Что общего между русалкой, кентавром и... жидким кристаллом? Русалка и кентавр – это сказочные существа с головой человека и туловищем рыбы и лошади, соответственно. Таким образом, в них сочетаются черты человека и животного. А жидкие кристаллы сочетают в себе свойства жидкостей и твердых тел. Только в отличие от русалки и кентавра жидкие кристаллы вполне реальны и их можно не только увидеть, но и потрогать руками! Возьмите кусочек мыла, растворите его в воде – и вот уже вы держите в своих руках ни что иное, как настоящий жидкий кристалл!
Что же общего у жидкого кристалла с жидкостями и обычными кристаллами? Как и любая жидкость, жидкий кристалл обладает текучестью и способностью к каплеобразованию; и вместе с тем, подобно обычному кристаллу, в котором атомы «размножаются» в трехмерном пространстве определенными математическими операциями (операциями симметрии), жидкий кристалл тоже характеризуется упорядочением, но особого рода: образующие его молекулы (которые, как правило, имеют вытянутую или дискообразную форму) обладают определенной ориентацией, хотя полный порядок в расположении центров тяжести молекул отсутствует (Рис.1). Таким образом у молекул в жидком кристалле больше степеней свободы. Жидкие кристаллы можно сравнить с потоком бревен, сплавляемых по реке: в целом они все выстроены в одном направлении, по течению, хотя каждое бревно плывет само по себе (меткое сравнение д.х.н. Ю.Евдокимова). Тем не менее, даже такого упорядочения достаточно для того, чтобы жидкие кристаллы проявляли необычные механические, магнитные, и, что еще более важно, аномальные электрические и оптические свойства. Долгое время считалось, что с точки зрения практического применения жидкие кристаллы не обладают никакими полезными свойствами. Свое первое применение они нашли в дисплеях для калькуляторов и электронных часов, а затем их стали использовать в мониторах портативных компьютеров и телевизоров.
Жидкие кристаллы открыл в 1888 г. австрийский ботаник Ф.Рейнитцер, изучавший роль холестерина в растениях. Нагревая синтезированное им твердое вещество холестерилбензоат, он обнаружил, что при температуре ~ 145oC кристаллы плавятся и образуют мутную, сильнорассеивающую свет жидкость, ныне называемую жидким кристаллом, которая при дальнейшем нагревании (~ 179oC) становится совершенно прозрачной. Почти все жидкие кристаллы, обнаруженные на сегодняшний день, представляют собой органические соединения (исключение составляет, например, гидратированный оксид ванадия (V), но в неорганике таких примеров не так много!); однако далеко не все органические вещества могут находится в жидкокристаллическом состоянии.
В зависимости от способа получения жидкие кристаллы можно разделить на термотропные и лиотропные. К первому типу относятся вещества, получаемые нагреванием кристаллической фазы (как, например, нагревание холестерилбензоата). Лиотропными называют жидкие кристаллы, которые получают при растворении некоторых веществ в контролируемом количестве растворителя.
Нематические жидкие кристаллы (от греческого «нема» - нить) характеризуются наличием ориентационного порядка, но отсутствием позиционного, то есть центры масс молекул расположены беспорядочно и молекулы могут свободно вращаться вокруг своей продольной оси. Их можно сравнить с карандашами в коробке: каждый карандаш может вращаться и скользить вперед и назад, но все вместе карандаши должны оставаться практически параллельны друг другу (Рис.2а).
Холестерические жидкие кристаллы (от названия вещества холестерина, которого очень боятся люди, не соблюдающие диету) имеют слоистую структуру, в которой каждый слой характеризуется небольшим измененением угла ориентации молекул по отношению к предыдущему слою. Они характеризуются расстоянием (Р), за которое ориентационный вектор совершит оборот в 360о (Рис.2б). Для многих холестерических жидких кристаллов это расстояние сравнимо с длиной волны видимого света, что крайне важно для формирования оптических свойств. Например, нагрев жидких кристаллов этого типа на десятые доли градуса лишь незначительно изменяет угол поворота соседних слоев молекул, однако это небольшое изменение приводит к тому, что для всего жидкокристаллического слоя, который состоит из тысяч слоев молекул, изменяется угол вращения отраженного света, и холестерик изменяет свой цвет. На этом основано, например, использование холестерических жидких кристаллов в детских «налобных» термометрах, которые были какое-то время очень популярны в Японии.
Смектические жидкие кристаллы (от греческого «смегма» - мыло) характеризуются как ориентационным, так и позиционным порядком (Рис.2в). Молекулы размещаются так, чтобы их оси были параллельны, образуя слоистую структуру. Слои могут скользить друг по другу, а каждая из молекул двигаться в двух измерениях: скользить вместе со слоем и вращаться вокруг своей продольной оси. Выделяют также хиральные смектические жидкие кристаллы, у которых продольные оси молекул одного слоя повернуты на небольшой угол относительно молекул соседнего слоя (Рис.2г). Кроме того, существуют дискотические жидкие кристаллы (образующие их молекулы имеют дискообразную форму). Дискотические нематические фазы (Рис.2д) характеризуются структурой, состоящей из одинаково ориентированных дисков; дискообразные молекулы могут выстраиваться и в колонны (Рис.2е).
Для создания жидкокристаллических мониторов (Рис.3) в основном используют нематические жидкие кристаллы. Так, известное англоязычное обозначение ЖК-мониторов STN означает supertwisted nematics, то есть «суперперекрученные нематики», и их, действительно, перекручивают! Свет от лампы-подсветки проходит через специальный фильтр ("николь"), размещенный с тыльной стороны монитора, и линейно поляризуется. С фронтальной стороны монитора также расположен поляризационный фильтр, который повернут относительно первого на 900 и поэтому не пропускает свет от первого фильтра ("перекрещенный николь").
Если бы между фильтрами не было никаких жидких кристаллов, то монитор всегда оставался бы темным. Однако в ЖК- мониторе есть также два прозрачных электрода с параллельными рядами бороздок на их поверхности; вдоль которых легко ориентируется приповерхностные слои жидкого кристалла. При этом бороздки на противоположных электродах, как и фильтры, перекрещены, поэтому нематики перекручиваются электродами (если помните, они состоят из ориентированных «нитей»). А это приводит к тому, что «перекручивается» и плоскость поляризации света, идущего от первого фильтра. Ко второму фильтру свет приходит в другой поляризации, отличающейся от исходной - именно той, которая "тушится" - и уже может выйти наружу – монитор начинает светиться. Остается только научиться управлять ориентацией молекул жидкого кристалла, что делают путем приложения электрического потенциала между электродами, изменяющего светимость точки-пикселя. Если к этому добавить три цветовых фильтра (красный, зеленый, голубой, так называемая схема RGB, «Red-Greеn-Blue»), то можно легко «смешивать» цвета, формируя гаммы из тысяч и даже миллионов цветов.
В нанотехнологиях жидкие кристаллы очень часто используют в качестве «темплатов» или шаблонов для создания упорядоченных наноструктур, например, мезопористых систем, наноструктурированных электродов и т.д.
Литература
Современная кристаллография. Т.4,М.: «Наука», 1981, 460 с.
