Жидкие кристаллы
Информация - Физика
Другие материалы по предмету Физика
? мере изменения угла наклона молекул нематик переливается всеми цветами радуги. Причина явления проста: происходит интерференция лучей, один из которых проходит сквозь нематик по вертикали, а второй - под определённым углом к вертикали, зависящим от ориентации оптической оси L.
Нематик предоставляет собой более удобное вещество, нежели любой кристалл. Для него не надо мощных импульсов электрического поля, используемых для поворота оптической оси в твёрдом теле. В нематике независимо от толщины слоя пороговое напряжение может составлять всего доли вольта, а толщина слоёв, используемых на практике, примерно равна 0,01 мм! Это и обуславливает громадный интерес к жидким кристаллам при создании оптических индикаторов и затворов всевозможных типов.
Оптические индикаторы и затворы по командам извне пропускают и гасят сигналы, подаваемые световым лучом. Первым придумал такой затвор шотландский физик Керр в 1876 г., причём тогда использовалась обыкновенная жидкость. Сегодня эффект возникновения оптической оси в обычной жидкости под действием сильного электрического поля широко используется. В затворах применяется, например, нитробензол. Такие затворы обладают одним ценным качеством. В некоторых жидкостях между моментами включения поля и возникновением оптической оси проходит ничтожно малое время ~10-11 с. Поэтому системы Керра применяются там, где необходима сверхвысокая скорость и точность: для измерения скорости света, в сверхскоростной фотографии, при исследовании взрывов и распространения пламени, для управления лазерными лучами.
Малое время реакции обычной жидкости на действие поля объясняется тем, что здесь, поворачивается каждая молекула в отдельности. Сопротивление её повороту со стороны остальных молекул ничтожно. В этот момент в быстродействии жидкие кристаллы вообще и нематик в частности не выдерживают конкуренции, т.к. в нематике действует огромный и слаженный ансамбль молекул или, по крайней мере, крупнозернистость необычной жидкости. В этом случае должны разом поворачиваться миллионы молекул. Несмотря на выигрыш в энергетической экономичности такого поворота, нельзя избежать проигрыша в скорости его осуществления. Причина - вязкость вещества, которая сказывается как раз на таких больших масштабах. Оптические оси не могут долго колебаться, если перестать на них воздействовать: колебания быстро угасают вследствие трения. Конечно, чем сильнее электрическое поле, тем быстрее оптическая ось изменит своё направление в нематике, но пока даже самые быстрые процессы в жидком кристалле протекают медленнее 10-6с.
Это ещё одно необычное свойство нематика - ориентационная вязкость, которая мешает быстродействию оптических индикаторов. Однако, не во всех индикаторах необходимы такие большие скорости. Это относится, например, к циферблатам электронных часов и калькуляторов.
До сих пор условно принималось, что лучи света сами на оказывают существенного воздействия на ориентацию молекул жидкого кристалла. Но например, напряжённость электрического поля в лазерном луче с интенсивностью, большей 100 Вт/см2, такова, что само поле луча осуществляет эффект Фредерикса в нематике, т.е. изменяет ориентацию оптической оси материала. Таким образом, можно создать оптические системы, автоматически регулирующие прохождение мощного лазерного излучения. Так открывается новая страница оптики жидких кристаллов - нелинейная оптика.
Хозяева и гости
Попробуем подкрасить слой нематика, чтобы сделать циферблаты и дисплеи цветными. Исходная идея заключается в том, чтобы растворить какой-нибудь краситель непосредственно в жидком кристалле и посмотреть, как будут изменяться оптические свойства такого раствора под действием приложенного напряжения. В качестве красителя возьмём водный раствор кристаллического фиолетового (обыкновенные чернила), а жидким кристаллом будет вещество, являющееся нематиком при комнатной температуре (например, МББА).
Непосредственным смешением мы не получим ожидаемого результата, водный раствор будет просто находиться на поверхности нематика. Если же взять порошок того же красителя и насыпать в МББА, он тотчас опуститься на дно пробирки и останется там осадком.
Дело в том, что растворитель и растворяемое вещество должны подходить друг другу по строению своих молекул. Под строением здесь понимается их геометрическая форма и расположение в них электрических зарядов. Для молекулы жидкого кристалла характерна удлинённая форма, которая задаётся скелетом из двух шестиугольников, связанным между собой азометиновым (-CH = N-) мостиком. Это бензольные кольца, каждое из которых состоит из шести атомов углерода. Углерод имеет четыре валентные электрона, с помощью которых он образует химические связи с другими атомами. При этом со своим ближайшим соседом атом может установить одиночную, двойную или тройную электронную связь. В бензольных кольцах одиночные и двойные связи чередуются. При этом каждый атом углерода прикрыт от внешней среды одним атомом водорода.
У молекулы МББА имеются два очень подвижные хвостика. Слева стоит метокси-(CH3O-) группа, а справа особенно гибкая бутильная (C4H9-) группа. Эти хвостики не несут заряда и не поддерживают соседства с молекулами воды, имеющими большие электрические диполи. В данном случае молекулам воды легче соседствовать друг с другом. Притягивающиеся одна к другой диполи воды образуют при этом некоторое подобие подвижной кристаллич?/p>