Жидкие кристаллы
Информация - Физика
Другие материалы по предмету Физика
/ul>
Переходя к классификации жидких кристаллов, стоит рассмотреть фотографию так называемого нематика, сделанную при помощи микроскопа. На неё прекрасно видны толстые и тонкие нити, пересекающие снимок. Они возникли в результате каких-то сильных изменений в направлении оптической оси в пространстве. Это происходит в окрестности того места в материале, которое подверглось сильной деформации. Это деформация ориентации оси L. Она может быть вызвана разными условиями: внешние границы, инородные вкрапления, всякие воздействия на жидкий кристалл. Поэтому в неидеальных условиях трудно получить жидкость с неизменным направлением L в любом месте. Обычно касательные, проведённые к векторам L в разных точках выделенного участка, оказываются приблизительно параллельными. Таким образом, эти искривления образуют линии, которые и видны в нематике. Строго говоря, они являются дефектами ориентации вектора L. Как всякий дефект, нити не выгодны для сообщества молекул. Действительно, в центре звезды (места пересечения и схождения нитей) соседние молекулы должны очень резко изменять свою ориентацию. При этом одни их концы должны соединиться, а противоположные - сильно разойтись. Но это не совместимо с балансом сил притяжения и отталкивания, благодаря которому и существует жидкий кристалл. Выходом из этого противоречия служит то, что молекулы в самом центре звезды вообще никак не ориентируются. Нить как бы расплавляется в обычную жидкость.
Нематик избавился бы от своих нитей, поскольку без них абсолютно все молекулы были бы параллельны друг другу, что энергетически выгодно. Но этому препятствуют посторонние причины: нити могут крепиться своими концами к твёрдым частицам примеси внутри слоя, к каким-нибудь выступам и неровностям на твёрдой поверхности, соприкасающейся с нематиком. Нити могут также цепляться друг за друга, образуя сеть и мешая друг другу исчезнуть.
Некоторые нити сами по себе не очень прочны. Если мысленно ухватиться за центр звезды и потянуть весь пучок лучей вертикально к плоскости, то все эти лучи на большом расстоянии от плоскости станут практически параллельными. Это наиболее выгодная ориентация молекул. Нематик при возможности старается вытолкнуть эту нить, например, течением, и тогда происходит так называемое вытекание нити в третье измерение - вертикально к плоскости звезды.
Особенностью нематика является то, что его тонкий слой, если не принять специальных мер, выглядит мутным. Обычная жидкость при тех же условиях была бы прозрачной. Дело в том, что в тонком слое мало молекул. Они рассеивают свет слабо, если связаны слабо одна с другой: интенсивность такого рассеянного света пропорциональна числу молекул. В нематике очень многие молекулы ориентированы одинаково, т.е. могут согласованно излучать вторичные волны. Размеры отдельных зёрен с N одинаково ориентированными молекулами достигают сотен нанометров (это крупные области). Эти зёрна не вечны и резко не отделяются друг от друга. Напротив, они могут существовать совсем недолго, их границы сильно размыты, т.е. такие области с одинаковой ориентацией молекул непрерывно рождаются и исчезают. Тем не менее, за время своего существования они успевают сильно рассеять свет. Интенсивность света, рассеянного зёрнами, пропорциональна N2. При этом такие области сильно рассеивают вперёд белый свет. Это полностью аналогично туману - воздуху с капельками воды.
Такое рассеивание было бы невозможно, если бы все зёрна имели одинаковую ориентацию, как в твёрдом кристалле. В обычных же условиях тепловые толчки мешают зёрнам нематика ориентироваться параллельно. В каждом зерне все молекулы ориентированы одинаково, поскольку здесь силы притяжения молекул успешно противостоят тепловым толчкам. Эта картина выглядит так, будто слой нематика постоянно растрескивается на кусочки со своими собственными направлениями вектора L. Трещины и есть дефекты ориентации молекул. Со временем какие-то трещины затягиваются, но возникают новые, размеры зёрен всё время меняются, и нарисованная картина как бы плывёт у нас на глазах. Так происходит во всех случаях (даже в твёрдых кристаллах), когда тепловое расшатывание конкурирует со стабилизирующими силами.
Эффект Фредерикса
Наиболее впечатляющие свойства жидких кристаллов, сделавшие эти объекты столь популярными, проявляются в различных оптических эффектах, которые очень необычны для жидкости. Такие эффекты присущи твёрдому кристаллу, но теперь становится ясным, в чём тут дело: в нематике, как и в кристалле, есть оптическая ось. Но в отличие от твёрдого кристалла, в жидком кристалле ею можно легко управлять с помощью самых разных воздействий, в том числе и электрическими полями. Эффект изменения направления оси в нематике под действием поля наблюдался ещё известным советским учёным Фредериксом и носит теперь его имя.
Оказалось, что именно в нематике эффект наиболее просто наблюдать. Это вызвано относительной слабостью сил молекулярного взаимодействий в таком жидком кристалле. Выше уже говорилось о том, что, если не принимать особых мер, то нематик как бы разбивается на отдельные осколки или зёрнышки. Ориентация отдельного зерна при этом довольно случайна, ведь нет никаких оснований считать то или иное направление избранным. Такое положение способствует своеобразной анархии среди зёрен (но не среди молекул внутри зерна). Возникает необходимость как-то указать им, какого определённого направления прид