило, текстуры жидких кристаллов настолько«фотогеничны», что их красивые микрофотографии часто помешают на обложках научных журналов и научно-популярных изданий.

/>

/>

/>

Рис.3 Типичные текстуры нематических(а), смектических(б) и холестерических (в)жидких кристаллов: а — шлирен, б — веерная, в — конфокальная текстуры.

Нематические жидкие кристаллыхарактеризуются так называемой шлирен-текстурой(рис. 3, а), представляющей собой систему тонких нитевидных линий и точек с нитеобразными черными«хвостами». Эти линии называют />дисклинациями (от греч.«клине» — наклон).Они представляют собой места резкого изменениянаправления ориентации длинных осей молекул.Характерной текстурой смектиков является веерная текстура, которая во многом напоминает кристаллыобычных твердых тел (рис. 3, б), что подчеркивает наибольшуюаналогию в структурной организации двумерно-упорядоченных смектиков итрехмерно-упорядоченных кристаллов. Неориентированные холестерики образуютконфокальную текстуру, которая состоит из отдельныхи связанных между собой сложных образований, называемых конфокальными доменами(рис. 3, в).

Важноотметить, что все рассмотренные текстуры чрезвычайно лабильны и легкоподвергаются структурным перестройкам под действием небольших внешнихвоздействий (механические напряжения, электрические поля, температура и др.).

2.2.Лиотропныежидкие кристаллы

В отличие от термотропных жидкихкристаллов лиотропные жидкие кристаллы образуются при растворении ряда амфифильных соединений в определенных растворителях иимеют, как правило, более сложную структуру, чем термотропныежидкие кристаллы. Амфифильные соединения состоят измолекул, содержащих гидрофильные и гидрофобные группы. Такие соединения широкораспространены в природе. Так, например, любая жирная кислота является амфифильной. Ее молекулы состоят из двух частей: полярной«головки» (СООН-группа) и углеводородного«хвоста» [СН3(СН2)n—].Подобные соединения при растворении в воде, как правило, образуют мицеллярные растворы, в которых полярные головкиторчат наружу, находясь в контакте с водой, ауглеводородные хвосты, контактируя друг с другом,смотрят вовнутрь. Такие мицеллы(рис. 4, а) и являются теми структурными элементами, из которых строятсялиотропные  жидкие кристаллы, формируя, например, цилиндрическую или ламеллярную формы (рис. 4, б, в)./>

/>

 Рис.4. Некоторые типылиотропных жидкокристаллических структур, образованные амфифильными молекулами в водных растворах: а — цилиндрическая мицелла, б — гексагональная упаковкацилиндрических мицелл, в — ламеллярныйсмектический жидкий кристалл; г — строение мембраны,состоящей из фосфолипидногодвойного слоя ( 1 ) имолекул белков (2).

В отличие от термотропных жидких кристаллов, где формированиеопределенного типа мезофазы определяется лишьтемпературой, в лиотропных системах тип структурной организации определяется уже двумя параметрами:концентрацией вещества и температурой. />Лиотропные жидкие кристаллы наиболее часто образуются биологическими системами,функционирующими в водных средах. Именно в этихсистемах в наиболее яркой форме проявляются уникальные особенности жидкихкристаллов, сочетающих лабильность с высокойсклонностью к самоорганизации. Ограничимся лишь одним примером, относящимся к клеткам и внутриклеточным органеллам, покрытым тонкими высокоупорядоченнымиоболочками — мембранами. Современные структурные исследования показывают, чтомембраны представляют собой типичные лиотропные ламеллярныелабильные ЖК-структуры, составленные из двойного слоя фосфолипидов,в котором «растворены» белки, полисахарилы,холестерин и другие жизненно важные компоненты (рис. 4, г). Такое анизотропное строениемембраны, с одной  стороны, позволяет защищать ее внутреннюю часть от нежелательных внешнихвоздействий, а с другой стороны, ее «жидкостной» характеробеспечивает высокие транспортные свойства (проницаемость,перенос ионов и др.), что придает клетке определяющуюроль в процессах жизнедеятельности.

3. Анизотропия физическихсвойств — основная особенность жидких кристаллов.

Посколькуосновным структурным признаком жидких кристалловявляется наличие ориентационного порядка,обусловленного анизотропной формой молекул, то естественно, что все их свойстватак или иначе определяются степенью ориентаци-ониогоупорядочения. Количественно степень упорядоченности жидкого кристаллаопределяется параметром порядка S, введенным В.И. Цветковым в 40-х годах:

S= 0,5 á( 3cos2q – 1)ñ                                                                                       (2)

где q — угол между осьюиндивидуальной молекулы жидкого кристалла ипреимущественным направлением всего ансамбля, определяемым директоромn (рис. 2) (угловые скобки означают усреднение повсем ориентациям молекул). Легко понять, что вполностью разупорядоченной изотропно-жидкой фазе S = 0, а в полностью твердомкристалле S = 1. Параметрпорядка жидкого кристалла лежит в пределах от 0 до 1. Именно существование ориентационного порядка обусловливает анизотропию всехфизических свойств жидких кристаллов. Так, анизотропная форма молекул каламитиков определяет появление двойного лучепреломления(Dn) и диэлектрической анизотропии (De), величины которых могутбыть выражены следующим образом:

Dn|| =  n|| – n^ и De|| = e|| – e^                                                                            (3)

