Жидкие кристаллы

Обязательным свойством жидких кристаллов, сблинжающим их с обычными крис1аллами, является наличие порядка пространственной ориентации молекул. Такой порядок в ориентации может проявляться, например, в том, ^4то все длинные оси молекул в жидкокристалличенском образце ориентированы одинаково. Эти молекулы должны обладать вытянутой формой. Кроме простейшенго названного порядочения осей молекул, в жидком кристалле может осуществляться более сложный ори-ентационный порядок молекул.

В зависимости от вида порядочения осей молекул жидкие кристаллы разделяются на три разновидности: нематические, смектические и холестерические.

Об успехах отечественной промышленности в освоеннии выпуска продукции, в которой существенным элеменнтом являются жидкие кристаллы, говорит присуждение в 1983 году Государственной премиибольшой групнпе работников науки и техники за разработку и внедренние в народное хозяйство индикаторных стройств. Оснновными элементами этих индикаторных устройств, сонвершенные технические характеристики которых послунжили основанием для присуждения премии, являются жидкокристаллические вещества. Присуждениеа этой премии символизирует плодотворный союз науки и пронизводства в деле технических приложений жидких кринсталлов. Тут же следует сказать, что среди лауреатов, представителей науки, - В. Н. Цветков, ветеран научных исследований жидких кристаллов.

Немного истории. Пока мы просто декларировали ненобычные свойства жидких кристаллов. Как же они были обнаружены? Ведь, не обладая современной огромной информацией о строении материи, очень трудно повенрить, что такие, казалось бы, взаимно исключающие друг друга свойства могут проявляться у одного вещества. Поэтому, вероятно, исследователи же очень давно сталнкивались с жидкокристаллическим состоянием, но не отндавали себе в этом отчета. Тем не менее существование жидких кристаллов было становлено очень давно, почти столетие тому назад, а именно в 1 году.

Первым, кто обнаружил жидкие кристаллы, был австнрийский ченый-ботаник Рейнитцер. Исследуя новое синнтезированное им вещество холестерилбензоат, он обнанружил, что при температуре 145

Напомним, что линейно поляризованным светом, или как часто говорят, поляризованным светом, называют свет (электромагнитную волну), электрическое поле конторой в процессе распространения остается лежащим в некоторой неизменной в пространстве плоскости. Эту плоскость принято называть плоскостью поляризации света. А указания ориентации в пространстве этой плонскости достаточно для описания линейной поляризации света. Поскольку в плоскости поляризации лежит и нанправление распространения волны, то для задания линнейной поляризации достаточно одного параметра, именно гла (р, определяющего ориентацию этой плонскости в пространстве (ее вращения вокруг направления распространения волны, см. рис. 1).

Явление двупреломленияЧэто типично кристалличенский эффект, состоящий в том, что скорость света в кринсталле зависит от ориентации плоскости поляризации света. Существенно, что она достигает экстремального максимального и минимального значений для двух взанимно ортогональных ориентаций плоскости поляризации. Разумеется, ориентации поляризации, соответствующие экстремальным значениям скорости свете в кристалле, определяются анизотропией свойств кристалла и однонзначно задаются ориентацией кристаллических осей отнонсительно направления распространения света.

Поэтому сказанное поясняет, что существование двунпреломления в жидкости, которая должна быть изотропнной, т. е. что ее свойства должны быть независящими от направления, представлялось парадоксальным. Наиболее правдоподобным в то время могло казаться наличие в мутной фазе нерасплавившихся малых частичек кри* сталла, кристаллитов, которые и являлись источником двупреломления. Однако более детальные исследования, к которым Рейнитцер привлек известного немецкого финзика Лемана, показали, что мутная фаза не является двухнфазной системой, т. е. не содержит в обычной жидкости кристаллических включений, является новым фазовым состоянием вещества. Этому фазовому состоянию Ле-ман дал название лжидкий кристалл в связи с одновренменно проявляемыми им свойствами жидкости и кристалнла. потребляется также и другой термин для названия жидких кристаллов. Это - лмезофаза, что буквально означает лпромежуточная фаза.

В то время существование жидких кристаллов преднставлялось каким-то курьезом, и никто не мог предполонжить, что их ожидает почти через сто лет большое будунщее в технических приложениях. Поэтому после некотонрого интереса к жидким кристаллам сразу после их отнкрытия о них через некоторое время практически занбыли.

Тем не менее же в первые годы были выяснены мнонгие другие дивительные свойства жидких кристаллов. Так, некоторые виды жидких кристаллов обладали ненобычно высокой оптической активностью

Оптической активностью называют способность неконторых веществ вращать плоскость поляризации проходянщего через них света. Это означает, что линейно полянризованный свет, распространяясь в таких средах, изменняет ориентацию плоскости поляризации. Причем гол поворота плоскости поляризации прямо пропорциока-лен пути L, пройденному светом, т. е. выражается форнмулой (р==(ра^, где величина q)a определяет гол поворонта на единичном пути и называется дельной вращательнной способностью.

Было дивительным не только то, что величина вранщательной способности q)a для жидких кристаллов могла в сотни и тысячи раз превосходить эту величину для наинболее оптически активных кристаллов, гаких, как, напринмер, кварц, но и то, что зависимость вращения плоскости поляризации от длины волны света в жидких кристаллах была совершенно необычной.

Так, в твердых телах, как, впрочем, и в обычных жиднкостях, дельная вращательная способность (ра имеет вполне определенный, независящий от длины волны свента знак. Это означает, что вращение плоскости поляринзации света в них происходит в определенном направленнии. Против часовой стрелки при положительном фа и по часовой стрелке при отрицательном (ра. При этом подранзумевается, что наблюдение за вращением плоскости понляризации осуществляется вдоль направления распростнранения света. Поэтому все оптически активные вещенства подразделяются на правовращающие, если вращенние происходит по часовой стрелке, и левовращающиеЧ-против часовой стрелки.

В случае оптически активных жидких кристаллов танкая классификация сталкивалась с трудностями. Дело в том, что направление (знак) вращения в жидких кристалнлах зависело от длины волн света (рис. 2). Для коротких длин волн величина (ра, например, могла быть положинтельной, для более длинноволнового светЧотрицантельной. А могло быть и наоборот. Однако характерным для всех случаев было изменение знака вращения плоснкости поляризации в зависимости от длины волны света, или, как говорят, инверсия знака оптической активности. Такое поведение вращения плоскости поляризации сонвершенно не кладывалось в рамки существовавших представлений об оптической активности

Удивительными были также и другие свойства, такие, как сильная температурная зависимость названных ханрактеристик, их очень высокая чувствительность к внешнним магнитным и электрическим полям и т д. Но прежде чем пытаться объяснить перечисленные свойства, необнходимо понять, как строены жидкие кристаллы, и, в частности, ознакомиться с их структурными свойствами, ибо в конечном итоге для объяснения описанных свойств наиболее существенными оказываются именно структурнные характеристики жидких кристаллов.

Здесь следует сказать, что в конце девятнадцатого - начале двадцатого века многие очень авторитетные ие-ные весьма скептически относились к открытию Рейнит-цера и Лемана. (Имя Ломана также можно по праву свянзывать с открытием жидких кристаллов, поскольку он очень активно частвовал в первых исследованиях жид ких кристаллов, и даже самим термином жидкие кринсталлы мы обязаны именно ему.) Дело в том, что не только описанные противоречивые свойства жидких кринсталлов представлялись многим авторитетам весьма сонмнительными, но и в том, что свойства различных жидконкристаллических веществ (соединений, обладавших жиднкокристаллической фазой) оказывались существенно разнличными. Так, одни жидкие кристаллы обладали очень большой вязкостью, у других вязкость была невелика. Одни жидкие кристаллы проявляли с изменением темнпературы резкое изменение окраски, так что их цвет пробегал все тона радуги, другие жидкие кристаллы танкого резкого изменения окраски не проявляли. Наконец, внешний вид образцов, или, как принято говорить, текнстура, различных жидких кристаллов при рассматриваннии их под микроскопом оказывался совсем различным. В одном случае в поле поляризационного микроскопа могли быть видны образования, похожие на нити, в друнгом - наблюдались изображения, похожие на горный рельеф, в третьем - картина напоминала отпечатки пальцев (см. рисунки на обложке). Стоял также вопрос, почему жидкокристаллическая фаз наблюдается при плавлении только некоторых веществ?

