Химия

Жидкие кристаллы

Жидкие кристаллы анизотропны (в частности, по оптическим свойствам), что связано с упорядоченностью ориентации их молекул. Возможности этих веществ до сих пор далеко не изучены и являются "Клондайком" для исследователей. Существуют несколько их типов - нематические, холестерические, смектические. Между собой они отличаются различным расположением и ориентацией молекул. В дальнейшем речь пойдет о первом из них - нематиках.

Еще в 1888 г. чешский химик Ф. Рейнитцер и немецкий физик О. Леман обратили внимание на необычное состояние органических веществ - производных холестерина. У кристаллов некоторых из них было две точки плавления и соответственно два жидких состояния - мутное и прозрачное. В дальнейшем именно О. Леман первым употребил термин "жидкие кристаллы". Очевидно, это связано с тем, что они обладают главной характеристикой своих твердых "собратьев" - анизотропией различных физических свойств (теплопроводность, электропроводность, оптические явления и др.).

Однако это открытие поначалу не только не произвело сенсацию в научном мире, но приобрело массу противников среди видных физиков и химиков. Объяснение простое: жидкие кристаллы не укладывались в хорошо устоявшуюся классификацию в физике, делящей все тела на жидкие, твердые и газообразные. Но несмотря на это энтузиасты поиск продолжали, число открытых удивительных веществ быстро увеличивалось и в конце 20-х годов XX в. их насчитывалось уже более тысячи. Тогда же была предпринята попытка создать теорию жидких кристаллов.

Значительную роль здесь сыграли работы шведского ученого К. Озеена (он заложил фундамент современной физики жидких кристаллов), а также немецких - Л. Орнштейна и Г. Цохера. Теория, разработанная последним, объясняет практически любые явления, происходящие в этих веществах.

Существенный вклад в изучение жидких кристаллов внес ленинградский физик В. Фредерике, работавший в Физико-техническом институте под руководством академика А.Ф. Иоффе (1880-1960). Он теоретически и экспериментально доказал, что ориентация нематиков в магнитном поле происходит вследствие диамагнитной анизотропии. Причем при некотором критическом (пороговом) значении подаваемого напряжения все их молекулы одновременно совершают поворот, переводя пленку жидкого кристалла из непрозрачного состояния в прозрачное.

Этот труд стал классическим и оказал большое влияние на последующее развитие данного направления физики. Впоследствии процессы переориентации жидких кристаллов в магнитном и электрическом полях в науке стали называть переходами Фредерикса. А сам эффект лег в основу создания конструкций, отображающих информацию. То есть если на экран подают управляющее поле в виде цифры, буквы или других знаков, то при его включении жидкокристаллическое устройство отобразит в точности "увиденное".

Работы В. Фредерикса стали основой ленинградской школы по изучению жидких кристаллов. В дальнейшем специалисты в этой области появились и в других городах бывшего СССР - Москве, Киеве, Харькове, Новосибирске, Красноярске. А в 80-е годы начался настоящий бум промышленного применения этих веществ. Они оказались гораздо предпочтительнее всех других средств отображения информации ввиду малых габаритов и энергоемкости, технологичности и экономичности. Устройства на жидких кристаллах стали главным конкурентом громоздких электронно-вакуумных трубок в телевидении и компьютерной технике.

Вместе с тем были разработаны новые электрооптические материалы, так называемые жидкокристаллические композиты, - тонкие полимерные пленки с диспергированными в них каплями жидких кристаллов (их размер достигает нескольких микрон). Это новшество открывает перспективу изготовления нового поколения быстродействующих дисплеев, а в будущем - и телевизионных экранов.

Красноярская школа жидких кристаллов зародилась в лаборатории молекулярной спектроскопии Института физики им. Л. В. Киренского Сибирского отделения АН СССР в 1957 г. В конце 80-х годов, задавшись целью создать быстродействующие оптоэлектронные устройства на основе этих веществ, здесь занялись исследованиями новых композитов. И в 1991 г. получили сегнетоэлектрические жидкокристаллические вещества (эти пионерские работы до сих пор остаются приоритетными в научном мире).

Веское слово сказала и плеяда молодых специалистов, пришедшая в последнее время в Красноярский научный центр СО РАН. Так, высоко оценена работа В. Преснякова и А. Шабанова "Переходы Фредерикса в биполярных каплях нематика". В ней переходы Фредерикса изучали на примере нематического вещества 5ЦБ (условное название), диспергированного в поливинилбутирале. Поскольку молекулы первого имеют стержнеобразную форму, то наблюдать за их переориентацией удобно через поляризованный микроскоп, а при необходимости можно производить микрофотографирование и видеозапись. При проведении экспериментов образец тонкой полимерной пленки красноярские ученые помещали между двумя стеклянными подложками с прозрачными электродами на внутренних сторонах. Схема опытов позволяла варьировать напряженность электрического поля, толщину композита и технологию его приготовления.

Исследования показали: в наблюдаемом композите пороговая переориентация не реализуется в чистом виде. Согласно классической модели перехода Фредерикса, в каплях жидких кристаллов одновременный поворот всех молекул, как единого целого, должен происходить только при достижении критического напряжения. В данном же случае это наблюдали лишь там, где длинные оси молекул были перпендикулярны направлению электрического поля, а в остальных частях объема капли отмечалась беспороговая переориентация.

Кроме того, в данном эксперименте были обнаружены особенности прохода света через композитную пленку под действием приложенного напряжения. В классическом варианте характеристики данного параметра имеют S-образный вид. Красноярцы же обнаружили явно выраженную осциллирующую колебательную форму. Ученые считают: этот эффект имеет чисто интерференционную природу. Они теоретически рассчитали это явление, получили численные его значения. Сопоставление полученного с экспериментальными данными показало их хорошее согласование.

Впрочем, все, о чем шла речь, свойственно каплям размером 10-30 мк. Для более тонких образцов (1-3 мк) интерференционные эффекты не наблюдаются. И даже сложение их в несколько слоев не меняет результата.

Исследования, проведенные в Красноярске, позволили не только получить основные характеристики композита, но и найти способ улучшения контрастности (здесь: соотношение оптических характеристик вещества, скажем, светопропускания, во "включенном" и "выключенном" состоянии) материала. Этого можно достичь, варьируя толщину пленки или размер капель жидкого кристалла, в результате чего значительно улучшится качество изображения дисплеев и телевизионных трубок.

Поиск молодых ученых из Сибири - еще одна ступенька в познании так, казалось бы, хорошо и давно знакомых веществ. А если учесть, что высокоорганизованная биологическая материя, в частности клеточная мембрана, имеет много общего с жидкими кристаллами, работы в этом направлении, в конечном счете, должны приблизить нас к познанию тайн живой природы.


А.К. МАЛЬЦЕВ

Подробная информация доходный дом в мюнхене здесь.
Авторские права на статьи принадлежат их авторам
Проект компании Kocmi LTD