где n||, n^/> и e||, e^ — показатели преломленияи диэлектрические постоянные соответственно, измеренные при параллельной иперпендикулярной ориентации длинных осей молекул относительно директора.Значения Dn для ЖК-соединений обычно весьма велики и меняются в широкихпределах в зависимости от их химического строения, достигая иногда величиныпорядка 0,3-0,4. Величина и знак De зависят от соотношениямежду анизотропией поляризуемости молекулы, величиной постоянного дипольного моментаm, а также от угла между направлением дипольного момента и длинноймолекулярной осью. Примеры двух ЖК-соединений, характеризующихся положительной и отрицательнойвеличиной De, приведены ниже:

/>

Нагреваниежидкого кристалла, понижая его ориентационныйпорядок, сопровождается монотонным снижением значений Dn и De, так что в точке исчезновения ЖК-фазыпри Тпр анизотропия свойств полностьюисчезает.

В то же времяименно анизотропия всех физических характеристик жидкого кристалла в сочетаниис низкой вязкостью этих соединений и позволяет с высокой легкостью и эффективностью осу/>ществлять ориентацию (ипереориентацию) их молекул под действием небольших«возмущающих» факторов (электрические имагнитные поля, механическое напряжение), существенно изменяя их структуру исвойства. Именно поэтому жидкие кристаллы оказалисьнезаменимыми электрооптически-активными средами, наоснове которых и было создано новое поколение так называемых ЖК-индикаторов.

4. Какуправлять жидкими кристаллами

Основойлюбого ЖК-индикатора является так называемая электрооптическая ячейка,устройство которой изображено на рис. 5. Две плоские стеклянные пластинки снанесенным на них прозрачным проводящим слоем изокиси олова или окиси индия, выполняющие роль электродов, разделяются тонкими прокладками из непроводяшего материала (полиэтилен, тефлон). Образовавшийся зазор между пластинками,который колеблется от 5 до 50 мкм (в зависимости отназначения ячейки), заполняется жидким кристаллом, и вся «сандвичевая» конструкция по периметру«запаивается» герметикой или другимизолирующим материалом (рис. 5). Полученная таким образом ячейка может бытьпомешена между двумя очень тонкими пленочными поляризаторами, плоскостиполяризации которых образуют определенный угол с целью наблюдения эффектов ориентации молекул под действием электрическогополя. Приложение к тонкому ЖК-слою даже небольшогоэлектрического напряжения (1,5—3 В) вследствие относительно низкой вязкости ивнутреннего трения анизотропной жидкости приводит к изменению ориентации жидкого кристалла. При этом важно подчеркнуть, чтоэлектрическое поле воздействует не на отдельные молекулы, а на ориентированныегруппы молекул (рои или домены), состоящие издесятков тысяч молекул, вследствие чего энергия электростатическоговзаимодействия значительно превышает энергию теплового движения молекул. Витоге жидкий кристалл стремится повернуться таким образом, чтобы направлениемаксимальной диэлектрической постоянной совпало с направлением электрического поля. А вследствие большой величиныдвулучепреломления Dn процесс ориентацииведет к резкому изменению структуры и оптическихсвойств жидкого кристалла.

Впервыевоздействие электрических и магнитных полей на жидкие кристаллы былоисследовано русским физиком В.К. Фредериксом, и процессы их ориентации получилиназвание электрооптических переходов (или эффектов) фредерикса.Один из трех, наиболее часто встречающихся вариантов ориентации молекул показанна рис. 5. а. Это планарнаяориентация, которая характерна для нематиков с отрицательной диэлектрической анизотропией (De <0), когда длинные оси молекул параллельны стеклянным поверхностям ячейки.

 />

Рис.5. Электрооптическая ячейка типа «сандвич» с планарнойориентацией молекул (а) и схемы расположения молекул жидких кристаллов вячейке: б — гомеотропная и в — твист-ориентация. 1 — слой жидкого кристалла. 2 — стеклянные пластинки, 3 — токопроводящий слой, 4 — диэлектрическая прокладка, 5 — поляризатор, 6 — источник электрического напряжения.

Гомеотропная ориентация реализуется для жидких кристаллов с положительнойдиэлектрической анизотропией (De >0) (рис. 5, б). В этом случае длинные оси молекул с продольным дипольным моментом располагаются вдоль направленияполя перпендикулярно поверхности ячейки. И наконец,возможна твист- или закрученная ориентация молекул (рис. 5, в). Такаяориентация достигается спе/>циальной обработкойстеклянных пластинок, при которой длинные осимолекул поворачиваются в направлении от нижнего кверхнему стеклу электрооптической ячейки. Обычно это достигается натираниемстекол в разных направлениях или использованием специальных веществ-ориентантов, задающих направление ориентации молекул.

В основедействия любого ЖК-индикатора лежат структурныеперестройки между указанными типами ориентациимолекул, которые индуцируются при приложении слабого электрического поля.Рассмотрим, например, как работает ЖК-циферблатэлектронных часов. Основу циферблата составляет уже знакомая нам электрооптическая ячейка, правда несколько дополненная(рис. 6, а, б). Помимо стекол с напыленнымиэлектродами, двух поляризаторов,плоскости поляризации которых противоположны, но совпадают с направлением длинных осей молекул у электродов, добавляетсяеще располагаюшееся под нижним поляризаторомзеркало (на рисунке не показано). Нижний электрод обычно делают сплошным, аверхний — фигурным, состоящим из семи небольшихсегментов-электродов, с помощью которых можноизобразить любую цифру или букву (рис. 6, в).Каждый такой сегмент «питается» электричеством и включается согласнозаданной программе от миниатюрногогенератора. Исходнаяориентация нематика закрученная, то есть мы имеемтак называемую твист-ориентацию молекул (см. рис. 5, в и 6, а). Свет падает на верхний поляризатор и становится плоскополяризованным в соответствии с его поляризацией.