Вот в таких словиях скептицизма со стороны многих авторитетов и изобилия противоречивых фактов вели свои работы первые, тогда немногочисленные, исследонватели жидких кристаллов, настоящие энтузиасты своего дела. К их числу следует отнести немецкого химика Д. Форлендера, который в начале двадцатого века в ни верситетском городе Галле совместно со своими ченинками изучал химию жидких кристаллов. Он пытался отвентить на вопрос, какими свойствами должны обладать монлекулы вещества, чтобы оно имело жидкокристалличенскую фазу. Форлендер нашел большое количество новых соединений, обладающих жидкокристаллической фазой, и внимательно исследовал свойства молекул сонответствующих соединений, в частности структурные. В результате его работ стало ясно, что жидкие кристаллы образуют вещества, молекулы которых имеют длинеую форму (рис. 3).

Время шло, факты о жидких кристаллах постепенно накапливались, но не было общего принципа, который позволил бы установить какую-то систему в представленниях о жидких кристаллах. Как говорят, настало время для классификации предмета исследований. Заслуга в создании основ современной классификации жидких кринсталлов принадлежит французскому ченому Ж. Фриделю.В двадцатые годы Фридель предложил разделить все жидкие кристаллы на две большие группы. Одну группу жидких кристаллов Фридель назвал нематическими, друнгую смектическими. (Почему такие на первый взгляд ненпонятные названия дал Фридель разновидностям жидких кристаллов, будет понятно несколько ниже.) Он же преднложил общий термин для жидких кристаллов Ч лмезо морфная фаза. Этот термин происходит от греческого слова лмезос (промежуточный), вводя его, Фридель хотел подчеркнуть, что жидкие кристаллы занимают пронмежуточное положение между истинными кристаллами и жидкостями как по температуре, так и по своим физинческим свойствам. Нематические жидкие кристаллы в классификации Фриделя включали же поминавшиеся выше холестерические жидкие кристаллы как подкласс. Когда классификация жидких кристаллов была созданна, более остро встал вопрос: почему в природе реализунется жидкокристаллическое состояние? Полным ответом на подобный вопрос принято считать создание микросконпической теории. Но в то время на такую теорию не принходилось и надеяться (кстати, последовательной микронскопической теории ЖК не существует и по сей день), поэтому большим шагом вперед было создание чешским ченым X. Цохером и голландцем С. Озееном феноменнологической теории жидких кристаллов, или, как ее приннято называть, теории пругости ЖК. В 30-х годах вВ. К. Фредерике и В. Н. Цветков первыми изучили ненобычные электрические свойства жидких кристаллов.Можно словно считать, что рассказанное выше отнонсилось к предыстории жидких кристаллов, ко времени, когда исследования ЖК велись малочисленными коллекнтивами. Современный этап изучения жидких кристаллов, который начался в 60-е годы и придал науке о ЖК сегоднняшние формы, методы исследований, широкий размах работ сформировался под непосредственным влиянием спехов 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 стройств, потребляюнщих ничтожные мощности энергии для стройств индинкации информации, т. е. связи прибора с человеком, наинболее подходящими оказываются индикаторы на ЖК. Дело в том, что такие стройства отображения инфорнмации на ЖК естественным образом вписываются в энернгетику и габариты микроэлектронных схем. Они потребнляют ничтожньсг мощности и могут быть выполнены в виде миниатюрных индикаторов или плоских экранов. Все это предопределяет массовое внедрение жидкокристалнлических индикаторов в системы отображения информанции, свидетелями которого мы являемся настоящее время. Чтобы осознать этот процесс, достаточно вспомннить о часах или микрокалькуляторах с жидкокристаллинческими индикаторами. Но это только начало. На смену традиционным и привычным стройствам идут жидконкристаллические системы отображения информации.jkbk часто бывает, технические потребности не только стимулируют разработку проблем, связанных с практинческими приложениями, но и часто заставляют переоснмыслить общее отношение к соответствующему разделу науки. Так произошло и с жидкими кристаллами. Сейчас понятно, что это важнейший раздел физики конденсиронванного состояния.

ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ - НОВОЕ СОСТОЯНИЕ ВЕЩЕСТВА.

Многообразие жидких кристаллов. Теперь обратим внимание на то, что сказать о каком-то вещестнве: просто жидкий кристалл, это еще слишком мало. И если неспециалистов вполне довлетворяет общий тернмин жидкий кристалл, то специалисту требуется дать бонлее детальную информацию. Здесь ситуация похожа на ту, которая возникла бы с вами в столовой или ресторанне, если бы вам в качестве третьего блюда предложили бы просто жидкость, не конкретизируя, что это такое. Ненсомненно, большинство из вас такое общее определение третьего блюда не довлетворило бы, и каждый в завинсимости от своего вкуса потребовал бы что-либо более определенноеЧчай, кофе, молоко и т. д. Так же дело обстоит для специалистов и с жидкими кристаллами, понскольку под этим термином, как же бегло говорилось выше, скрывается большое количество весьма отличаюнщихся друг от друга жидкокристаллических фаз. Однако все характерные особенности этого фазового состояния вещества добно рассмотреть сначала на примере одной разновидности жидких кристаллов стронция.

Нематики. Начнем описание стройства жидких кринсталлов на примере наиболее простой и хорошо изучеой их разновидности, нематических жидких кристаллов, или, как еще принято говорить, нематиков, Итак, кристаллы некоторых органических веществ при нагревании, прежде чем расплавиться и перейти в обычнную жидкость, проходят при повышении температуры ченрез стадию жидкокристаллической фазы. Как мы увидим ниже, жидкокристаллических фаз может быть у одного и того же соединения несколько. Но сначала для того, чтонбы не осложнять знакомство с жидкокристаллической фазой несущественными здесь подробностями, рассмотнрим наиболее простую ситуацию, когда соединение обландает одной жидкокристаллической фазой. В этом случае процесс плавления кристалла идет в .две стадии) Сначала при повышении температуры кристалл испытывает пернвое плавление, переходя в мутный расплав. Затем при дальнейшем нагреве до вполне определенной темпенратуры происходит просветление расплава. Просветнленный расплав обладает всеми свойствами жидкостей. Мутный расплав, который и представляет собой жидко' кристаллическую фазу, по своим свойствам существенно отличается от жидкостей, хотя обладает наиболее харакнтерным свойством жидкости - текучестью. Наиболее резнкое отличие жидкокристаллической фазы от жидкости проявляется в оптических свойствах. Жидкий кристалл, обладая текучестью жидкости, проявляет оптические свойства всем нам знакомых обычных кристаллов) -КемЧ oiwpoJSyflef^icHO, наблюдаемая на.опыте мутность раснплава как uaa'n является результатом такого дивительнного сочетания свойств жидкости и кристалла.^

При понижении температуры все превращения пронисходят в обратном порядке и точно при тех же темпенратурах, т. е. последовательность фаз такова: прозрачнный расплав-смутный расплав-^кристалл или в принятых сокращениях ИЖ-^НЖК-^ТК. " Если все описанные превращения наблюдаются, нанпример, для соединения пЧметонсйбензилиденЧп'Чбу-тиланилин или, как принято сокращенно называть это соединение, МББА, то наблюдаемая жидкокристалличенская фаза называется нематической или просто немати-KOMj Смена же фазовых состояний характеризуется слендующими температурами. Температура первого плавленния Гя,=21

Для того чтобы разобраться, как строена жидкокринсталлическая фаза и чем она отличается от обычной жиднкости или, как мы иногда будем дальше говорить, от изотропной жидкости *, нужно обратить внимание на форнму молекул соединения, образующего жидкокристаллинческую фазу.

^ Чтобы схематично представить себе стройство нематика, удобно образующие его молекулы представить в виде палочек. Для такой идеализации есть физические основания. Молекулы, образующие жидкие кристаллы, как же говорилось, представляют собой типичные для многих органических веществ образования со сравнинтельно большим молекулярным весом, протяженности которых в одном направлении в Ч3 раза больше, чем в поперечном. Структура молекулы типичного нематика приведена на рис. 3. Можно считать, что направление введенных нами палочек совпадает с длинными осями монлекул. При введенной нами идеализации структуру немантика следует представлять как жидкость одинаково оринентированных палочек. Это означает, что центры тяженсти палочек расположены и движутся хаотически, как в жидкости, ориентация при этом остается у всех палочека одинаковой и неизменной (см. рис. 4).

Напомним, что в обычной жидкости не только центры тяжести молекул движутся хаотически, но и ориентации выделенных направлений молекул совершенно случайны

и не скоррелированны между собой. А в качестве выденленных направлений в молекуле могут выступать различнные величины, например, электрический дипольный монмент, магнитный момент или, как в рассматриваемом нанми случае, анизотропия формы, характеризуемая выденленными направлениями или, как говорят, осями. В свянзи с описанным полным хаосом в жидкости жидкость (даже состоящая из анизотропных молекул) изотропна, т. е. ее свойства не зависят от направления.

