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. 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. (Почему такие на первый взгляд
непонятные названия дал Фридель разновидностям жидких кристаллов, будет
понятно несколько ниже.) Он же предложил общий термин для жидких кристаллов
— «мезо морфная 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. Когда
классификация жидких кристаллов была создана, более остро встал вопрос:
почему в природе реализуется жидкокристаллическое состояние? Полным ответом
на подобный вопрос принято считать создание микроскопической теории. Но в
то время на такую теорию не приходилось и надеяться (кстати,
последовательной микроскопической теории ЖК не существует и по сей день),
поэтому большим шагом вперед было создание чешским ученым X. Цохером и
голландцем С. Озерном феноменологической теории жидких кристаллов, или, как
ее принято называть, теории упругости ЖК. В 30-х годах в СССР В. К.
Фредерике и В. Н. Цветков первыми изучили необычные электрические свойства
жидких кристаллов. Можно условно считать, что рассказанное выше относилось
к предыстории жидких кристаллов, ко времени, когда исследования ЖК велись
малочисленными коллективами. Современный этап изучения жидких кристаллов,
который начался в 60-е годы и придал науке о ЖК сегодняшние формы, методы
исследований, широкий размах работ сформировался под непосредственным
влиянием успехов в технических приложениях жидких кристаллов, особенно в
системах отображения информации. В это время было понято и практически
доказано, что в наш век микроэлектроники, характеризующийся внедрением
микроминиатюрных электронных устройств, потребляющих ничтожные мощности
энергии для устройств индикации информации, т. е. связи прибора с
человеком, наиболее подходящими оказываются индикаторы на ЖК. Дело в том,
что такие устройства отображения информации на ЖК естественным образом
вписываются в энергетику и габариты микроэлектронных схем. Они потребляют
ничтожные мощности и могут быть выполнены в виде миниатюрных индикаторов
или плоских экранов. Все это предопределяет массовое внедрение
жидкокристаллических индикаторов в системы отображения информации,
свидетелями которого мы являемся » настоящее время. Чтобы осознать этот
процесс, достаточно вспомнить о часах или микрокалькуляторах с
жидкокристаллическими индикаторами. Но это только начало. На смену
традиционным и привычным устройствам идут жидкокристаллические системы
отображения информации.jkbk часто бывает, технические потребности не только
стимулируют разработку проблем, связанных с практическими приложениями, но
и часто заставляют переосмыслить общее отношение к соответствующему разделу
науки. Так произошло и с жидкими кристаллами. Сейчас понятно, что это
важнейший раздел физики конденсированного состояния.
Другим важным обстоятельством является то, что проводимость в жидких
кристаллах носит ионный характер. Это означает, что ответственными за
перенос электрического тока в ЖК являются не электроны, как в металлах, а
гораздо более массивные частицы. Это положительно и отрицательно заряженные
фрагменты молекул (или сами молекулы), отдавшие или захватившие избыточный
электрон. По этой причине электропроводность жидких кристаллов сильно
зависит от количества и химической природы содержащихся в них примесей. В
частности, электропроводность нематика можно целенаправленно изменять,
добавляя в него контролируемо» количество ионных добавок, в качестве
которых могут выступать некоторые соли.
Из сказанного понятно, что ток в жидком кристалле представляет собой
направленное движение ионов в системе ориентированных палочек-молекул. Если
ионы представить себе в виде шариков, то свойство нематика обладать
проводимостью вдоль директора в р. больше, чему, представляется совершенно
естественным и понятным. Действительно, при движении шариков вдоль
директора они испытывают меньше помех от молекул-палочек, чем при движении
поперек молекул-палочек. В результате чего и следует ожидать, что
продольная проводимость о II будет превосходить поперечную проводимость.
Более того, обсуждаемая модель шариков-ионов в системе ориентированных
палочек-молекул с необходимостью приводит к следующему важному заключению.
Двигаясь под действием электрического тока поперек направления директора
(мы считаем, что поле приложено поперек директора), ионы, сталкиваясь с
молекулами-палочками, будут стремиться развернуть их вдоль направления
движения ионов, т. е. вдоль направления электрического тока. Мы приходим к
заключению, что электрический ток в жидком кристалле должен приводить к
переориентации директора.