/>

Рис.6 Схема работы ЖК-индикатора на твист-эффекте: а — до включения электрическогополя, б — после включения поля, в — семисегментной буквенно-цифровой электрод,управляемый электрическим полем.

Приотсутствии электрического поля (то есть в выключенном состоянии) свет,«следуя» твист-ориентации нематика, меняет свое направление всоответствии с оптической осью нематика и на выходе будет иметь то же направление поляризации, что и нижнийполяризатор (см. рис. 6, а). Другими словами, светотразится от зеркала, и мы увидим светлый фон. При включении электрическогополя для нематического жидкого кристалла сположительной диэлектрической анизотропией (De > 0) произойдетпереход от закрученной твист-ориентации к гомеотропной ориентации молекул, то есть длинные оси молекул повернутсяв направлении, перпендикулярном к электродам, испиральная структура разрушится (рис. 6, б). Теперь свет, не изменивнаправления исходной поляризации, совпадающей с поляризацией верхнего поляризатора,будет иметь направление поляризации, противоположное нижнему поляроиду, а они,как видно на рис. 6, б, находятся в скрещенном положении. В этом случае свет недойдет до зеркала, и мы увидим темный фон. Другими словами, включая поле, можнорисовать любые темные символы (буквы, цифры) насветлом фоне, используя, например, простуюсемисегментную систему электродов (рис. 6, в).

Таков принципдействия любого ЖК-индикатора. Основнымипреимуществами этих индикаторов являются низкие управляющие напряжения (1,5-5 В), малые потребляемые мощности(1—10 мкВт), высокая контрастность изображения,легкость встраивания в любые электронные схемы, надежность в работе и относительнаядешевизна.

5. Какуправлять холестерической спиралью

Средирассмотренных типов жидких кристаллов, пожалуй, наиболее экзотическимиоптическими свойствами обладают холестерики.Необычайно тонко организованная спиральная структура холестерическихжидких кристаллов (см. рис. 2, в) чрезвычайно чувствительнак самым различным внешним воздействиям. Изменяя температуру, давление,прикладывая электромагнитные поля и механические напряжения, можно существеннымобразом менять шагхолестерической спирали, а всоответствии с уравнением (1) легко менять цвет холестерика. Огромная чувствительность этихсоединений, позволяющая «пробегать» всецвета спектра в интервале 0,01 -0,001 °С. показывает, какие необыкновенныевозможности открывает использование этих веществ вкачестве высокоэффективных термоиндикаторов.

У большинствахолестериков с ростом температуры шаг спиралиуменьшается, а следовательно, уменьшается и длинаволны селективно отраженного света lmax (рис. 7). Иными словами,каждой из указанных на рис. 7 температур — Т0,Т1, Т2 и Т3 —  соответствует свой цвет. Таким образом, нанося холестерическиежидкие кристаллы на поверхности различных объектов,можно получать топографию распределения температуры, что делает их незаменимымитермоиндикаторами и визуализаторами для различногорода применений в технике и медицине. Вводя холестерики в полимерные пленки, тоесть получая так называемые капсулирован-ные жидкиекристаллы, можно создавать весьма удобные в обращении пленочные материалы,которые можно использовать в качестве термометров, а также для визуализации и «фотографирования» тепловых полей.

/>

Рис. 7

Температурная зависимость длины волны селективного отражения света lmaxслоя холестерического жидкого кристалла — холестерилпеларгоната.

В последниегоды разрабатываются смеси холестерических жидкихкристаллов, резко изменяющие цвет (а следовательно, и шаг спирали) поддействием малых, но опасных концентраций вредных паров различных химическихсоединений. Такие ЖК-индикаторы могут за очень короткое время (1-2 мин) менять цветовуюокраску при превышении допустимой концентрации вредных паров, выполняя таким образом рольсвоеобразных химических датчиков.

Одним извнешних факторов, с помощью которого можно управлять шагом холестерической спирали, может служить электрическоеили магнитное поле. При приложении поля холестерическаяспираль начинает постепенно раскручиваться, при этом шаг спирали увеличивается,четко «отслеживая» величину поданного напряжения. А это означает, чтоможно непрерывно управлять и цветом холестерическогослоя жидкого кристалла. При некотором так называемом критическом напряженииполя спираль можно полностью раскрутить, превратив таким образом холестерический жидкий кристалл а нематический (один из видов эффекта Фредерикса). Процесс раскрутки спирали в настоящее время активно исследуется с целью использования в цветных плоских экранах с электронной системой управления.

Заключение

Итак, жидкиекристаллы обладают двойственными свойствами, сочетая в себе свойство жидкостей(текучесть)и свойство кристаллических тел (анизотропию). Их поведение не всегда удаетсяописать с помощью привычных методов и понятий. Но именно в этом и заключена ихпривлекательность для исследователей, стремящихсяпознать еще неизведанное.