На самом деле, конечно, молекулы нематика подвернжены не только случайному поступательному движению, но и ориентация их осей испытывает отклонения от нанправления, определяющего ориентацию палочек в раснсматриваемой нами жидкости. Поэтому направления панлочек задают преимущественную, средненную ориентанцию, и реально молекулы совершают хаотические ориентационные колебания вокруг этого направления среднненной ориентации. Амплитуда соответствующих ориен-тационных колебаний молекул зависит от близости жиднкого кристалла к точке фазового перехода в обычную жидкость tn, возрастая по мере приближения темперантуры нематика к температуре фазового перехода. В точнке фазового перехода ориентационное порядочение монлекул полностью исчезает и ориентационные движения молекул так же, как и трансляционные, оказываются полнностью хаотическими.

В связи с описанной картиной поведения нематика его принято описывать следующим образом. Для характеринстики ориентационного порядка вводится вектор единичнной длины ñ, называемый директором, направление которогоа совпадает с направлением введенных выше палочек.а Таким образом, директор задает выделенное, пренимущественное, направление ориентации молекул в хонлестерине. Кроме того, вводится еще ОДНА величина, панраметр порядка, который характеризует, насколько велинка степень ориентационного порядочения молекул или, что то же самое, насколько мала разупорядоченность ориентаций молекул. Параметр порядка определяется следующим образом:

S=^лcose>-73), (1) где вЧугол между направлениями директора и мгноавенным направлением длинной оси молекул, a Х<cos*e>

обозначает среднее по времени значении cos'@.

Из формулы (1) ясно, что параметр 5 может принимать значения от 0 до 1. Значение -S==1 соответствует полному ориентационному порядку. Причем.S==1 достигается, как нентрудно понять, если значение в не изменяется во времени и равно 0, т. е. если направление длинных осей моленкул строго совпадает с направлением директора. <S==0 означает полный ориентационный беспорядок. В этом случае гол 9 с равной вероятностью принимает значенния от 0 до л, a -<cos^9>=='/3. Значение S==0, таким образом, соответствует же нематику, перешедшему в изотропную жидкость.

В нематической же фазе значение параметра порядка S^>0, минимально непосредственно при температуре пенрехода Т 14 из изотропной жидкости в нематическую фазу и возрастает по мере понижения температуры ниже tn' В целом же при изменении температуры происходит сменна следующих фазовых состояний. При температуре нинже точки перехода нематика в обыкновенный кристалл или, как ее называют, температуре плавления Тщ - кринсталлическое состояние. В интервале температур от Т м, до tnЧнематический жидкий кристалл. Выше tinЧ обычная жидкость.

Пока что речь шла об однодоменном состоянии нема-тического образца, в котором ориентация директора одинакова во всех его точках, как изображено на рис. 4. В таком однодоменном образце нематика наиболее ярко проявляются его свойства, типичные для твердых кринсталлов, в частности, двупреломление света. Последнее означает, что показатели преломления для света, плоснкость поляризации которого перпендикулярна директору и плоскость поляризации которого содержит директор, казываются различными. Однако для того чтобы полуннить однодоменный образец нематика, как, впрочем, и любых других разновидностей жидких кристаллов, необ ходимо принятие специальных мер, о которых будет раснсказано ниже.

Если же не приняты специальные предосторожности, то жидкокристаллический образец представляет собой совокупность хаотическим образом ориентированных манлых однодоменных областей. Именно с такими образцанми, как правило, имели дело первые исследователи жиднких кристаллов, и мутный расплав, возникавший после первого плавления МББА, о котором говорилось выше, и был образцом такого вида. На границах раздела различнным образом ориентированных однодоменных областей в таких образцах происходит, как говорят, нарушение опнтической однородности или, что то же самое, скачок значения показателя преломления. Это непосредственно следует из сказанного выше о двупреломлении однодонменного нематического образца и просто соответствует тому, что для света, пересекающего границу раздела двух областей с различной ориентацией директора, понказатели преломления этих областей различны, т. е. понказатель преломления испытывает скачок. А как хонрошо известно, на границе раздела двух областей с различными показателями преломления свет испынтывает отражение. С таким отражением каждый знаком на примере оконных стекол. Так же, как и в случае с оконным стеклом, на одной границе раздела (одном скачке оптической однородности) отражение света в нематике может быть невелико, но если таких границ много (в образце много неупорядоченных однодоменных обнластей), такие нерегулярные нарушения оптической одннородности приводят к сильному рассеянию света. Вот почему нематики, если не принять специальных мер, сильно рассеивают свет. После первого плавления при температуре Тд, возникает мутный расплав.

Пока что речь шла о том, как выглядит нематик в ненполяризованном свете. Очень интересную и своеобразнную картину представляет нематик, если его рассматринвать в поляризованном свете и анализировать поляризанцию прошедшего через него света (см. рис. 5). На рис. 5 представлена схема такого опыта. Поляризатор Pi линнейно поляризует свет от источника света, поляризантор Pi пропускает только определенным образом линейнно поляризованный свет, прошедший через нематический образец А. Картина, которую видит наблюдатель в свенте, прошедшем через поляризатор, представляет собой

причудливую совокупность пересекающихся линий. Эти линии или, как их называют, нити и представляют собой изображение границ раздела между однодоменными обнластями. А почему эти границы можно видеть или, как говорят, визуализовать, в поляризованном свете будет понятно из дальнейшего.

Наблюдениям этих нитей первыми исследователями нематик и обязан своему названию. Нема Чэто по гречески нить. Отсюда и названиеЧнематический жидкий кристалл или нематик. Здесь же надо сказать, что реально наблюдения описанной картины нематика в связи с малостью размеров областей с одинаковой оринентацией директора осуществляются с помощью поляринзационного микроскопа.

Упругость жидкого кристалла. Выше в основном гонворилось о наблюдениях, связанных с проявлением ненобычных оптических свойств жидких кристаллов. Первым исследователям бросались в глаза, естественно, свойства, наиболее доступные наблюдению. А такими свойствами как раз и были оптические свойства. Техника оптическонго эксперимента же в девятнадцатом веке достигла вынсокого ровня, а, например, микроскоп, даже поляризанционный, т. е. позволявший освещать объект исследованния поляризованным светом и анализировать поляризанцию прошедшего света, был вполне доступным прибонром для многих лабораторий.

Оптические наблюдения дали значительное количестнво фактов о свойствах жидкокристаллической фазы, конторые необходимо было понять и описать. Одним из первых достижений в описании свойств жидких кристалнлов, как же поминалось во введении, было создание теории пругости жидких кристаллов. В современной форме она была в основном сформулирована английским ченым Ф. Франком в пятидесятые годы.

Постараемся проследить за ходом мысли и аргуменнтами создателей теории пругости ЖК. Рассуждения бынли (или могли быть) приблизительно такими. становленно, что в жидком кристалле, конкретно нематике, сущестнвует корреляция (выстраивание) направлений ориентанции длинных осей молекул. Это должно означать, что еснли по какой-то причине произошло небольшое нарушенние в согласованной ориентации молекул в соседних точнках нематика, то возникнут силы, которые будут старатьнся восстановить порядок, т. е. согласованную ориента цию молекул. Конечно, исходной, микроскопической, причиной таких возвращающих сил является взаимодейнствие между собой отдельных молекул. Однако надеятьнся на быстрый спех, стартуя от взаимодействия между собой отдельных молекул, да еще таких сложных, как в жидких кристаллах, было трудно. Поэтому создание теонрии пошло по феноменологическому пути, в рамках конторого вводятся некоторые параметры (феноменологинческие), значение которых соответствующая теория не берется определить, оставляет их неизвестными или изнвлекает их значения из сравнения с экспериментом. При этом теория не рассматривает молекулярные аспекты строения жидких кристаллов, описывает их как сплошнную среду, обладающую пругими свойствами.

Для кристаллов существует хорошо развитая теория пругости. Еще в школе чат тому, что деформация тверндого тела прямо пропорциональна приложенной силе и обратно пропорциональна модулю пругости К. Возниканет мысль, если оптические свойства жидких кристаллов подобны свойствам обычных кристаллов, то, может быть, жидкий кристалл, подобно обычному кристаллу, обладанет и пругими свойствами. Может показаться на первый взгляд, что эта мысль совсем ж тривиальна. Однако не торопитесь с суждениями. Вспомните, что жидкий кринсталл течет, как обычная жидкость. А жидкость не проявнляет свойств пругости, за исключением пругости по отнношению к всестороннему сжатию, и поэтому для нее модуль пругости по отношению к обычным деформациням строго равен нулю. Казалось бы, налицо парадокс. Но его разрешение в том, что жидкий кристалл - это не обычная, анизотропная жидкость, т. е. жидкость, л.свойств которой различны в различных направлениях.

