1
0ШИИШ1
НАРОДНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
естественнонаучный факультет
Издается с 1961 т.
В.А. Беляков,
доктор физико-математических наук
КРИСТАЛЛЫ
Издательство «Знание»
Моснва
1986

ЬЬК 22.37
Б 43
БЕЛЯКОВ Владимир Алексеевич, доктор физико-математи¬
ческих наук, профессор, начальник сектора Всесоюзного
научно-исследовательского центра по изучению свойств по¬
верхностей и вакуума. Является автором монографии по жид¬
ким кристаллам, ряда научно-популярных книг
Рецензент: Кац Е. И., доктор физико-математических наук,;
Б 43 Жидкие кристаллы. — М.: Знание, 1986. — 160 с.—
(Нар. ун-т. Естественнонаучный фак.).
В век научно-технического прогресса устройства, осно!
ванные на жидких кристаллах, стремительно внедряются в
нашу жизнь, они многообразны и масштабны — от термомет¬
ров до цветных и стереотелевизоров
Автор книги уделяет особое внимание описанию строения,
физических свойств жидких кристаллов и их применению в
науке, технике, быту.
Книга может служить пособием для слушателей народных?
университетов естественнонаучных знаний, а также будет инте*
ресна и полезна преподавателям и студентам вузов.
Беляков В. А.
50 к.
32000
1704060000—006
073(02)—86
15—86
ББК 22.37
531.9
© Издательство «Знание», 1986 г.

ПРЕДИСЛОВИЕ
В наше время, время научно-технической револю¬
ции, достижения науки так стремительно внедряются в
материальное производство и жизнь, что порой созда¬
ются парадоксальные ситуации. А именно какое-либо
физическое явление, послужившее основой нового вида
производства, интенсивно внедряется в технику и быт,
однако знания об этом явлении и его известность в ши¬
роких кругах явно недостаточны.
Подобная ситуация складывается с жидкими кристал¬
лами и знаниями о них. Сейчас устройства, основанные
на жидких кристаллах, стремительно внедряются в тех¬
нику, особенно в технику отображения информации. На¬
чалось массовое внедрение устройств, содержащих жид¬
кие кристаллы, в быт. Вспомним хотя бы часы с цифро¬
вой индикацией времени. Перспективы массового внед¬
рения жидких кристаллов в нашу жизнь еще более мно¬
гообразны и масштабны: от термометров до телевизо¬
ров. Процесс внедрения научных достижений в практику
и массовое производство идет здесь столь быстро, что
соответствующие достижения и сведения не нашли пока
еще должного отражения даже в программах вузов. Ме¬
жду тем жидкие кристаллы, или жидкокристаллическое
состояние вещества, с физической точки зрения есть са¬
мостоятельное фазовое состояние, не менее важное и
интересное, чем всем хорошо известные состояния ве¬
щества: твердое, жидкое и газообразное. В некоторых
отношениях, в познавательном аспекте, оно является да¬
же более интересным.
Наука и ее достижения активно влияют на нашу жизнь,
поэтому, как правило, повышенный научный интерес к
3

тому или иному объекту или явлению означает, что этот
объект или явление представляет большой практический
интерес. В этом отношении не являются исключением и
жидкие кристаллы. Интерес к ним прежде всего обуслов¬
лен возможностями их эффективного применения в ря¬
де отраслей производственной деятельности. Внедрение
жидких кристаллов означает экономическую эффектив¬
ность, простоту, удобство. В предлагаемой вниманию чи¬
тателей книге рассказывается о том, что такое жидкие
кристаллы, об исследованиях их удивительных свойств и
разнообразных практических применениях. Содержание
книги активно пропагандирует достижения отечественной
науки. Книга, несомненно, найдет широкого читателя в
лице всех тех, кто интересуется достижениями современ¬
ной науки и ее техническими приложениями.
Академик АН СССР Б, К. ВАЙНШТЕЙН