Недавнооткрыты и интенсивно исследуются жидкокристаллическиеполимеры, появились полимерные ЖК-сегнетоэлектрики,идет активное исследование гибкоцепныхэлементоорганических и металлсодержащих ЖК-соединений, образующих новые типы мезофаз. Мир жидких кристалловбесконечно велик и охватывает широчайший круг природныхи синтетических объектов, привлекая внимание не только ученых — физиков, химиков и биологов, но иисследователей-практиков, работающих в самых разнообразных отраслях современной техники (электронике, оптоэлектронике,информатике, голографиии т. п.).

Списоклитературы:

1. Шибаев В.П. Необычные кристаллы или загадочные жидкости //Соросовский Образовательный Журнал. 1996. N11. С.37-46.

2. Чандрасекар С. Жидкие кристаллы — М.: Мир, 1980 с.344

3. Титов В.В., Севостьянов В.П., Кузьмин Н.Г., Семенов А.М.Жидкокристаллические дисплеи: строение, синтез, свойства жидких кристаллов. — Минск: Изд-во НПООО «Микровидеосистемы», 1998 с.238

www.ronl.ru

Курсовая работа - Жидкие кристаллы

Сенсация года . Некоторое время тому назад необыч­ной популярностью в США пользовалась новинка юве­лирного производства, получившая название «перстень настроения». За год было продано 5 0 миллионов таких перстней, т. е. практически каждая взрослая женщина имела это ювелирное изделие. Что же привлекло внима­ние любители бижутерии к этому перстню? Оказывается, он обладал совершенно мистическим свойством реагиро­в ать на настроение его владельца. Реакция состояла в том, что цвет камешка перстня следовал за настроением вла­дельца, пробегая все цвета радуги от красного до фио­летового. Вот это сочетание таинственного свойства уга­дывать настроение, декоративность перстня, обеспечи­ваемая яркой и меняющейся окраской камешка, плюс низкая цена и обеспечили успех перстню настроения.

Пожалуй, именно тогда впервые широкие массы стол­кнулись с загадочным термином «жидкие кристаллы». Ни­чего толком не было известно, говорилось, только, что камешек перстня сделан на жидком кристалле. Для чита­теля, который знаком с жидкими кристаллами, нужно сде­лать уточнение — на холестерическом жидком кристалле, а секрет перстня настроения связан с его удивительными оптическими свойствами.

Зачем нужны Жидкие кристаллы . Все чаще на страницах научных, а последнее время и научно-популярных журналов появ­ляется термин «жидкие кристаллы» (в аббревиатуре ЖК) и статьи, посвященные жидким кристаллам. В повсе дневной жизни мы сталкиваемся с часами, термометра­ми на жидких кристаллах. В наше время наука стала производительной силой, и поэтому, как правило, повышенный научный интерес к тому или иному явлению или объекту означает, что это явление или объект представляет интерес для материаль­ного производств а. В этом отношении не являются ис­ключением и жидкие кристаллы. Интерес к ним прежде всего обусловлен возможностями их эффективного при­менения в ряде отраслей производственной деятельно­сти. Внедрение жидких кристаллов означает экономиче­скую эффективность, простоту, удобство.

Жидкий кристалл — это специфическое агрегатное со­стояние вещества, в котором оно проявляет одновре­менно свойства кристалла и жидкости. Сразу надо огово­риться, что далеко не все вещества могут находиться в жидкокристаллическом состоянии. Большинство веществ может находиться только в трех, всем хорошо известных агрегатных состояниях: твердом или кристаллическом, жидком и газообразном. Оказывается, некоторые органические вещества, обладающие сложными молеку­лами, кроме трех названных состояний, могут образовы­вать четвертое агрегатное состояние — жидкокристалли­ческое. Это состояние осуществляется при плавлении кристаллов некоторых веществ. При их плавлении обра­ зуется жидкокристаллическая фаза, отличающаяся от обычных жидкостей. Эта фаза существует в интервале от температуры плавления кристалла до некоторой более высокой температуры, при нагреве до которой жидкий кристалл переходит в обычную жидкость. Чем же жидкий кристалл отличается от жидкости и обычного кристалла и чем похож на них? Подобно обыч ной жидкости, жидкий кристалл обладает текучестью и принимает форму сосуда, в который он помещен. Этим он отличается от известных всем кристаллов. Однако несмотря на это свойство, объединяющее его с жид­костью, он обладает свойством, характерным для кри­сталлов. Это — упорядочение в пространстве молекул, образующих кристалл. Правда, это упорядочение не та­кое полное, как в обычных кристаллах, но тем не менее оно существенно влияет на свойства жидких кристаллов, чем и отличает их от обычных жидкостей. Неполное про­странственное упорядочение молекул, образующих жид­кий кристалл, проявляется в том, что в жидких кристал­лах нет полного порядка в пространственном располо­жении центров тяжести молекул, хотя частичный порядок может быть. Это означает, что у них нет жесткой кри­сталлической решетки. Поэтому жидкие кристаллы, по­добно обычным жидкостям, обладают свойством текуче­сти.

Обязательным свойством жидких кристаллов, сбли­жающим их с обычными кристаллами, является наличие порядка» пространственной ориентации молекул. Такой порядок в ориентации может проявляться, например, в том, что все длинные оси молекул в жидкокристалличе­ском образце ориентированы одинаково.