Таким образом, построение теории пругости для жидких кристаллов было не таким ж простым делом и нельзя было теорию, развитую для кристаллов, непонсредственно применить к жидким кристаллам. Во-первых, Существенно, что, когда говорят о деформации в жидких кристаллах, то имеют в виду отклонения направления динректора от равновесного направления. Для нематика, нанпример, это означает, что речь идет об изменении от Точки к точке в образце под влиянием внешнего воздейнствия ориентации директора, который в равновесной синтуации, т. е. в отсутствии воздействия, во всем образце ориентирован одинаково. В обычной же теории пруго сти деформации описывают смещение отдельных точек твердого тела относительно друг друга под влиянием приложенного воздействия. Таким образом, деформанции в жидком кристалле - это совсем не те привычные всем деформации, о которых говорят в случае твердого тела. Кроме того, пругие свойства жидкого кристалла в общем случае следует рассматривать, учитывая его теченние, что также вносит новый элемент и тем самым сложнняет рассмотрение по сравнению с обычной теорией пнругости. Поэтому здесь ограничимся рассказом об прунгости жидких кристаллов в отсутствие течений.

Оказывается, любую деформацию в жидком кристалнле можно представить как одну из трех допустимых в ЖК видов изгибных деформаций либо как комбинацию этих трех видов деформации. Такими главными деформанциями являются поперечный изгиб, кручение и продольнный изгиб. Рис. 6, иллюстрирующий названные виды денформаций, делает понятным происхождение их названий.

В поперечном изгибе меняется от точки к точке вдоль оси образца на рис. 6, а направление, перпендикулярное (понперечное) директору, в продольном изгибе - ориентанция директора, в кручении происходит поворот дирекнтора вокруг оси изображенного на рис. 6, б образца.

Коэффициенты пропорциональности между пругой энергией жидкого кристалла и деформациями изгибов называют пругими модулями. Таких пругих модулей в жидких кристаллах по числу деформаций три ЧK1, К2 и Кз. Численные значения этих модулей несколько отличанются друг от друга. Так, модуль продольного изгиба Кз обычно оказывается больше двух других модулей. Наименьшую пругость жидкий кристалл проявляет по отношению к кручению, т. е. модуль Кг, как правило, меньше остальных.

Такой результат качественно можно понять, вспоминная обсуждавшуюся выше модель нематика как жидконсти ориентированных палочек. Действительно, чтобы осуществить продольный изгиб, надо прикладывать синлия, которые стремятся изогнуть эти палочки (а они жестнкие)). В деформации же кручения, например, происходит просто поворот палочек-молекул относительно друг друнга, при этом не возникает силий, связанных с деформанцией отдельной палочки-молекулы.

Поэтому и оказывается, что пругость по отношению к продольному изгибу (модуль Кз), больше пругости по отношению к кручению (модуль К2). Модуль же К) именет промежуточную между К2 и Кз величину.

Чтобы сравнить пругость жидкого кристалла с прунгостью обычного кристалла, надо сравнить их пругие энергии, приходящиеся на единицу объема. При этом можно для качественной оценки пренебречь различием модулей поперечного, продольного изгиба и кручения и, вычисляя пругую энергию жидкого кристалла, испольнзовать их среднее значение. Сравнение показывает, что пругая энергия твердого тела в типичной ситуации оканзывается по меньшей мере на десять порядков больше упругой энергии жидкого кристалла)))

Таким образом, теория упругости жидких кристаллов, описывающая их как сплошную среду, т. е. претендуюнщая только на описание свойств ЖК, средненных по расстояниям больше межмолекулярных, приводит к вынводу, что минимальная энергия жидкого кристалла соотнветствует отсутствию деформаций в нем. Для нематика таким состоянием с минимальной энергией или, как говонрят, основным состоянием является конфигурация с одинаковой ориентацией директора во всем объеме обнразца. Любое отклонение распределения направлений директора от однородного (т. е. постоянного во всем объеме) связано с наличием в нематике дополнительной упругой энергии, т. е. может быть реализовано только за счет приложения внешних воздействий, например, свянзанных с поверхностями образца, внешними электриченскими и магнитными полями и т. д. В отсутствие этих возндействий или при снятии их нематик стремится возврантиться в состояние с однородной ориентацией дирекнтора.

Континуальная теория применима для описания и других типов жидких кристаллов. Для них, однако, тренбуются определенные модификации теории. Но об этом речь пойдет дальше.

Гидродинамика ЖК.Только что мы познакомились с упругими свойствами жидкого кристалла, сближающими его с твердыми телами. При этом обнаружились сущестнвенные отличия его пругих свойств от свойств кристалнла как в качественном, так и количественном отношении. Теперь познакомимся детально со свойством жидкого кристалла, типичным для жидкости, - текучестью, изученнием которой занимается наука гидродинамика.

Сразу следует сказать, что несмотря на солидный вознраст гидродинамики, одной из древнейших научных динсциплин, и большие достижения, в этой науке сущестнвуют проблемы, не решенные до сих пор. К их числу относится проблема турбулентного, т. е. сопровождаюнщегося нерегулярными вихрями, как в бурном потоке, течения жидкости. Эта проблема, находящаяся, кстати сказать, сейчас в центре внимания специалистов, не реншена еще для самых обычных жидкостей, таких, как вонда. А о полном описании турбулентного течения таких сложных сред, как жидкие кристаллы, пока что не идет и речи. Поэтому, говоря здесь о текучести жидких кристалнлов, мы будем иметь в виду их спокойное течение, в которома нет нерегулярных вихрей, или, как принято назынвать его, ламинарное течение.

Ламинарное течение обычных жидкостей хорошо изунчено. Основной характеристикой, определяющей теченние в этих словиях, является вязкость, свойство жидко стей, всем хорошо известное на практике. Так, каждый, не задумываясь, скажет, что у воды вязкость небольшая, у смазочных масел гораздо больше, у смолыЧочень большая.

Вязкость характеризуется количественно коэффицинентом вязкости ò, который показывает, как сильно тренние между соседними слоями текущей жидкости и нансколько интенсивно передается движение жидкости от одной ее точки к другой (см. рис. 7). Именно из-за вязнкости при течении жидкости по трубе ее скорость непонсредственно на стенках трубы равна нулю, в сечении трубы не постоянна, возрастает по мере даления от стенок, достигая максимума в центре.

Типичными задачами в течении жидкостей являются течение жидкости по трубе (например, нефтепродуктов в трубопроводе) и движение тела (например, шарика под действием силы тяжести) в жидкости. Понятно, что оба эти примера имеют непосредственное отношение к пракнтическим задачам. Гидродинамика давно же дала точнное описание таких течений и, зная вязкость жидкости и давление, создаваемое насосными станциями, можно абнсолютно точно рассчитать поток нефти в трубопроводе или скорость движения тела в жидкости. Для нас здесь важно то, что именно в таких словиях выполняют изменрение вязкости жидкостей. В соответствующих эксперинментах трубу заменяют капилляром, движущееся тело шариком, падающим под действием силы тяжести в жидкости.

Течение жидкости в капилляре описывается законом Пуазейля, названным так в честь французского ченого, открывшего эту закономерность. В соответствии с этим законом количество жидкости, протекающей через трубу (капилляр), прямо пропорционально разности давлений на концах трубы, второй степени площади сечения трубы и обратно пропорционально коэффициенту вязкости. Скорость движения шарика в жидкости описывается законом Стокса, названного так по имени английского финзика девятнадцатого века, современника Пуазейля. Эта закономерность гласит, что скорость движения шарика в жидкости прямо пропорциональна приложенной к нему силе и обратно пропорциональна радиусу шарика и вязнкости жидкости.

Обратим здесь внимание читателя на то, что в денвятнадцатом веке и ранее было часто принято многим становленным чеными соотношениям, даже не очень важным, давать громкое имя закон. В результате этой традиции появились приведенные выше термины - занкон Пуазейля, закон Стокса и многие другие законы. Это не должно смущать читателя и вводить его в заблужденние при оценке значимости названных соотношений по сравнению со знакомыми ему со школьной скамьи фунндаментальными законами, например, законами механинки Ньютона или законами электромагнетизма Фарадея. Конечно, значимость соотношений, найденных Пуазей-лем и Стоксом, несравнима со значимостью фундаменнтальных законов Природы, становившаяся здесь тернминологияЧэто просто дань времени. По современной практике вместо слова лзакон следовало бы потребить термин формула, т. е. формула Пуазейля, формула Стокса.

Названные закономерности, как будем их называть, после сделанного отступления прекрасно зарекомендонвали себя при определении вязкости жидкостей. В частнности, экспериментально была подтверждена их справеднливость и показано, что значение коэффициента вязконсти ò не зависит от скорости течения жидкости (скорости шарика), пока выполняются условия ламинарного теченния.