ОТ АВТОРА
Начиная писать эту книгу, автор ставил перед свбой
задачу популярно рассказать о жидких кристаллах, мате¬
риалах, которые активно внедряются в нашу жизнь.
Мы, ло-видимому, являемся свидетелями революции
• технике отображения информации (а информация нуж¬
на всем!), которая совершается благодаря жидким кри¬
сталлам и подобна той, которая произошла в электрони¬
ке с появлением полупроводниковых микроминиатюр¬
ных элементов радиотехнических схем. Поэтому в бли¬
жайшем будущем нельзя будет себе представить чело¬
века, незнакомого с устройствами, содержащими жидко¬
кристаллические элементы, так же как сейчас трудно
представить человека, незнакомого с микроэлектрони¬
кой. Это означает, что иметь представление о том, что
такое жидкие кристаллы, необходимо всем. Автор наде¬
ется, что предлагаемая вниманию читателей книга хотя
бы частично позволит ликвидировать образовавшийся в
результате быстрого развития исследований жидких кри¬
сталлов разрыв между масштабами их массовых приме¬
нений, их значимостью в нашей жизни и уровнем массо¬
вых знаний о них.
Необходимость ликвидации такого разрыва представ¬
ляется актуальной для самого широкого круга читателей,
поскольку сведения о жидких кристаллах, к сожалению,
не нашли еще своего отражения в школьных програм¬
мах.
Считаю приятным долгом поблагодарить своих кол¬
лег И. И. Горину, Г. М. Жаркову, Ю. М. Магакову, Н. А.
Тихомирову, А. С. Бабаева, О. Д. Лаврентовича, А. Н. Не-
сруллаева, Г. Е. Невскую, А. С. Сонина, Б. Г. Соф-
фера, предоставивших иллюстративный материал для
этой книги, а также А. И. Семину за помощь по оформ¬
лению рукописи. Автор благодарен Е И Кацу. М А.
Осипову и С, А. Пикину, прочитавшим книгу в рукописи
и сделавшим ряд ценных замечаний.
5

ГЛАВА I
ВВЕДЕНИЕ
Сенсация года. Некоторое время тому назад необыч¬
ной популярностью в США пользовалась новинка юве¬
лирного производства, получившая название «перстень
настроения». За год было продано 50 миллионов таких
перстней, т. е. практически каждая взрослая женщина
имела это ювелирное изделие. Что же привлекло внима¬
ние любителй бижутерии к этому перстню? Оказывается,
он обладал совершенно мистическим свойством реагиро¬
вать на настроение его владельца. Реакция состояла в том,
что цвет камешка перстня следовал за настроением вла¬
дельца, пробегая все цвета радуги от красного до фио¬
летового. Вот это сочетание таинственного свойства уга¬
дывать настроение, декоративность перстня, обеспечи¬
ваемая яркой и меняющейся окраской камешка, плюс
низкая цена и обеспечили успех перстню настроения.
Пожалуй, именно тогда впервые широкие массы стол¬
кнулись с загадочным термином «жидкие кристаллы».
Дело в том, что каждому владельцу перстня хотелось
знать его секрет слежения за настроением. Однако ни¬
чего толком не было известно, говорилось, только, что
камешек перстня сделан на жидком кристалле. Для чита¬
теля, который знаком с жидкими кристаллами, нужно сде¬
лать уточнение — на холестерическом жидком кристалле,
а секрет перстня настроения связан с его удивительными
оптическими свойствами. Читателю, который только
слышал о жидких кристаллах, а может быть, и не слышал
о них вообще, чтобы раскрыть секрет перстня настрое¬
ния, необходимо сначала познакомиться с тем, что такое
жидкие кристаллы, и тогда он узнает не только о том,
как жидкие кристаллы позволяют следить за настроени¬
ем человека, но и о многих других удивительных их
свойствах и практических применениях.
Книга, которую вы начали читать, как раз и ставит
перед собой такую задачу — рассказать основное о жид¬
ких кристаллах, их необычных физических свойствах и
многочисленных технических приложениях.
Зачем нужны ЖК. Все чаще на страницах научных, а
Последнее время и научно-популярных журналов появ¬
ляется термин «жидкие кристаллы» (в аббревиатуре
6