В зависимости от вида упорядочения осей молекул жидкие кристаллы разделяются на три разновидности: нематические, смектические и холестерические.

Немного истории. Как были обнаружены не­обычные свойства жидких кристаллов? Вероятно, исследователи уже очень давно стал­кивались с жидкокристаллическим состоянием, но не от­давали себе в этом отчета. Тем не менее существование жидких кристаллов было установлено очень давно, почти столетие тому назад, а именно в 1888 году.

Первым, кто обнаружил жидкие кристаллы, был авст­рийский ученый-ботаник Рейнитцер. Исследуя новое син­тез ированное им вещество холестерилбензоат, он обн а­ружил, что при температуре 145° С кристаллы этого ве­щества плавятся, образуя мутную сильно рассеивающую свет жидкость. При продолжении нагрева по достижении температуры 179°С жидкость просветляется, т. е. начина­ет вести себя в оптическом отношен ии, как обычная жидкость, например вода. Неожиданные свойства холестерилбензоат а обнаружились в мутной фазе. Рассматри­вая эту фазу под поляризационным микроскопом, Рей­нитцер обнаружил, что она обладает двупреломлением. Это означает, что показатель преломления света, т. е. скорость света в этой фазе, зависит о т поляризации.

Явление двупреломления—это типично кристалличе­ский эффект, состоящий в том, что скорость света в кри­сталле зависит от ориентации плоскости поляризации света. Существенно, что она достигает экстремального максимального и минимального значений для двух вза­имно ортогональных ориентаций плоскости поляризации. Разумеется, ориентации поляризации, соответствующие экстремальным значениям скорости свете в кристалле, определяются анизотропией свойств кристалла и одно­значно задаются ориентацией кристаллических осей отно­сительно направления распространения света.

Поэтому сказанное поясняет, что существование дву­преломления в жидкости, которая должна быть изотроп­ной, т. е. что ее свойства должны быть независящими от направления, представлялось парадоксальным. Наиболее правдоподобным в то время могло казаться наличие в мутной фазе нерасплавившихся малых частичек кристалла, кристаллитов, которые и являлись источником двупреломления. Однако более детальные исследования, к которым Рейнитцер привлек известного немецкого фи­зика Лемана, показали, что мутная фаза не является двух­фазной системой, т. е. не содержит в обычной жидкости кристаллических включений, а является новым фазовым состоянием вещества. Этому фазовому состоянию Леман дал название «жидкий кристалл» в связи с одновре­менно проявляемыми им свойствами жидкости и кристал­ла. Употребляется также и другой термин для названия жидких кристаллов. Это — «мезофаза», что буквально означает «промежуточная фаза».

В то время существование жидких кристаллов пред­ставлялось каким-то курьезом, и никто не мог предполо­жить, что их ожидает почти через сто лет большое буду­щее в технических приложениях. Поэтому после некото­рого интереса к жидким кристаллам сразу после их от­крытия о них через некоторое время практически за­были.

В конце девятнадцатого — начале двадцатого века многие очень авторитетные ученые весьма скептически относились к открытию Рейнитцера и Лемана. 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?

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. Он же пред­ложил общий термин для жидких кристаллов — «мезоморфная 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.

Самые “кристаллические” среди жидких кристаллов — смекатические. Для смекатических кристаллов характерна двумерная упорядоченность. Молекулы размещаются так, чтобы их оси были параллельны. Более того, они “понимают” команду “равняйся” и размещаются в стройных рядах, упакованных на смекатических плоскостях, и в шеренгах — на нематических, что поясняет рис. 1а. Смекатическим жидким кристаллам свойственно многое из того, о чем пойдет речь ниже, и нечто особенное — долговременная память. Записав, например, изображение на такой кристалл, можно затем долго любоваться “произведением”. Однако эта особенность смекатических кристаллов для воспроизводящих элементов индикационных устройств, телевизоров и дисплеев не слишком удобна. Тем не менее, они находят применение в промышленности, к примеру, в индикаторах давления.

Упорядоченность нематических сред ниже, чем у смекатических. Молекулам дозволено смещаться относительно длинных осей, поэтому упорядоченность становится “односторонней”, а реакция на внешнее воздействие относительно быстрой, память — короткой. Смекатические плоскости отсутствуют, а вот нематические сохраняются. Эту особенность нематиков поясняет рис. 1б.

Термин “холестерические жидкие кристаллы” не случаен, поскольку наиболее характерным и на практике самым используемым кристаллом этого класса является холестерин. Молекулы холестерина и аналогов размещаются в нематических плоскостях. Особенность молекул холестерического типа в том, что при достаточно сильном боковом притяжении их вершины отталкиваются. Холестерин — доступный и достаточно дешевый материал, сырьем для которого богата любая скотобойня. Очень сложные жидкокристаллические структуры образуют растворы мыла в воде. Здесь можно получить слоистые, дисковые и даже шарообразные структуры. Словом, выбор материала широк.

В достаточно больших объемах кристаллической жидкости образуются домены, физические свойства которых подобны кристаллам. Однако в целом она проявляет свойства, подобные обычным жидкостям. Доменная структура жидких кристаллов образуется по тем же причинам и законам, что в сегнтоэлектриках и ферромагнетиках. Ситуация резко меняется в пленках, толщина которых сопоставима с радиусом взаимодействия молекул жидкости и пластин, формирующих слой. Это важно подчеркнуть, поскольку именно взаимодействие жидкого кристалла и формообразующих элементов создает тот легко управляемый прибор, который столь активно встраивается в современную электронную технику.

