ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ

Материал из Юнциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Жидкими кристаллами называются жидкости, которые состоят из молекул анизотропной формы, сохраняющих определенный порядок в своем расположении относительно друг друга. У молекул жидких кристаллов можно четко выделить характерные оси: в таких молекулах атомы располагаются вдоль избранной линии (молекулы — стержни) или лежат в выделенной плоскости (молекулы — диски). В жидком кристалле имеется особое направление, как в твердом кристалле, вдоль которого ориентируются длинные оси молекул (рис. 1а) или плоскости молекул (рис. 1б). При этом жидкий кристалл может быть, действительно, жидким, как вода, т. е. центры масс молекул не образуют правильную (кристаллическую) решетку, а располагаются хаотично в пространстве и могут в нем свободно перемещаться.

Возникновение особого направления вызвано взаимодействием молекул указанной формы, причем важную роль здесь играют как силы притяжения, так и силы отталкивания. Силы притяжения — электрического происхождения, они возникают и между электрически нейтральными молекулами благодаря случайным смещениям в атомах отрицательно заряженных электронных облаков относительно положительно заряженных ядер. Такие совокупности двух разноименных зарядов, называемые электрическими диполями, создают в окрестностях нейтральных атомов электрические поля (рис. 2а), которые поддерживают это разделение зарядов (рис. 26). В результате разноименно заряженные части атомов, а значит, и атомы целиком притягиваются друг к другу. Чем больше атомов в молекуле, тем сильнее притягиваются молекулы, причем большая часть атомов одной молекулы стремится оказаться вблизи другой молекулы, а это возможно только тогда, когда длинные оси или плоскости соседних молекул параллельны.

На близких расстояниях по законам квантовой механики молекулы отталкиваются, т. е. они не могут проникать друг в друга. Поэтому, например, молекулы-стержни, помещенные в относительно небольшой объем, мешают друг другу при случайных взаимных поворотах, т. е. при высокой концентрации стержней в растворе силы отталкивания также вызывают параллельную ориентацию таких молекул.

При относительно высокой температуре или низкой концентрации молекулярного раствора тепловые толчки достаточно сильны, чтобы разрушить ориентационный порядок в системе молекул. При повышении температуры или понижении концентрации обязательно наступает момент, когда хаотическое тепловое движение становится преобладающим и жидкий кристалл превращается в обычную жидкость (плавится).

При понижении температуры он превращается в твердый кристалл.

Особые направления в жидких кристаллах, как и в твердых, называются оптическими осями, так как с их существованием связаны замечательные оптические свойства этих материалов (двойное лучепреломление, поворот плоскости поляризации света и др.). В отличие от твердых кристаллов, где оптические оси жестко закреплены, в жидких кристаллах направления оптических осей можно легко изменять с помощью самых различных воздействий, в том числе электрическим полем. Для управления оптическими свойствами жидких кристаллов требуются весьма малые напряжения (около 1 В).

Это объясняется тем, что все их молекулы взаимосвязаны и ориентированы одинаково, и достаточно повернуть одну из них, чтобы весь коллектив молекул изменил свою ориентацию.

Благодаря таким электрооптическим эффектам жидкие кристаллы приобрели большое практическое значение. Тонкие слои этих кристаллов (толщиной в сотую долю микрометра) применяются при изготовлении табло электронных часов, калькуляторов, экранов телевизионных приемников.

Некоторые вещества в жидкокристаллическом состоянии способны смешиваться между собой и образовывать жидкие кристаллы с различными структурами и свойствами.