ЖК) и статьи, посвященные жидким кристаллам. 8 повсе¬
дневной жизни мы сталкиваемся с часами, термометра¬
ми на жидких кристаллах. Что же это за вещества с та¬
ким парадоксальным названием «жидкие кристаллы» и
почему к ним проявляется столь значительный интерес?
В наше время наука стала производительной силой, и
поэтому, как правило, повышенный научный интерес к
тому или иному явлению или объекту означает, что это
явление или объект представляет интерес для материаль¬
ного производства. В этом отношении не являются ис¬
ключением и жидкие кристаллы. Интерес к ним прежде
всего обусловлен возможностями их эффективного при¬
менения в ряде отраслей производственной деятельно¬
сти. Внедрение жидких кристаллов означает экономиче¬
скую эффективность, простоту, удобство.
Прежде чем рассказывать о конкретных областях
применения жидких кристаллов, необходимо сказать не¬
сколько общих слов о том, что же это все-таки такое —
жидкие кристаллы. Тем более, что этому пока что не
учат ни в школе, ни в вузе, а ожидается, что в ближай¬
шее время изделия, содержащие жидкокристаллические
элементы, будут так же широко распространены, как
устройства, содержащие электронные лампы или транзи¬
сторы.
Жидкий кристалл — это специфическое агрегатное со¬
стояние вещества, в котором оно проявляет одновре¬
менно свойства кристалла и жидкости. Сразу надо огово¬
риться, что далеко не все вещества могут находиться в
жидкокристаллическом состоянии. Большинство веществ
может находиться только в трех, всем хорошо известных
агрегатных состояниях:	твердом или кристаллическом,
жидком и газообразном. Оказывается, некоторые
органические вещества, обладающие сложными молеку¬
лами, кроме трех названных состояний, могут образовы¬
вать четвертое агрегатное состояние — жидкокристалли¬
ческое. Это состояние осуществляется при плавлении
кристаллов некоторых веществ. При их плавлении обра¬
зуется жидкокристаллическая фаза, отличающаяся от
обычных жидкостей. Эта фаза существует в интервале от
температуры плавления кристалла до некоторой более
высокой температуры, при нагреве до которой жидкий
кристалл переходит в обычную жидкость.
Чем же жидкий кристалл отличается от жидкости и
обычного кристалла и чем похож на них? Подобно обыч¬
7,

ной жидкости, жидкий кристалл обладает текучестью и
принимает форму сосуда, в который он помещен. Этим
он отличается от известных всем кристаллов. Однако
несмотря на это свойство, объединяющее его с жид¬
костью, он обладает свойством, характерным для кри¬
сталлов. Это — упорядочение в пространстве молекул,
образующих кристалл. Правда, это упорядочение не та¬
кое полное, как в обычных кристаллах, но тем не менее
оно существенно влияет на свойства жидких кристаллов,
чем и отличает их от обычных жидкостей. Неполное про¬
странственное упорядочение молекул, образующих жид¬
кий кристалл, проявляется в том, что в жидких кристал¬
лах нет полного порядка в пространственном располо¬
жении центров тяжести молекул, хотя частичный порядок
может быть. Это означает, что у них нет жесткой кри¬
сталлической решетки. Поэтому жидкие кристаллы, по¬
добно обычным жидкостям, обладают свойством текуче¬
сти.
Обязательным свойством жидких кристаллов, сбли¬
жающим их с обычными кристаллами, является наличие
порядка в пространственной ориентации молекул. Такой
порядок в ориентации может проявляться, например, в
том, что все длинные оси молекул в жидкокристалличе¬
ском образце ориентированы одинаково. Эти молекулы
должны обладать вытянутой формой. Кроме простейше¬
го названного упорядочения осей молекул, в жидком
кристалле может осуществляться более сложный ори¬
ентационный порядок молекул.
В зависимости от вида упорядочения осей молекул
жидкие кристаллы разделяются на три разновидности:
нематические, смектические и холестерические.
Исследования по физике жидких кристаллов и их при¬
менениям в настоящее время ведутся широким фрон¬
том во всех наиболее развитых странах мира. Отечествен¬
ные исследования сосредоточены как в академических,
так и отраслевых научно-исследовательских учреждени¬
ях и имеют давние традиции. Широкую известность и
признание получили выполненные еще в тридцатые годы
в Ленинграде работы В. К. Фредерикса и В. Н. Цветкова.
В последние годы бурного изучения жидких кристаллов
отечественные исследователи также вносят весомый
вклад в развитие учения о жидких кристаллах в целом и,
в частности, об оптике жидких кристаллов. Так, работы
И. Г. Чистякова, А. П. Капустина, С. А. Бразовского, С. А.
в