Эксперимент подтверждает выводы рассмотренной выше простой механической
модели прохождения тока в жидком кристалле. Однако во многих случаях
ситуация оказывается не такой простой, как может показаться на первый
взгляд.
Часто постоянное напряжение, приложенное к слою нематика, вызывает в
результате возникшего тока не однородное изменение ориентации молекул, а
периодическое в пространстве возмущение ориентации директора. Дело здесь в
том, что, говоря об ориентирующем молекулы нематика воздействии ионов
носителей тока, мы пока что пренебрегали тем, что ионы будут вовлекать в
свое движение также и молекулы нематика. В результате такого вовлечения
прохождение тока в жидком кристалле может сопровождаться гидродинамическими
потоками, вследствие чего может установиться периодическое в пространстве
распределение скоростей течения жидкого кристалла. Вследствие
обсуждавшейся в предыдущем разделе связи потоков жидкого кристалла с
ориентацией директора в слое нематика возникнет периодическое возмущение
распределения директора. Подробней на этом интересном и важном в приложении
жидких кристаллов явлении мы остановимся ниже, рассказывая об электрооптике
нематиков.
Флексоэлектрический эффект. Говоря о форме молекул жидкого кристалла, мы
пока аппроксимировали ее жесткой палочкой. А всегда ли такая аппроксимация
хороша? Рассматривая модели структур молекул, можно прийти к заключению,
что не для всех соединений приближение молекула-палочка наиболее адекватно
их форме. Далее мы увидим, что с формой молекул связан ряд интересных,
наблюдаемых на опыте, свойств жидких кристаллов. Сейчас мы остановимся на
одном из таких свойств жидких кристаллов, связанном с отклонением ее формы
от простейшей молекулы-палочки, проявляющемся в существовании
флексоэлектрического эффекта.
Интересно, что открытие флексоэлектрического эффекта, как иногда говорят
о теоретических предсказаниях, было сделано на кончике пера американским
физиком Р. Мейером в 1969 году.
Рассматривая модели жидких кристаллов, образованных не молекулами-
палочками, а молекулами более сложной формы, он задал себе вопрос: «Как
форма молекулы может обнаружить себя в макроскопических свойствах?» Для
конкретности Р. Мейер предположил, что молекулы имеют грушеобразную или
банановидную форму. Далее он предположил, что отклонение формы молекулы от
простейшей, рассматривавшейся ранее, сопровождается возникновением у нее
электрического дипольного момента.
Возникновение дипольного момента у молекулы несимметричной формы — типичное
явление и связано оно с тем, что расположение «центра тяжести»
отрицательного электрического заряда электронов в молекуле может быть
несколько смещено относительно «центра тяжести» положительных зарядов
атомных ядер молекулы. Это относительное смещение отрицательных и
положительных зарядов относительно друг друга и приводит к возникновению
электрического дипольного момента молекулы. При этом в целом молекула
остается нейтральной, так как величина отрицательного заряда электронов в
точности равна положительному заряду ядер. Величина дипольного момента
равна произведению заряда одного из знаков на величину их относительного
смещения. Направлен дипольный момент вдоль направления смещения от
отрицательного заряда к положительному. Для грушеобразной молекулы
направление дипольного момента по симметричным соображениям должно
совпадать с осью вращения, для банановидной молекулы — направлено поперек
длинной оси.
Рассматривая жидкий кристалл таких молекул, легко понять, что без влияния
на него внешних воздействий дипольный момент макроскопически малого, но,
разумеется, содержащего большое число молекул объема жидкого кристалла,
равен нулю. Это связано с тем, что направление директора в жидком кристалле
задается ориентацией длинных осей молекул, количество же молекул, дипольный
момент которых направлен по директору в ту и другую сторону — для
грушеобразных молекул, или для банановидных молекул — поперек направления
директора в ту и другую сторону, одинаково. В результате дипольный момент
любого макроскопического объема жидкого кристалла равен нулю, так как он
равен сумме дипольных моментов отдельных молекул.
Так, однако, дело обстоит лишь в неискаженном образце. Стоит путем внешнего
воздействия, например механического, исказить, скажем, изогнуть его, как
молекулы начнут выстраиваться, и распределение направлений дипольных
моментов отдельных молекул вдоль директора для грушеподобных молекул и
поперек директора для банановидных будет неравновероятным. Это означает,