Приступая к изучению гидродинамики жидких кринсталлов, исследователи начали с того, что просто применнили описанные методы измерения вязкости к жидким кристаллам. Такой подход ничего хорошего не дал. Рензультаты измерений вязкости не воспроизводились и занвисели, казалось бы, от случайных причин, таких, как предыстория образца, способа изготовления капилляров, применяемых в измерениях. Более того, некоторые изнмерения показывали зависимость коэффициента вязконсти от скорости течения жидкого кристалла. Эти первые результаты показали, что гидродинамика жидких кристалнлов гораздо сложней и интересней, чем гидродинамика обычных жидкостей. И конечно, надо сказать, что исслендователи, начиная изучать гидродинамику жидких кринсталлов, надеялись обнаружить новые, не известные для обычных жидкостей свойства и были бы разочарованы, если бы течение жидких кристаллов описывалось простынми формулами Пуазейля и Стокса.

В чем же дело? Почему течение нематика оказыванется более сложным, чем течение обычной жидкости?

Дело в том, что течение жидкости вызывает переориентацию длинных осей молекул. А на введенном выше языке описания жидкого кристалла как сплошной среды с помощью задания в каждой его точке направленния директора означает, что течение нематика, с одной стороны, может приводить к переориентации директора, с другой, к тому, что характеристики течения оказыванются различными при различной ориентации директора по отношению к направлению скорости течения жидконсти. Эти результаты легко понять и на молекулярном ровне. При течении жидкости молекул-палочек по канпиллярам, особенно зким, течение будет выстраивать палочки-молекулы вдоль оси капилляра. Если каким-линбо' образом заставлять оставаться ориентацию палочек неизменной, то легко сообразить, что течение жидкости Х случае ориентации палочек поперек капилляра будет затруднено по сравнению с течением при их ориентации вдоль капилляра.

Эти интуитивные представления, которые мы черпаем из повседневного опыта, полностью подтверждаются на эксперименте. Еще в начале 40-х годов В. Н. Цветков исследовал зависимость скорости протекания нематика через капилляры от ориентации директора. При ориентанции директора поперек капилляра скорость протекания жидкого кристалла через капилляр оказалась существео меньше, чем при ориентации директора вдоль оси канпилляра. Ориентация директора поперек оси капилляра осуществлялась с помощью прикладываемого перпендинкулярно капилляру магнитного поля (о том, почему поле ориентирует нематик, речь еще впереди). Результат опынта, интерпретация которого проводилась с помощью форнмулы Пуазейля, показал, что при включенном магнитном поле наблюдаемая вязкость почти в 2 раза больше, чем в отсутствии магнитного поля.

Таким образом, опыт показал, что для жидких кринсталлов надо разрабатывать свою, более сложную и общую, чем для обычных жидкостей, теорию текучести. Такая теория разрабатывается силиями многих исследонвателей. И оказалась она гораздо более сложной, чем обычная гидродинамика. Достаточно сказать, что в обнщем случае жидкий кристалл описывается восьмью коэфнфициентами вязкости. И даже прощенный вариант этой теории, пренебрегающий сжимаемостью жидких кринсталлов, содержит пять коэффициентов вязкости. Это опнределяет как трудности теоретического описания теченния жидких кристаллов, так и постановку экспериментов, допускающих однозначную интерпретацию результатов. Здесь надо добавить, что в экспериментальном отношеннии дополнительные трудности связаны с тем, что в процессе течений в жидком кристалле могут возникать дефекты в ориентации директора. Дефектами называют точки или линии в нематике, на которых ориентация динректора не определена. Поведение течений при наличии таких дефектов особенно сложно, и, в частности, поминнавшуюся выше зависимость вязкости нематика от скоронсти течения связывают с возникновением при возрастании скорости именно таких дефектов,

Таким образом, можно констатировать, что течение жидких кристалловЧэто весьма сложный процесс, иснследования гидродинамики ЖК находятся в начале своенго пути. Облегчает исследование гидродинамики жидких кристаллов их двулучепреломление, оно позволяет визу-ализировать наведенные течением жидкого кристалла, изнменения ориентации директора и, наоборот, по измененнию двупреломления, т. е. оптических свойств нематика, судить о скоростях и изменении скоростей в потоке. Электрические свойства. Забегая вперед, скажем, что большинство применений жидких кристаллов связано с правлением их свойствами путем приложения к ним ! электрических воздействий. Податливость и лмягкость жидких кристаллов по отношению к внешним воздейстнвиям делают их исключительно перспективными материналами для применения в стройствах микроэлектроники, для которых характерны небольшие электрические нанпряжения, малые потребляемые мощности и малые ганбариты. Поэтому для обеспечения оптимального режима функционирования ЖК элемента в каком-либо стройстнве важно хорошо изучить электрические характеристики жидких кристаллов. Начнем описание электрических свойств с электро проводности жидких кристаллов. Электропроводность - это величина, характеризующая количественно способнность вещества проводить ток. Она является коэффицинентом пропорциональности в формуле l==oU, устанавнливающей связь между током / и приложенным напрянжением U. Поскольку проводимость о - характеристика вещества, то ее значение всегда приводится для единичнного объема вещества с единичным сечением поверхнонстей. Такой лобъемчик можно представить себе в виде кубика или цилиндра. Напряжение прикладывается к пронтивоположным граням куба или сечениям цилиндра, ток в приведенной формулеЧэто суммарный ток через грани куба, к которым приложено напряжение, или ченрез сечение цилиндра. Вспомнив курс школьной физики, читатель скажет, что проводимость - это величина, обнратная дельному сопротивлению (строго говоря, введеую нами величину следует также называть удельной проводимостью, но слово лудельная обычно опускают). Совершенно правильно] Более того, проводимость изменряется в тех же, что и сопротивление, единицах - в омах, точнее, обратных омах. Для объема ЖК в один кубиченский сантиметр ее типичное значение ^0~"Ч\0~" Ом-*-см. Это довольно-таки малая величина, характерная для орнганических жидкостей. Для металлов соответствующая величина на 1Ч18 порядков больше) Но здесь важно не абсолютное значение проводимости, то, что провондимость в направлении вдоль директора (Гц отличается от проводимости поперек директора Од.. В большинстве нематиков сгц больше, чем Oi. Так, для нематика МББА

вЦ/1==1,5-

Другим важным обстоятельством является то, что проводимость в жидких кристаллах носит ионный харакнтер. Это означает, что ответственными за перенос элекнтрического тока в ЖК являются не электроны, как в менталлах, гораздо более массивные частицы. Это полонжительно и отрицательно заряженные фрагменты моленкул (или сами молекулы), отдавшие или захватившие изнбыточный электрон. По этой причине электропроводность жидких кристаллов сильно зависит от количества и химинческой природы содержащихся в них примесей. В частнности, электропроводность нематика можно целенанправленно 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 ð. больше, ÷åìó, представляется совершенно естественным и поннятным. 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 пронводимость.

Более того, обсуждаемая модель шариков-ионов в системе ориентированных палочек-молекул с необходинмостью приводит к следующему важному заключению. Двигаясь под действием электрического тока поперек направления директора (мы считаем, что поле приложенно поперек директора), ионы, сталкиваясь с молекуланми-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 привондить к переориентации директора.

Эксперимент подтверждает выводы рассмотренной выше простой механической модели прохождения тока в жидком кристалле. Однако во многих случаях ситуанция оказывается не такой простой, как может показатьнся на первый взгляд.

Часто постоянное напряжение, приложенное к слою нематика, вызывает в результате возникшего тока не однородное изменение ориентации молекул, периодинческое в пространстве возмущение ориентации директонра. Дело здесь в том, что, говоря об ориентирующем молекулы нематика воздействии ионов носителей тока, мы пока что пренебрегали тем, что ионы будут вовленкать в свое движение также и молекулы нематика. В рензультате такого вовлечения прохождение тока в жиднком кристалле может сопровождаться гидродинамичеснкими потоками, вследствие чего может установиться пенриодическое в пространстве распределение скоростей течения жидкого кристалла. Вследствие же обсуждавншейся в предыдущем разделе связи потоков жидкого кристалла с ориентацией директора в слое нематика вознникнет периодическое возмущение распределения директора. Подробней на этом интересном и важном в принложении жидких кристаллов явлении мы остановимся ниже, рассказывая об электрооптике нематиков.

Флексоэлектрический эффект. Говоря о форме монлекул 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 прибнлижение молекула-палочка наиболее адекватно их форнме. Далее мы видим, что с формой молекул связан ряд интересных, наблюдаемых на опыте, свойств жиднких кристаллов. Сейчас мы остановимся на одном из таких свойств жидких кристаллов, связанном с отклоненнием ее формы от простейшей молекулы-палочки, пронявляющемся в существовании флексоэлектрического эффекта.