Нематики. 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)

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. 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.

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.

Упругость жидкого кристалла. Выше в основном го­ворилось о наблюдениях, связанных с проявлением не­обычных оптических свойств жидких кристаллов. Первым исследователям бросались в глаза, естественно, свойства, наиболее доступные наблюдению. А такими свойствами как раз и были оптические свойства. Техника оптическо­го эксперимента уже в девятнадцатом веке достигла вы­сокого уровня, а, например, микроскоп, даже поляриза­ционный, т. е. позволявший освещать объект исследова­ния поляризованным светом и анализировать поляриза­цию прошедшего света, был вполне доступным прибо­ром для многих лабораторий.

Оптические наблюдения дали значительное количест­во фактов о свойствах жидкокристаллической фазы, ко­торые необходимо было понять и описать. Одним из первых достижений в описании свойств жидких кристал­лов, как уже упоминалось во введении, было создание теории упругости жидких кристаллов. В современной форме она была в основном сформулирована английским ученым Ф. Франком в пятидесятые годы.

Постараемся проследить за ходом мысли и аргумен­тами создателей теории упругости ЖК. Рассуждения бы­ли (или могли быть) приблизительно такими. Установле­но, что в жидком кристалле, конкретно нематике, сущест­вует корреляция (выстраивание) направлений ориента­ции длинных осей молекул. Это должно означать, что ес­ли по какой-то причине произошло небольшое наруше­ние в согласованной ориентации молекул в соседних точ­ках нематика, то возникнут силы, которые будут старать­ся восстановить порядок, т. е. согласованную ориентацию молекул. Конечно, исходной, микроскопической, причиной таких возвращающих сил является взаимодей­ствие между собой отдельных молекул.

Для кристаллов существует хорошо развитая теория упругости. Все знают, что деформация твер­дого тела прямо пропорциональна приложенной силе и обратно пропорциональна модулю упругости К. Возника­ет мысль, если оптические свойства жидких кристаллов подобны свойствам обычных кристаллов, то, может быть, жидкий кристалл, подобно обычному кристаллу, облада­ет и упругими свойствами. Вспомните, что жидкий кри­сталл течет, как обычная жидкость. А жидкость не прояв­ляет свойств упругости, за исключением упругости по от­ношению к всестороннему сжатию, и поэтому для нее модуль упругости по отношению к обычным деформаци­ям строго равен нулю. Казалось бы, налицо парадокс. Но его разрешение в том, что жидкий кристалл — это не обычная, а анизотропная жидкость, т. е. жидкость, «.свойства которой различны в различных направлениях.

Таким образом, построение теории упругости для жидких кристаллов было не таким уж простым делом и нельзя было теорию, развитую для кристаллов, непо­средственно применить к жидким кристаллам.

Теория упругости жидких кристаллов, описывающая их как сплошную среду, т. е. претендую­щая только на описание свойств ЖК, усредненных по расстояниям больше межмолекулярных, приводит к вы­воду, что минимальная энергия жидкого кристалла соот­ветствует отсутствию деформаций в нем.

Электронная игра, электронный словарь и телевизор на жк»

Известно, какой популярностью у молодежи пользу­ются различные электронные игры, обычно устанавлива­емые в специальной комнате аттракционов в местах об­щественного отдыха или фойе кинотеатров. Успехи в разработке матричных жидкокристаллических дисплеев сделали возможным создание и массовое производство подобных игр в миниатюрном, так сказать, карманном ис­полнении. Например, всем хорошо знакома игра «Ну, погоди!», ос­военная отечественной промышленностью. Габариты этой игры, как у записной книжки, а основным ее эле­ментом является жидкокристаллический матричный дис­плей, на котором высвечиваются изображения волка, зай­ца, кур и катящихся по желобам яичек. Задача играюще­го, нажимая кнопки управления, заставить волка, пере­мещаясь от желоба к желобу, ловить скатывающиеся с желобов яички в корзину, чтобы не дать им упасть на землю и разбиться. Здесь же отметим, что, помимо раз­влекательного назначения, эта игрушка выполняет роль часов и будильника, т. е. в другом режиме работы на дисплее «высвечивается» время и может подаваться зву­ковой сигнал в требуемый момент времени.

Еще один впечатляющий пример эффективности со­юза матричных дисплеев на жидких кристаллах и микро­электронной техники дают современные электронные словари, которые начали выпускать в Японии. Они пред­ставляют собой миниатюрные вычислительные машинки размером с обычный карманный микрокалькулятор, в память которых введены слова на двух (или больше) языках и которые снабжены матричным дисплеем и кла­виатурой с алфавитом. Набирая на клавиатуре слово на одном языке, вы моментально получаете на дисплее его перевод на другой язык. Представьте себе, как улучшит­ся и облегчится процесс обучения иностранным язы­кам в школе и в вузе, если каждый учащийся будет снаб­жен подобным словарем) А наблюдая, как быстро изде­лия микроэлектроники внедряются в нашу жизнь, можно с уверенностью сказать, что такое время не за горами) Легко представить и пути дальнейшего совершенствова­ния таких словарей-переводчиков: переводится не одно слово, а целое предложение. Кроме того, перевод мо­жет быть и озвучен. Словом, внедрение таких словарей-переводчиков сулит революцию в изучении языков и технике перевода.

