Жидкие кристаллы
Информация - Физика
Другие материалы по предмету Физика
· всех частично твёрдых жидких кристаллов решётка жидких нитей кажется самой близкой по строению к полностью твёрдому кристаллу, ведь в этом случае не хватает твёрдости лишь в единственном направлении. Долгое время природа не давала в руки учёным такие материалы, и эта модель кристалла существовала чисто умозрительно.
В 1977 г. индийские учёные лабораторным путём получили дискообразные молекулы. И оказалось, что именно такие молекулы собираются в жидкие столбики или нити с диаметром, примерно равным диаметру молекулы - диска. В каждом столбике диски молекул примерно параллельны друг другу, как в нематике, а расстояния между дисками совершенно произвольны, вследствие чего они свободно движутся вдоль столбиков, которые именно поэтому могут быть названы жидкими нитями, а точнее - нематическими столбиками. Сами же нематические столбики расположены в пространстве очень строго; все они параллельны друг другу и образуют шестиугольную решётку в плоскости xy. Происходит это неслучайно. Взаимное притяжение молекул при неизменном расстоянии между центрами дисков будет наибольшим, когда диски параллельны и располагаются друг над другом, т.к. на одинаковом расстоянии находятся практически все атомы молекул. Притяжение будет наименьшим, когда диски находятся в одной плоскости, т.к. близко расположены только крайние атомы.
Силы отталкивания молекул тоже различны при разных взаимных положениях дисков. Таким образом, при одном и том же расстоянии между центрами масс молекулы, располагаясь вертикально в столбиках, они сильно притягиваются, но слабо отталкиваются. И наоборот, располагаясь в одной плоскости, они слабо притягиваются, но сильно отталкиваются. Поэтому в столбиках преобладают силы притяжения, благодаря чему они благополучно сопротивляются тепловым толчкам. А сами столбики составляют правильную шестиугольную решётку в основном за счёт мощных сил отталкивания.
При большом нагреве силы отталкивания не могут обеспечить строгий порядок в расположении столбиков - решётка в двух измерениях расплавится и образуется трёхмерный нематик, который течёт в любом направлении при сохранении параллельности дисков.
Такой кристалл можно представить себе как систему плотно уложенных жёстких трубок. Отличие упругих свойств этого кристалла от нематика заключается в том, что здесь возможны не все отклонения оптической оси L от единственного направления, которые наблюдаются на разных участках при различных нагрузках. Теперь оптическая ось жёстко связана с настоящей кристаллической решёткой, хотя и существует лишь в двух измерениях. Фактически вектор L совпадает по направлению с осями жёстких трубок, поэтому тут недопустимы закручивание оптической оси в твист-ориентацию и её изгиб. Такие деформации означали бы, что в некоторых местах трубки должны сильно разрушиться, а чтобы так искорёжить трубки, нужны невероятные усилия по преодолению сил отталкивания, при которых само существование решётки становится невозможным. Значит, оптическая ось может изогнуться только в виде изгиба пучка жёстких трубок, плотно подогнанных друг к другу. Такие ограниченные возможности изменения оптических свойств и показывают, что мы имеем дело с отчасти твёрдым жидким кристаллом. Расплавив его в диско-нематик, который обладает очень большой вязкостью, можно убедиться, что в таком нематике существуют и кручение, и два вида изгибов оптической оси.
Кристалл, твёрдый только в одном направлении
Рассмотрим ещё один вид жидких кристаллов - смектики. В переводе с греческого это означает мыльный. Уже давно было обнаружено, что есть сорт жидких кристаллов, похожих по своему строению на мыльные плёнки. Плёнка устроена так. Тонкая прослойка молекул воды окружена с двух сторон дипольными молекулами. При этом дипольные головки обращены к воде, а длинные хвосты торчат наружу. При этом поверхность плёнки совершенно нейтральна, т.к. хвосты не несут на себе никаких электрических зарядов. Такая оболочка ни к чему не прилипает, кроме того она обладает поверхностным натяжением, что придаёт ей прочность и эластичность.
Так, например, рассматривая мыльный пузырь, мы имеем дело с тонким слоем, равным сумме длин нескольких молекул, в котором все частицы, ориентированные одинаково (перпендикулярно поверхности), свободно перемещаются вдоль поверхности так, что центры масс молекул находятся на одной и той же плоскости. Эта плоскость называется смектической. Смектическая плоскость параллельна поверхности такого тонкого слоя. Можно сделать и толстую мыльную плёнку, представляющую собой стопку тонких слоёв, параллельных между собой. В каждом индивидуальном слое молекулы беспрепятственно передвигаются вдоль плоскости под воздействием тепловых толчков. Но все плоскости в стопке слоёв находятся друг от друга на совершенно определённом расстоянии. Это расстояние одинаково для любых соседних плоскостей и примерно равно длине молекулы. Фактически это описание ещё одной конструкции кристаллической решётки. Она периодична только в одном направлении - вдоль z. Период решётки составляет примерно длину одной молекулы. Вдоль плоскостей этот жидкий кристалл ведёт себя как обычная жидкость, но вдоль единственной кристаллической оси он демонстрирует свойства твёрдого тела, т.е. упругость.
Жидкий кристалл, твёрдый лишь в одном направлении, называется смектиком.
Химией получено множество смектиков, молекулы которых отвечают двум обязательным требованиям: они длинные и