Интересно, что открытие флексоэлектрического эфнфекта, как иногда говорят о теоретических предсказанниях, было сделано на кончике пера американским физинком Р. Мейером в 1969 году.

Рассматривая модели жидких кристаллов, образонванных не молекулами-палочками, 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 ненсимметричной формы Ч типичное явление и связано оно с тем, что расположение центра тяжести отрицантельного электрического заряда электронов в молекуле может быть несколько смещено относительно центра тяжести положительных зарядов атомных ядер моленкулы. Это относительное смещение отрицательных и понложительных зарядов относительно друг друга и привондит к возникновению электрического дипольного моменнта молекулы. При этом в целом молекула остается нейтнральной, так как величина отрицательного заряда элекнтронов в точности равна положительному заряду ядер. Величина дипольного момента равна произведению занряда одного из знаков на величину их относительного смещения. Направлен дипольный момент вдоль направнления смещения от отрицательного заряда к положинтельному. Для грушеобразной молекулы направление динпольного момента по симметричным соображениям должно совпадать с осью вращения, для банановидной молекулы Ч направлено поперек длинной оси.

Рассматривая жидкий кристалл таких молекул, легко понять, что без влияния на него внешних воздействий дипольный момент макроскопически малого, но, разуменется, содержащего большое число молекул объема жиднкого кристалла, равен нулю. Это связано с тем, что напнравление директора в жидком кристалле задается ориеннтацией 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 динректора в ту и другую сторону, одинаково. В рензультате дипольный момент любого макроскопиченского объема жидкого кристалла равен нулю, так как он равен сумме дипольных моментов отдельных молекул.

Так, однако, дело обстоит лишь в неискаженном обнразце. Стоит путем внешнего воздействия, например менханического, исказить, скажем, изогнуть его, как моленкулы начнут выстраиваться, и распределение направленний дипольных моментов отдельных молекул вдоль динректора для грушеподобных молекул и поперек директонра для банановидных будет неравновероятным. Это означает, что возникает преимущественное направление ориентации дипольных моментов отдельных молекул и, как следствие, появляется макроскопический дипольный момент в объеме жидкого кристалла. Причиной такого выстраивания являются стерические факторы, т. е. факнторы, обеспечивающие плотнейшую паковку молекул. Плотнейшей паковке молекул именно и соответствует такое выстраивание молекул, при котором их диполь-ные моменты смотрят преимущественно в одну стонрону.

С макроскопической точки зрения рассмотренный эффект проявляется в возникновении в слое жидкого кристалла электрического поля при деформации. Как видно из рисунка, это связано с тем, что при выстраиваннии диполей на одной поверхности деформированного кристалла оказывается избыток зарядов одного, на противоположной поверхности - другого знака. Таким обрезом, наличие или отсутствие флексоэлектрического эффекта несет информацию о форме молекул и ее ди-польном моменте. Для молекул-палочек такой эффект отсутствует. Для только что рассмотренных форм моленкул эффект есть. Однако, как же, наверное, заметили наиболее внимательные читатели, для грушеподобных и банановидных молекул для наблюдения возникновения электрического поля в слое надо вызвать в нем разлинчные деформации. Грушеподобные молекулы дают эфнфект при поперечном изгибе, банановидные - при продольном изгибе жидкого кристалла

Предсказанный теоретически флексоэлектрический эффект вскоре был обнаружен экспериментально. Принчем на эксперименте можно было пользоваться как прянмым, так и обратным эффектом. Это означает, что можно не только путем деформации ЖК индуцировать в нем электрическое поле и макроскопический дипольнный момент (прямой эффект), но и, прикладывая к обнразцу внешнее электрическое поле, вызывать дефорнмацию ориентации директора в жидком кристалле.

Электронная игра, электронный словарь и телевизор на жк

Известно, какой популярностью у молодежи пользунются различные электронные игры, обычно устанавливанемые в специальной комнате аттракционов в местах обнщественного отдыха или фойе кинотеатров. спехи в разработке матричных жидкокристаллических дисплеев сделали возможным создание и массовое производство подобных игр в миниатюрном, так сказать, карманном иснполнении. На рис. 28 изображена игра Ну, погоди!, оснвоенная отечественной промышленностью. Габариты этой игры, как у записной книжки, основным ее эленментом является жидкокристаллический матричный диснплей, на котором высвечиваются изображения волка, зайнца, кур и катящихся по желобам яичек. Задача играющенго, нажимая кнопки правления, заставить волка, перенмещаясь от желоба к желобу, ловить скатывающиеся с желобов яички в корзину, чтобы не дать им пасть на землю и разбиться. Здесь же отметим, что, помимо разнвлекательного назначения, эта игрушка выполняет роль часов и будильника, т. е. в другом режиме работы на дисплее высвечивается время и может подаваться звунковой сигнал в требуемый момент времени.

Еще один впечатляющий пример эффективности сонюза матричных дисплеев на жидких кристаллах и микронэлектронной техники дают современные электронные словари, которые начали выпускать в Японии. Они преднставляют собой миниатюрные вычислительные машинки размером с обычный карманный микрокалькулятор, в память которых введены слова на двух (или больше) языках и которые снабжены матричным дисплеем и кланвиатурой с алфавитом. Набирая на клавиатуре слово на одном языке, вы моментально получаете на дисплее его перевод на другой язык. Представьте себе, как лучшитнся и облегчится процесс обучения иностранным язынкам в школе и в вузе, если каждый учащийся будет снабнжен подобным словарем) А наблюдая, как быстро изденлия микроэлектроники внедряются в нашу жизнь, можно с веренностью сказать, что такое время не за горами) Легко представить и пути дальнейшего совершенствованния таких словарей-переводчиков: переводится не одно слово, целое предложение. Кроме того, перевод монжет быть и озвучен. Словом, внедрение таких словарей-переводчиков сулит революцию в изучении языков и технике перевода.

Требования к матричному дисплею, используемому в качестве экрана телевизора, оказываются значительно выше как по быстродействию, так и по числу элементов, чем в описанных выше электронной игрушке и словаре-переводчике. Это станет понятным, если вспомнить, что в соответствии с телевизионным стандартом изображенние на экране формируется из 625 строк (и приблизинтельно из такого же числа элементов состоит каждая строка), время записи одного кадра 40 мс. Поэтому практическая реализация телевизора с жидкокристаллинческим экраном оказывается более трудной задачей. Тем не менее налицо первые спехи в техническом решении и этой задачи. Так, японская фирма Сони наладила пронизводство миниатюрного, умещающегося практически на ладони телевизора с черно-белым изображением и размером экрана 3,6 см. Несомненно, в будущем удастнся создать телевизоры на ЖК как с более крупными экнранами, так и с цветным изображением.

Союз микроэлектроники и жидких кристаллов оказынвается чрезвычайно эффективным не только в готовом изделии, но и на стадии изготовления интегральных схем. Как известно, одним из этапов производства микросхем является фотолитография, которая состоит в нанесении на поверхность полупроводникового материала специнальных масок, затем в вытравливании с помощью фо тографической техники так называемых литографических окон. Эти окна в результате дальнейшего процесса пронизводства преобразуются в элементы и соединения минкроэлектронной схемы. От того, насколько малы разменры соответствующих окон, зависит число элементов схемы, которые могут быть размещены на единице площадиа полупроводника, от точности и качества вытравливания окон зависит качество микросхемы. Выше же говорилось о контроле качества готовых микросхем с помощью холестерических жидких кристаллов, которые визуализируют поле температур на работающей схеме и позволяют выделить частки схемы с аномальным тепло-выделением. Не менее полезным оказалось применение жидких кристаллов (теперь ж нематических) на стадии контроля качества литографических работ. Для этого на полупроводниковую пластину с протравленными литогранфическими окнами наносится ориентированный слой не- матика, затем к ней прикладывается электрическое напряжение.а В результате в аполяризованном свете картина " вытравленных окон отчетливо визуализируется. Более того, этот метод позволяет выявить очень малые по раз- мерам неточности и дефекты литографических работ, 1 протяженность которых всего 0,01 мкм (рис. 29).