Жидкие кристаллы сегодня и завтра. Многие оптиче­ские эффекты в жидких кристаллах, о которых рассказы­валось выше, уже освоены техникой и используются в изделиях массового производства. Например, всем из­вестны часы с индикатором на жидких кристаллах, но не все еще знают, что те же жидкие кристаллы использу­ются для производства наручных часов, в которые встро­ен калькулятор. Тут уже даже грудно сказать, как на­звать такое устройство, то ли часы, то ли компьютер. Но это уже освоенные промышленностью изделия, хотя всего десятилетия назад подобное казалось нереальным. Перспективы же будущих массовых и эффективных при­менений жидких кристаллов еще более удивительны. По­этому стоит рассказать о нескольких технических идеях применения жидких кристаллов, которые пока что не реализованы, но, возможно, в ближайшие несколько лет послужат основой создания устройств, которые станут для нас такими же привычными, какими, скажем, сейчас являются транзисторные приемники.

Оптический микрофон. В системах оптической обработки информации и связи возникает необходимость преобразовывать не только световые сигналы в световые, но и другие самые разнообразные воздействия в световые сигналы. Такими воздействиями могут быть давление, звук, температура, деформация и т. д. И вот для преобразования этих воз­действий в оптический сигнал жидкокристаллические ус­тройства оказываются опять-таки очень удобными и пер­спективными элементами оптических систем.

Конечно, существует масса методов преобразовывать перечисленные воздействия в оптические сигналы, одна­ко подавляющее большинство этих методов связано сна­чала с преобразованием воздействия в электрический сигнал, с помощью которого затем можно управлять световым потоком. Таким образом, методы эти двусту­пенчатые и, следовательно, не такие уж простые и эко­номичные в реализации. Преимущество применения в этих целях жидких кристаллов состоит в том, что с их помощью самые разнообразные воздействия можно не­посредственно переводить в оптический сигнал, что уст­раняет промежуточное звено в цепи воздействие—све­товой сигнал, а значит, вносит принципиальное упроще­ние в управление световым потоком. Другое достоинст­во ЖК-элементов в том, что они легко совместимы с уз­лами волоконно-оптических устройств.

Чтобы проиллюстрировать возможности с помощью ЖК управлять световыми сигналами, расскажем о прин­ципе работы «оптического микрофона» на ЖК—устрой­ства, предложенного для непосредственного перевода акустического сигнала в оптический.

Принципиальная схема устройства оптического мик­рофона очень проста. Его активный элемент представляет собой ориентированный слой нематика. Звуковые коле бания создают периодические во времени деформации слоя, вызывающие также переориентации молекул и модуляцию поляризации (интенсивности) проходящего поляризованного светового потока.

Исследования характеристик оптического микрофона на ЖК показали, что по своим параметрам он не уступает су­ществующим образцам и может быть использован в оп­тических линиях связи, позволяя осуществлять непосред­ственное преобразование звуковых сигналов в оптиче­ские. Оказалось также, что почти во всем температурном интервале существования нематической фазы его акустооптические характеристики практически не изменяются

Как сделать стереотелевизор. В качестве еще одного заманчивого, неожиданного и касающегося практически всех применений жидких кристаллов стоит назвать идею создания системы стереотелевидения с применением жидких кристаллов. Причем, что представляется особен­но заманчивым, такая система «стереотелевидения на жидких кристаллах» может быть реализована ценой очень простой модификации передающей телекамеры и до­полнением обычных телевизионных приемников специ­альными очками, стекла которых снабжены жидкокристаллическими фильтрами.

Идея этой системы стереотелевидения чрезвычайно проста. Если учесть, что кадр изображения на телеэкра­не формируется построчно, причем так, что сначала вы­свечиваются нечетные строчки, а потом четные, то с по­мощью очков с жидкокристаллическими фильтрами лег­ко сделать так, чтобы правый глаз, например, видел толь­ко четные строчки, а левый — нечетные. Для этого доста­точно синхронизировать включение и выключение жидко­кристаллических фильтров, т. е. возможность восприни­мать изображение на экране попеременно то одним, то другим глазом, делая попеременно прозрачным то одно, то другое стекло очков с высвечиванием четных и нечет­ных строк.

Теперь совершенно ясно, какое усложнение передаю­щей телекамеры даст стереоэффект телезрителю. На­до, чтобы передающая телекамера была стерео, т. е. чтобы она обладала двумя объективами, соответствую­щими восприятию объекта левым и правым глазом чело­века, четные строчки на экране формировались с по­мощью правого, а нечетные—с помощью левого объ­ектива передающей камеры.

Система очков с жидкокристаллическими фильтра­ми—затворами, синхронизированными с работой телеви­зора, может оказаться непрактичной для массового при­менения. Возможно, что более конкурентоспособной ока­жется стереосистема, в которой стекла очков снабжены обычными поляроидами. При этом каждое из стекол оч­ков пропускает линейно-поляризованный свет, плоскость поляризации которого перпендикулярна плоскости поля­ризации света, пропускаемого вторым стеклом. Стерео же эффект в этом случае достигается с помощью жидко­кристаллической пленки, нанесенной на экран телевизо­ра и пропускающей от четных строк свет одной линей­ной поляризации, а от нечетных—другой линейной по­ляризации, перпендикулярной первой.

