Жидкие кристаллы
Информация - Физика
Другие материалы по предмету Физика
µ силы восстановят исходное направление вектора L.
Изогнутость оптической оси играет важную роль при втягивании нематика в узкую щель между двумя стёклами параллельно направлению полировки. При этом оптическая ось изгибается, подобно тетиве лука. Следовательно, натяжение тонкой жидкой плёнки на поверхности увеличивается в нематике за счёт упругих сил ориентации. Однако, поверхностная плёнка нематика может быть и вогнута, но оптическая ось при этом перпендикулярна направлению движения и не испытывает изгиба, в этом случае натяжение поверхности меньше, и, значит, втягивание жидкости должно происходить медленнее. Моделируя строение нематика, можно прийти к следующим выводам: в окрестностях нитей нематика возникают заметные силы растяжения и сжатия. Звёзды растяжения и сжатия нитей притягивают друг друга, т.к. разреженность одной может компенсироваться высокой плотностью другой. С помощью микроскопа видно, как пара дефектов стягивается в одну точку и исчезает. Это убедительно свидетельствует о существовании упругих сил ориентации в нематике.
Действие поля на оптическую ось
Оптической осью нематика можно управлять, и электрическое поле для этого идеально подходит. Оно поворачивает продолговатые молекулы, а значит, и ось L так, чтобы вектор L оказался либо параллелен полю Е, либо перпендикулярен ему.
Пусть в молекуле нематика диполь легко возникает вдоль длинной оси и с трудом вдоль короткой. Это означает, что электронное облако легко смещается относительно положительного ядра вдоль молекулы и с трудом - поперёк неё. Если поле Е и ось L составляют между собой некоторый угол, то фактически заряды в молекуле разводятся только составляющей поля Е вдоль оси L. Допустим, что заряды +Q и -Q разошлись вдоль молекулы на определённое расстояние. Но в таком случае поле Е должно теперь действовать на каждый заряд в отдельности с силой F=QE по направлению вектора Е на положительный заряд и с такой же силой в противоположном направлении - на отрицательный. Таким образом, возникают плечо и пара сил, создающих крутящий момент. Этот момент и поворачивает продолговатую молекулу так, чтобы она своей длинной осью ориентировалась вдоль поля Е.
Бывает, продолговатая молекула устроена так, что электронное облако легче сместить вдоль поперечной оси. Тогда только проекция поля Е на поперечную ось создаёт диполь. В этом случае возникающий крутящий момент поворачивает молекулу так, чтобы её продольная ось оказалась перпендикулярной полю.
Пока речь идёт о поворотах одной-единственной молекулы, было бы неправильно говорить о повороте оптической оси нематика. Точно такие же повороты индивидуальных молекул происходят и в обычной жидкости. Эффект от них невелик. Но в том-то и дело, что в нематике все молекулы, взаимодействуя между собой, ориентируются одинаково. Поэтому достаточно толкнуть одну из них, чтобы другие дружно повернулись вслед за первой. Здесь и кроется причина того, что для осуществления поворота именно оптической оси требуются небольшие усилия, в том числе и не очень сильное электрическое поле.
В обычной жидкости, не имеющей оптической оси в отсутствие поля, молекулы под действием поля тоже выстраиваются параллельно, но для этого потребуется сильное электрическое поле. Тем не менее оно порождает в жидкости оптическую ось. Чем сильнее поле, тем более упругой становится ориентация оси. Так происходит при нагреве нематика и расплавлении его в обыкновенное жидкое состояние. Но и в этом случае нематик оставляет свой след. Дело в том, что обычная жидкость, бывшая нематиком, состоит из описанных выше зёрен, которые теперь ориентированы совершенно хаотично. Однако размер этих зёрен или число молекул в них сильно зависит от нагрева. С увеличением нагрева зёрна мельчают. Но, если жидкость нагрета немного выше температуры плавления нематика, размеры зёрен ещё велики - около 100 нм. Поэтому ориентировать молекулы полем гораздо легче вблизи температуры плавления, чем вдали от неё.
Из этого следует, что сколь угодно слабое поле может поворачивать оптическую ось нематика. Так и будет, если жидкая среда простирается неограниченно по всем направлениям. В действительности слой нематика должен иметь конечную толщину и жёсткую ориентацию молекул на стеклянной поверхности. Таким образом, отклоняющее действие поля вступает в противоборство со стабилизирующим действием упругих сил. Фактически отклонение оптической оси в слое нематика начинается тогда, когда крутящий момент электрических сил станет равен или больше возвращающего момента упругих сил. Поэтому для нематика существует совершенно определённый порог поля или разности потенциалов на электродах, выше которого уже нетрудно управлять оптической осью.
В центре слоя отклонение оптических осей наибольшее, а у стеклянных поверхностей - наименьшее. Это естественно, поскольку влияние твёрдой поверхности ослабевает в глубине слоя. С увеличением поля повороты оптических осей становятся всё больше и достигают 90о почти во всём нематике, за исключением тонкого приповерхностного слоя, где молекулы прилипли к стеклу. Это поведение нематика и получило название эффект Фредерикса.
При умеренных значениях напряжения, превышающих порог, когда оптическая ось не горизонтальное и не вертикальное, а какое-то наклонное положение, во всей своей красоте проявляется необычное двойное лучепреломление. Оно сопровождается цветовыми эффектами, если слой нематика освещается белым светом: п?/p>