О БУДУЩИХ ПРИМЕНЕНИЯХ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ

Жидкие кристаллы сегодня и завтра. Многие оптиченские эффекты в жидких кристаллах, о которых рассказынвалось выше, же освоены техникой и используются в изделиях массового производства. Например, всем изнвестны часы с индикатором на жидких кристаллах, но не все еще знают, что те же жидкие кристаллы использунются для производства наручных часов, в которые встронен калькулятор. Тут же даже грудно сказать, как нанзвать такое стройство, то ли часы, то ли компьютер. Но это же освоенные промышленностью изделия, хотя всего десятилетия назад подобное казалось нереальным. Перспективы же будущих массовых и эффективных принменений жидких кристаллов еще более дивительны. Понэтому стоит рассказать о нескольких технических идеях применения жидких кристаллов, которые пока что не реализованы, но, возможно, в ближайшие несколько лет послужат основой создания стройств, которые станут для нас такими же привычными, какими, скажем, сейчас являются транзисторные приемники.

Управляемые оптические транспаранты. Рассмотрим пример достижения научных исследований в процессе создания жидкокристаллических экранов, отображения информации, в частности жидкокристаллических экранов телевизоров. Известно, что массовое создание больших плоских экранов на жидких кристаллах сталкивается с трудностями не принципиального, чисто технологиченского характера. Хотя принципиально возможность сонздания таких экранов продемонстрирована, однако связи со сложностью их производства при современной технологии их стоимость оказывается очень высокой. Понэтому возникла идея создания проекционных стройств на жидких кристаллах, в которых изображение, получеое на жидкокристаллическом экране малого размера могло бы быть спроектировано в величенном виде на обычный экран, подобно тому, как это происходит в кинотеатре с кадрами кинопленки. Оказалось, что такие стройства могут быть реализованы на жидких кристалнлах, если использовать сэндвичевые структуры, в котонрые наряду со слоем жидкого кристалла входит слой фотополупроводника. Причем запись изображения в жидком кристалле, осуществляемая с помощью фотопонлупроводника, производится лучом света. О подобном проекторе же рассказывалось в главе VII. Теперь же познакомимся с физическими явлениями, положенными в основу его работы.

Принцип записи изображения очень прост. В отсутстнвие подсветки фотополупроводника его проводимость очень мала, поэтому практически вся разность потенцианлов, поданная на электроды оптической ячейки, в котонрую еще дополнительно введен слой фотополупроводнника, падает на этом слое фотополупроводника. При этом состояние жидкокристаллического слоя соответствует отсутствию напряжен;.я на нем. При подсветке фотопонлупроводника его проводимость резко возрастает, так как свет создает в нем дополнительные носители тока (свободные электроны и дырки). В результате происхондит перераспределение электрических напряжений в ячейке - теперь практически все напряжение падает на жидкокристаллическом слое, и состояние слоя, в частнонсти, его оптические характеристики изменяются соответнственно величине поданного напряжения. Таким образом изменяются оптические характеристики жидкокристалнлического слоя в результате действия света. Ясно, что при этом в принципе может быть использован любой электрооптический эффект из описанных выше. Практинчески, конечно, выбор электрооптического эффекта в танком сэндвичевом стройстве, называемом электроопти-ческим транспарантом, определяется наряду с требуе мыми оптическими характеристиками и чисто технологическимиа причинами [6].

Важно, что в описываемом транспаранте изменение оптических характеристик жидкокристаллического слоя происходит локально Ч в точке засветки фотополупронводника. Поэтому такие транспаранты обладают очень вынсокой разрешающей способностью. Так, объем информанции, содержащейся на телевизионном экране, может быть записан на транспаранте размерами менее Х1 см^.

Описанный способ записи изображения, помимо всенго прочего, обладает большими достоинствами, так как он делает ненужной сложную систему коммутации, т. е. систему подвода электрическиха сигналов, которая применяется в матричных экранах на жидких кринсталлах.

Пространственно-временные модуляторы света. пнравляемые оптические транспаранты могут быть испольнзованы не только как элементы проекционного устройнства, но и выполнять значительное число функций, свянзанных с преобразованием, хранением и обработкой опнтических сигналов. В связи с тенденциями развития ментодов передачи и обработки информации с использованнием оптических каналов связи, позволяющих величить быстродействие стройств и объем передаваемой инфорнмации, правляемые оптические транспаранты на жиднких кристаллах представляют значительный интерес и с этой точки зрения. В этом случае их еще принято назынвать пространственно-временными модуляторами света (ПВМС), или световыми клапанами. Перспективы и маснштабы применения ПВМС в устройствах обработки оптинческой информации определяются тем, насколько сенгодняшние характеристики оптических транспарантов монгут быть лучшены в сторону достижения максимальной чувствительности к правляющему излучению, повышенния быстродействия и пространственного разрешения световых сигналов, также диапазона длин волн излученния, в котором надежно работают эти стройства. Как уже отмечалось, одна из основных проблем Ч это пробнлема быстродействия жидкокристаллических элементов, однако же достигнутые характеристики модуляторов света позволяют совершенно определенно утверждать, что они займут значительное место в системах обработнки оптической информации. Ниже рассказывается о рянде возможных применений модуляторов света.

Прежде всего отметим высокую чувствительность модуляторов света к правляющему световому потоку, которая характеризуется интенсивностью светового понтока всего 10 ^Ч10 ^ Вт/см^. Кроме того, достигнуто высокое пространственное разрешение сигнала - около 300 линий на 1 мм. Спектральный диапазон работы мондуляторов, выполненных на различных полупроводниконвых материалах, перекрывает длины волн от льтрафионлетового до ближнего инфракрасного излучения. Очень важно, что в связи с применением в модуляторах фотонполупроводников удается лучшить временные характенристики стройств по сравнению с быстродействием собнственно жидких кристаллов. Так, модуляторы света за счет свойств фотополупроводника могут зарегистриронвать оптический сигнал продолжительностью всего 10 ^Ч 10"^ с. Разумеется, изменение оптических характеристик жидкого кристалла в точке регистрации сигнала происнходит с запаздыванием, т. е. более медленно, в соответнствии с временем изменения оптических характеристик жидкого кристалла при наложении на него (или снятии) электрического поля.

Какие же, кроме же обсуждавшихся функций, могут выполнять модуляторы света? При соответствующем поднборе режима работы модулятора они могут выделять контур проектируемого на него изображения. Если коннтур перемещается, то можно визуализировать его двинжение. При этом существенно, что длина волны записынвающего изображения излучения и считывающего излунчения могут отличаться. Поэтому модуляторы света понзволяют, например, визуализировать инфракрасное изнлучение, или с помощью видимого света модулировать пучки инфракрасного излучения, или создавать изобранжения в инфракрасном диапазоне длин волн.

В другом режиме работы модуляторы света могут выделять области, подвергнутые нестационарному освенщению. В этом режиме работы из всего изображения выделяются, например, только перемещающиеся по изонбражению световые точки, или мерцающие его частки. Модуляторы света могут использоваться как силители яркости света (в 10^Ч10

Оптический микрофон. Только что было рассказано об управлении световыми потоками с помощью света. Однако в системах оптической обработки информации и связи возникает необходимость преобразовывать не только световые сигналы в световые, но и другие самые разнообразные воздействия в световые сигналы. Такими воздействиями могут быть давление, звук, температура, деформация и т. д. И вот для преобразования этих возндействий в оптический сигнал жидкокристаллические снтройства оказываются опять-таки очень добными и пернспективными элементами оптических систем.

Конечно, существует масса методов преобразовывать перечисленные воздействия в оптические сигналы, однанко подавляющее большинство этих методов связано снанчала с преобразованием воздействия в электрический сигнал, с помощью которого затем можно правлять световым потоком. Таким образом, методы эти двустунпенчатые и, следовательно, не такие ж простые и эконномичные в реализации. Преимущество применения в этих целях жидких кристаллов состоит в том, что с их помощью самые разнообразные воздействия можно ненпосредственно переводить в оптический сигнал, что стнраняет промежуточное звено в цепи воздействиеЧсвентовой сигнал, значит, вносит принципиальное упрощенние в правление световым потоком. Другое достоинстнво ЖК-элементов в том, что они легко совместимы с знлами волоконно-оптических стройств.

Чтобы проиллюстрировать возможности с помощью ЖК правлять световыми сигналами, расскажем о приннципе работы лоптического микрофона на ЖЧустройнства, предложенного для непосредственного перевода акустического сигнала в оптический.

Принципиальная схема устройства оптического микнрофона очень проста. Его активный элемент представляет собой ориентированный слой нематика. Звуковые коле бания создают периодические во времени деформации слоя, вызывающие также переориентации молекул и модуляцию поляризации (интенсивности) проходящего поляризованного светового потока.

