высокой плотности. При средней плотности, когда на каждую молекулу
приходится объём, меньший, чем l3, но больший чем а2l, ориентационный
порядок будет неполным, но заметным. И связан этот порядок с тем, что
молекулы не могут из-за сильного отталкивания проникать друг в друга.
Плотность стержнеобразных молекул можно изменять без заметного
изменения общего объёма жидкости, когда такие молекулы растворяются в каком-
нибудь обычном растворителе, например в воде. Повышая содержание воды в
соответствующем растворе, мы получаем обычную неориентированную жидкость.
При очень малом же содержании растворителя образуется нематическая или
холестерическая жидкость, в зависимости от деталей структуры молекул.
Растворы полимерных молекул являются как раз нематическими жидкими
кристаллами.
Работу клеток живого организма во многом определяют жидкие кристаллы-
растворы, которые образуются из специальных молекул. Эти молекулы устроены
более сложно. Их взаимодействие друг с другом и с молекулами растворителя
характеризуются силами отталкивания и силами электростатического
притяжения. Она состоит из небольшой головки (рис58а), представляющей
собой электрический диполь, и длинного незаряжённого хвоста.
[pic]
рис.58
Напомним, что молекулы воды - тоже электрические диполи. Противоположно
заряжённые концы диполей притягиваются друг к другу, и поэтому молекулярные
головки притягивают воду. В тоже время хвосты молекул химически устроены
так, что они отталкивают воду, как молекулы жиров или воска.
7.4. Смектическая жидкость.
Строение особых молекул, описанных выше, объясняет большое
разнообразие структуры жидких кристаллов-растворов. Например, при
определённой концентрации таких молекул в воде могут получаться жидкие
кристаллы, в которых молекулы не только одинаково ориентируется, но и
образуют жесткую кристаллическую решетку. Только эта решетка лишь отчасти
похожа на обычную решётку твёрдого тела, периодическую в трёх взаимно
перпендикулярных направлениях. Таких направлений в особых жидких кристаллах
может быть только два или даже одно.
На рисунке 58,б изображена стопка слоёв, образующихся при не очень малой
концентрации молекул в воде. Хвосты молекул как бы «прячутся» от воды за
оболочками из дипольных головок. Вода является прослойкой между двойными
слоями молекул. Стопка таких слоёв образует кристаллическую решётку,
периодическую только в одном направлении - вдоль оси Z. В этом направлении
жесткость решётки почти такая же, как в твёрдом теле, в то время как в
поперечных направлениях слои могут свободно скользить, то есть вдоль слоёв
система ведёт себя как жидкость. Такая структура сродни мылу, поэтому такие
жидкие кристаллы называются смектическими. Они похожи на холестерики своей
слоистостью, но периоды решёток в этих двух случаях различны. В
холестериках период составляет несколько тысяч ангстрем, а в смектиках -
несколько десятков ангстрем (что соответствует длине молекулы).
При определенной концентрации раствора возникает кристаллическая
решётка, периодическая в двух направлениях. При этом дипольные молекулы
собираются в жидкие столбики или «нити», которые и образуют такую решётку,
похожую на стопку карандашей (рис59,а). Подобные отчасти твёрдые кристаллы
существуют не только в растворах. Ими могут быть и отдельные вещества,
изменяющие своё состояние при изменении температуры. При этом обычно с
понижением температуры состояния меняются в такой последовательности:
обыкновенная жидкость – нематическая жидкость или холестерик - смектик -
твёрдый кристалл. Долгое время не находили жидкокристаллических веществ с
решётками, периодическими в двух направлениях, но недавно были обнаружены и
они.
На рис 59,б такая решётка, образованная жидкими столбиками дискообразных
молекул. Интересно, что в последнем случае существует и ориентационный
порядок: плоскости дисков в столбике параллельны друг другу, хотя центры
дисков располагаются хаотически вдоль оси жидкого столбика.
[pic]
рис. 59
7.5.Эффект Фредерикса.
Наибольшее впечатление производят оптические свойства жидких кристаллов,
сделавшие эти объекты столь популярными. В жидких кристаллах направление
оптических осей можно изменять с помощью самых разных воздействий, в том
числе электрическими или магнитными полями. Эффект изменения направления
ориентации молекул в нематической жидкости под действием поля наблюдался
ещё в предвоенные годы известным советским учёным В.Фредериксом и носит
теперь его имя. Пользуясь популярными сейчас электронными часами и
калькуляторами на жидких кристаллах, вы наблюдаете это явление - эффект
Фредерикса.
Прежде чем описать эффект Фредерикса, необходимо напомним, что
такое поляризованный свет. В луче поляризованного света вектор
напряжённости электрического поля Е колеблется вдоль единственного
направления. Обычный естественный свет не имеет такой определённой
поляризации, так как он состоит из всевозможных волн, каждая из которых
имеет произвольное направление колебаний вектора Е, а все вместе они
составляют неполяризованный световой пучок. Особые кристаллы –
поляризаторы - преобразуют неполяризованный свет в линейно поляризованный,
поскольку они могут пропускать сквозь себя только волны, в которых вектор Е
ориентирован совершенно определённо по отношению к оптической оси
поляризатора. Например, кристалл турмалина пропускает сквозь себя лишь
свет, поляризованный вдоль оптической оси этого кристалла, в то время как
волны с перпендикулярной поляризацией им сильно поглощаются.