Какая из описанных систем стереотелевидения будет реализована или выживет совсем другая система, покажет будущее.

Очки для космонавтов. Знакомясь ранее с маской для электросварщика, а теперь с очками для стереотелевидения, бы заметили, что в этих устройствах управляемый жидкокристаллический фильтр перекрывает сразу все поле зрения одного или обоих глаз. Между тем сущест­вуют ситуации, когда нельзя перекрывать все поле зрения человека и в то же время необходимо перекрыть от­дельные участки поля зрения.

Например, такая необходимость может возникнуть у космонавтов в условиях их работы в космосе при чрез­вычайно ярком солнечном освещении, не ослабленном ни атмосферой, ни облачностью. Эту задачу как в случае маски для электросварщика или очков для стереотеле­видения позволяют решить управляемые жидкокристаллические фильтры.

Усложнение очков в этом случае состоит в том, что поле зрения каждого глаза теперь должен перекрывать не один фильтр, а несколько независимо управляемых фильтров. Например, фильтры могут быть выполнены в виде концентрических колец с центром в центре стекол очков или в виде полосок на стекле очков, каждая из которых при включении перекрывает только часть поля зрения глаза.

Такие очки могут быть полезны не только космонав­там, но и людям других профессий, работа которых мо­жет быть связана не только с ярким нерассеянным осве­щением, но и с необходимостью воспринимать большой объем зрительной информации.

Например, в кабине пилота современного самолета огромное количество панелей приборов. Однако не все из них нужны пилоту одновременно. Поэтому использо­вание пилотом очков, ограничивающих поле зрения, мо­жет быть полезным и облегчающим его работу, так как помогает сосредоточивать его внимание только на части нужных в данный момент приборов и устраняет отвлека­ющее влияние не нужной в этот момент информации.

Подобные очки будут очень полезны также в биоме­дицинских исследованиях работы оператора, связанной с восприятием большого количества зрительной инфор­мации. В результате таких исследований можно выявить скорость реакции оператора на зрительные сигналы, оп­ределить наиболее трудные и утомительные этапы в его работе и в конечном итоге найти способ оптимальной организации его работы. Последнее значит определить на­илучший способ расположения панелей приборов, тип индикаторов приборов, цвет и характер сигналов различ­ной степени важности.

Фильтры подобного типа и индикаторы на жидких кристаллах, несомненно, найдут (и уже находят) широкое применение в кино-, фотоаппаратуре. В этих целях они привлекательны тем, что для управления ими требуется ничтожное количество энергии, а в ряде случаев позво­ляют исключить из аппаратуры детали, совершающие механические движения. А как известно, механические системы часто оказываются наиболее громоздкими и не­надежными.

Какие механические детали кино-, фотоаппаратуры имеются в виду? Это прежде всего диафрагмы, фильт­ры — ослабители светового потока, наконец, прерывате­ли светового потока в киносъемочной камере, синхрони­зованные с перемещением фотопленки и обеспечиваю­щие покадровое ее экспонирование.

Принципы устройства таких ЖК-элементов ясны из предыдущего. В качестве прерывателей и фильтров-ос­лабителей естественно использовать ЖК-ячейки, в кото­рых под действием электрического сигнала изменяется пропускание света по всей их площади. Для диафрагм без механических частей—системы ячеек в виде кон­центрических колец, которых могут под действием элек­трического сигнала изменять площадь пропускающего свет прозрачного окна. Следует также отметить, что сло­истые структуры, содержащие жидкий кристалл и фото­полупроводник, т. е. элементы типа управляемых оп­тических транспарантов, могут быть использованы не только в качестве индикаторов, например, экспозиции, но и для автоматической установки диафрагмы в кино-, фотоаппаратуре.

При всей принципиальной простоте обсуждаемых устройств их широкое внедрение в массовую продукцию зависит от ряда технологических вопросов, связанных с обеспечением длительного срока работы ЖК-элемен-тов, их работы в широком температурном интервале, на­конец, конкуренции с традиционными и устоявшимися техническими решениями и т. д. Однако решение всех этих проблем — это только вопрос времени, и скоро, на­верное, трудно будет себе представить совершенный фо­тоаппарат, не содержащий ЖК-устройства.

Литература:

1. В. де Же. Физические свойства жидкокристаллических веществ.

2. П. де Жен «Физика жидких кристаллов»,

3. С.Чандрасекар «Жидкие кристаллы».

4. Ландау Л.Д., Лифшиц Б.М. Теоретическая физика. Т.5. Статистическая физика.

5. Гросберг А.Ю., Хохлов А.Р. Статистическая физика макромолекул М.:

www.ronl.ru

Смотрите также

• 
  Вызовы будущего и россия реферат
• 
  Азовское море реферат 4 класс
• 
  Реферат математика в гуманитарных науках
• 
  Реферат духовная и светская музыка
• 
  Реферат рефлексия алгоритм рефлексивной деятельности
• 
  Правовые основы орд реферат темы
• 
  Физкультура в жизни девушки реферат
• 
  Ярослав мудрый реферат 5 класс
• 
  Сестринский уход при деменции реферат
• 
  Реферат экологическая катастрофа аральского моря
• 
  Реферат по литературе марина цветаева