Исследования характеристик оптического микрофона на ЖК, выполненные в Акустическом институте АН Р, показали, что по своим параметрам он не ступает сунществующим образцам и может быть использован в опнтических линиях связи, позволяя осуществлять непосреднственное преобразование звуковых сигналов в оптиченские. Оказалось также, что почти во всем температурном интервале существования нематической фазы его акусто-оптические характеристики практически не изменяются

[9]-Прежде чем перейти к другому примеру возможного

применения ЖК в оптических линиях связи, напомним, что оптическое волокно представляет собой оптический волновод. Свет из этого волновода не выходит наружу по той причине, что снаружи на волокно нанесено покрынтие, диэлектрическая проницаемость которого больше, чем во внутренней части волокна, в результате чего пронисходит полное внутреннее отражение света на границе внутренней части и внешнего покрытия. Волноводный ренжим распространения света в волокне может быть также достигнут не только за счет резкой диэлектрической границы, но и при плавном изменении показателя преломнления (диэлектрической проницаемости) от середины к поверхности волновода (рис. 45).

По аналогии с оптическими волокнами в тонком слое жидкого кристалла также может быть реализован волнонводный режим распространения света вдоль слоя, если обеспечить соответствующее изменение диэлектриченской проницаемости в пределах толщины слоя. А как мы знаем, изменения диэлектрических характеристик в ЖК можно добиться изменением ориентации директора (длинных осей молекул). Оказывается, в слое нематика или холестерина можно, например, путем приложения электрического поля обеспечить такой характер измененния ориентации директора по толщине, что для опреденленной поляризации света такой слой оказывается оптинческим волноводом.

Каждый увидит здесь очевидную аналогию между опнтическим волокном-волноводом и жидкокристалличенским волноводом. Но имеется здесь и очень существеая разница. Эта разница состоит в том, что если диэлекнтрические характеристики оптического волокна, следонвательно, и его волноводные свойства, неизменны и форнмируются при его изготовлении, то диэлектрические, следовательно, и волноводные свойства ЖК-волновода легко изменять путем внешних воздействий.

Это значит, например, что если жидкокристалличенский волновод включен в канал волоконной связи, то световой поток, идущий по этому каналу, можно модунлировать, меняя характеристики ЖК-элемента. В пронстейшем случае это может быть просто прерывание свентового потока, которое может происходить в ЖК-эле-менте при таком переключении электрического сигнала на нем, которое приводит к исчезновению его волновод-ных свойств. Кстати сказать, этот же ЖК-элемент может выполнять и функции оптического микрофона, если он строен так, что акустический сигнал вызывает в нем вознмущение ориентации директора.

Как сделать стереотелевизор. В качестве еще одного заманчивого, неожиданного и касающегося практически всех применений жидких кристаллов стоит назвать идею создания системы стереотелевидения с применением жидких кристаллов. Причем, что представляется особео заманчивым, такая система стереотелевидения на жидких кристаллах может быть реализована ценой очень простой модификации передающей телекамеры и донполнением обычных телевизионных приемников специнальными очками, стекла которых снабжены жидкокристаллическими фильтрами.

Идея этой системы стереотелевидения чрезвычайно проста. Если честь, что кадр изображения на телеэкранне формируется построчно, причем так, что сначала вынсвечиваются нечетные строчки, потом четные, то с понмощью очков с жидкокристаллическими фильтрами легнко сделать так, чтобы правый глаз, например, видел тольнко четные строчки, левый - нечетные. Для этого достанточно синхронизировать включение и выключение жидконкристаллических фильтров, т. е. возможность воспрининмать изображение на экране попеременно то одним, то другим глазом, делая попеременно прозрачным то одно, то другое стекло очков с высвечиванием четных и нечетнных строк.

Теперь совершенно ясно, какое сложнение передаюнщей телекамеры даст стереоэффект телезрителю. Нандо, чтобы передающая телекамера была стерео, т. е. чтобы она обладала двумя объективами, соответствуюнщими восприятию объекта левым и правым глазом челонвека, четные строчки на экране формировались с понмощью правого, а нечетныеЧс помощью левого обънектива передающей камеры.

Система очков с жидкокристаллическими фильтранмиЧзатворами, синхронизированными с работой телевинзора, может оказаться непрактичной для массового принменения. Возможно, что более конкурентоспособной оканжется стереосистема, в которой стекла очков снабжены обычными поляроидами. При этом каждое из стекол очнков пропускает линейно-поляризованный свет, плоскость поляризации которого перпендикулярна плоскости полянризации света, пропускаемого вторым стеклом. Стерео же эффект в этом случае достигается с помощью жидконкристаллической пленки, нанесенной на экран телевизонра и пропускающей от четных строк свет одной линейнной поляризации, от нечетныхЧдругой линейной понляризации, перпендикулярной первой.

Какая из описанных систем стереотелевидения будет реализована или выживет совсем другая система, покажета будущее.

Очки для космонавтов. Знакомясь ранее с маской для электросварщика, теперь с очками для стереотелеви дения, бы заметили, что в этих стройствах правляемый жидкокристаллический фильтр перекрывает сразу все поле зрения одного или обоих глаз. Между тем сущестнвуют ситуации, когда нельзя перекрывать все поле зрения человека и в то же время необходимо перекрыть отндельные частки поля зрения.

Например, такая необходимость может возникнуть у космонавтов в словиях их работы в космосе при чрезнвычайно ярком солнечном освещении, не ослабленном ни атмосферой, ни облачностью. Эту задачу как в случае маски для электросварщика или очков для стереотеленвидения позволяют решить правляемые жидкокристаллические фильтры.

Усложнение очков в этом случае состоит в том, что поле зрения каждого глаза теперь должен перекрывать не один фильтр, несколько независимо правляемых фильтров. Например, фильтры могут быть выполнены в виде концентрических колец с центром в центре стекол очков или в виде полосок на стекле очков, каждая из которых при включении перекрывает только часть поля зрения глаза.

Такие очки могут быть полезны не только космонавнтам, но и людям других профессий, работа которых монжет быть связана не только с ярким нерассеянным освенщением, но и с необходимостью воспринимать большой объем зрительной информации.

Например, в кабине пилота современного самолета огромное количество панелей приборов. Однако не все из них нужны пилоту одновременно. Поэтому использонвание пилотом очков, ограничивающих поле зрения, монжет быть полезным и облегчающим его работу, так как помогает сосредоточивать его внимание только на части нужных в данный момент приборов и страняет отвлеканющее влияние не нужной в этот момент информации. Конечно, в случае пилота можно пойти и по другому пунтиЧпоставить ЖК-фильтры на индикаторы приборов, чтобы иметь возможность экранировать их показания.

Подобные очки будут очень полезны также в биомендицинских исследованиях работы оператора, связанной с восприятием большого количества зрительной инфорнмации. В результате таких исследований можно выявить скорость реакции оператора на зрительные сигналы, опнределить наиболее трудные и томительные этапы в его работе и в конечном итоге найти способ оптимальной ор ганизации его работы. Последнее значит определить нанилучший способ расположения панелей приборов, тип индикаторов приборов, цвет и характер сигналов различнной степени важности и т. д.

Фильтры подобного типа и индикаторы на жидких кристаллах, несомненно, найдут (и же находят) широкое применение в кино-, фотоаппаратуре. В этих целях они привлекательны тем, что для правления ими требуется ничтожное количество энергии, в ряде случаев позвонляют исключить из аппаратуры детали, совершающие механические движения. А как известно, механические системы часто оказываются наиболее громоздкими и неннадежными.

Какие механические детали кино-, фотоаппаратуры имеются в виду? Это прежде всего диафрагмы, фильтнры - ослабители светового потока, наконец, прерыватенли светового потока в киносъемочной камере, синхронинзованные с перемещением фотопленки и обеспечиваюнщие покадровое ее экспонирование.

Принципы устройства таких ЖК-элементов ясны из предыдущего. В качестве прерывателей и фильтров-оснлабителей естественно использовать ЖК-ячейки, в котонрых под действием электрического сигнала изменяется пропускание света по всей их площади. Для диафрагм без механических частейЧсистемы ячеек в виде коннцентрических колец, которых могут под действием элекнтрического сигнала изменять площадь пропускающего свет прозрачного окна. Следует также отметить, что слонистые структуры, содержащие жидкий кристалл и фотонполупроводник, т. е. элементы типа правляемых опнтических транспарантов, могут быть использованы не только в качестве индикаторов, например, экспозиции, но и для автоматической становки диафрагмы в кино-, фотоаппаратуре.

При всей принципиальной простоте обсуждаемых стройств их широкое внедрение в массовую продукцию зависит от ряда технологических вопросов, связанных с обеспечением длительного срока работы ЖК-элемен-тов, их работы в широком температурном интервале, нанконец, конкуренции с традиционными и стоявшимися техническими решениями и т. д. Однако решение всех этих проблем - это только вопрос времени, и скоро, нанверное, трудно будет себе представить совершенный фонтоаппарат, не содержащий ЖК-устройства.