Если на пути светового пучка расположить два поляризатора, оси
которых параллельны, то свет пройдёт сквозь оптическую систему, показанную
на рис60а, а если оси поляризаторов скрещены, то свет сквозь эту систему
пройти не сможет (рис60б).
[pic]рис.60
Поместим теперь между двумя скрещёнными поляризаторами два стекла, а между
ними - нематическую жидкость, предварительно слегка пополировав стекла
вдоль определённого направления. Такая полировка стёкол нужна для того,
чтобы сориентировать в заданном направлении оптическую ось жидкого
кристалла (n). Например, при параллельной полировке стёкол молекулы,
прилипшие к стёклам параллельно микробороздам на стеклянной поверхности,
задают благодаря описанным межмолекулярным взаимодействиям такую же
ориентацию вектора n и в глубине слоя нематической жидкости (рис61а). Если
неполированные стёкла предварительно обработать специальными химическими
веществами, то можно добиться ориентации оси n перпендикулярно стеклянной
поверхности (рис61б).
Наконец, если полированные стёкла развернуть перпендикулярно друг другу, то
можно получить закрученную по толщине слоя ориентацию вектора n (рис61в).
Как же проходит поляризованный свет сквозь ориентированный слой
нематической жидкости и сквозь изображённые оптические системы вообще? Если
поляризация света параллельна оси n, то свет проходит сквозь жидкий
кристалл, не изменяя своей поляризации (61а). То же происходит и в случае,
если поляризация света перпендикулярна оптической оси (рис61б). В случае
закрученной ориентации n поляризация света также поворачивается вслед за
осью n (рис61в).
Что же происходит в слое жидкого кристалла при прохождении через него
света? В жидком кристалле, поле проходящей световой волны приводит к
разделению зарядов в молекулах и возникновению дипольных колебаний.
Предположим, что в молекуле кристалла электроны легко смещаются вдоль
длинной оси молекулы, то есть вдоль направления n. Тогда в случае,
изображённом на рисунке 61а, по толщине слоя распространяются падающая
волна и вторичные волны, причём векторы Е в волнах совпадают по
направлению. В случае, изображённом на рисунке 61б диполи не образуются и
вторичные волны не излучаются; значит, падающая волна проходит, не
ослабляясь. Наконец, в случае 61в поляризация света изменяет своё
направление в соответствии с поворотом оптической оси n по толщине слоя.
Поворот вектора Е в такт с осью n обеспечивает излучение вторичных волн, не
ослабляемое на любой глубине слоя. (это интерференционное явление возможно
тогда, когда на пути светового луча находятся многочисленные диполи -
источники вторичных волн, то есть когда толщина слоя намного больше длины
волны света).
Так свет проходит сквозь слой нематической жидкости и доходит до второго
поляризатора. И здесь возникает уже знакомая нам ситуация. В случаях а и б
(рис61) свет сквозь оптическую систему пройти не может, а в случае в
(рис61) он проходит беспрепятственно. А теперь представим себе
промежуточный случай, когда оси n на стенках скрещены между собой, но в
толще слоя, благодаря какому-то воздействию, они повернулись почти
перпендикулярно стёклам. В этой ситуации свет практически не проходит
сквозь второй поляризатор. Остался ещё один шаг до массового применения
подобной системы. Надо научится управлять оптической осью нематической
жидкости так, чтобы в отсутствии воздействия эта ось ориентировалась, как
на рисунке 61в, а при включении воздействия она наклонялась на заметный
угол, как на рисунках 61,б и г. После выключения воздействия, молекулы
занимают свои прежние позиции, вследствие условий на стеклянных
поверхностях и взаимодействий между собой.
Оказалось, что именно в нематическом жидком кристалле это очень просто
сделать с помощью электрического поля, заключив слой между полированными
стёклами, на которые нанесены прозрачные электроды.
[pic] рис.61
Подключив к этим электродам слабенькую батарейку и замкнув цепь, мы сделаем
нашу оптическую систему светонепроницаемой, а разомкнув цепь – прозрачной,
что и осуществил впервые Фредерикс.
Почему электрическое поле поворачивает молекулы так, как нам нужно, и сколь
сильным оно при этом должно быть?
Ответ на первую часть вопроса легко дать с помощью рисунка 62.
Пусть молекула, у которой диполь легко образуется вдоль длинной оси,
находится в электрическом поле и между векторами Е и n имеется
некоторый угол. Тогда в образовавшемся диполе на заряды +Q и –Q действуют
силы F+ =+QE и F- = -QE; таким образом, возникает пара сил, создающая
крутящий момент.
Этот момент сил и поворачивает молекулу так, чтобы она своей длинной осью
ориентировалась вдоль вектора Е.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14