11икина, Л. М. Блинова и многих других советских иссле¬
дователей широко известны научной общественности и
с мужат фундаментом ряда эффективных технических
приложений жидких кристаллов [1—4].
Об успехах отечественной промышленности в освое¬
нии выпуска продукции, в которой существенным элемен¬
том являются жидкие кристаллы, говорит присуждение в
1983 году Государственной премии СССР большой груп¬
пе работников науки и техники за разработку и внедре¬
ние в народное хозяйство индикаторных устройств. Ос¬
новными элементами этих индикаторных устройств, со¬
вершенные технические характеристики которых послу¬
жили основанием для присуждения премии, являются
жидкокристаллические вещества. Присуждение этой
премии символизирует плодотворный союз науки и про¬
изводства в деле технических приложений жидких кри¬
сталлов. Тут же следует сказать, что среди лауреатов,
представителей науки, — В. Н. Цветков, ветеран научных
исследований жидких кристаллов.
Немного истории. Пока мы просто декларировали не¬
обычные свойства жидких кристаллов. Как же они были
обнаружены? Ведь, не обладая современной огромной
информацией о строении материи, очень трудно пове¬
рить, что такие, казалось бы, взаимно исключающие друг
друга свойства могут проявляться у одного вещества.
Поэтому, вероятно, исследователи уже очень давно стал¬
кивались с жидкокристаллическим состоянием, но не от¬
давали себе в этом отчета. Тем не менее существование
жидких кристаллов было установлено очень давно, почти
столетие тому назад, а именно в 1888 году.
Первым, кто обнаружил жидкие кристаллы, был авст¬
рийский ученый-ботаник Рейнитцер. Исследуя новое син¬
тезированное им вещество холестерилбензоат, он обна¬
ружил, что при температуре 145° С кристаллы этого ве¬
щества плавятся, образуя мутную сильно рассеивающую
свет жидкость. При продолжении нагрева по достижении
температуры 179°С жидкость просветляется т. е. начина¬
ет вести себя в оптическом отношении как обычная
жидкость, например вода. Неожиданные свойства холе¬
стерилбензоат обнаруживал в мутной фазе Рассматри¬
вая эту фазу под поляризационным микроскопом, Рей¬
нитцер обнаружил, что она обладает двупреломлением.
Это означает, что показатель преломления света, т. е.
скорость света в этой фазе, зависит от поляризации.
9

Напомним, что линейно поляризованным светом, или
как часто говорят, поляризованным светом, называют
свет (электромагнитную волну), электрическое поле ко¬
торой в процессе распространения остается лежащим в
некоторой неизменной в пространстве плоскости. Эту
плоскость принято называть плоскостью поляризации
света. А указания ориентации в пространстве этой пло¬
скости достаточно для описания линейной поляризации
света. Поскольку в плоскости поляризации лежит и на¬
правление распространения волны, то для задания ли¬
нейной поляризации достаточно одного параметра, а
именно угла ср, определяющего ориентацию этой пло¬
скости в пространстве (ее вращения вокруг направления
распространения волны, см. рис. 1).
Явление двупреломления — это типично кристалличе¬
ский эффект, состоящий в том, что скорость света в кри¬
сталле зависит от ориентации плоскости поляризации
света. Существенно, что она достигает экстремального
максимального и минимального значений для двух вза¬
имно ортогональных ориентаций плоскости поляризации.
Разумеется, ориентации поляризации, соответствующие
экстремальным значениям скорости света в кристалле,
определяются анизотропией свойств кристалла и одно¬
значно задаются ориентацией кристаллических осей отно¬
сительно направления распространения света.
10

Поэтому сказанное поясняет, что существование Дву*
н|ii.ni'млении в жидкости, которая должна быть изотроп¬
ной, г. ». 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-
.tumid, кристаллитов, которые и являлись источником
двупреломления. Однако более детальные исследования,
м которым Рейнитцер привлек известного немецкого фи-
*имл Лемана, показали, что мутная фаза не является двух-
фашой системой, т. е. не содержит в обычной жидкости
мри< оптических включений, а является новым фазовым
((•стоянием вещества. Этому фазовому состоянию Ле¬
ман дал название «жидкий кристалл» в связи с одновре¬
менно проявляемыми им свойствами жидкости и кристал¬
ла. Употребляется также и другой термин для названия
жидких кристаллов. Это — «мезофаза», что буквально
н тачает «промежуточная фаза».
В то время существование жидких кристаллов пред¬
ставлялось каким-то курьезом, и никто не мог предполо¬
жить, что их ожидает почти через сто лет большое буду¬
щее в технических приложениях. Поэтому после некото¬
рого интереса к жидким кристаллам сразу после их от¬
крытия о них через некоторое время практически за¬
были.
Тем не менее уже в первые годы были выяснены мно-
1ие другие удивительные свойства жидких кристаллов.
Так, некоторые виды жидких кристаллов обладали не¬
обычно высокой оптической активностью.
Оптической активностью называют способность неко¬
торых веществ вращать плоскость поляризации проходя¬
щего через них света. Это означает, что линейно поля-
рн и*вттый свет, распространяясь в таких средах, изме¬
няет ориентацию плоскости поляризации. Причем угол
поворота плоскости поляризации прямо пропорциона¬
лен пути L, пройденному светом, т. е. выражается фор¬
мулой <|> = ф&L, где величина фа определяет угол поворо¬
та на единичном пути и называется удельной вращатель¬
ной способностью.
Было удивительным ме только то, что величина вра¬
щательной способности фа для жидких кристаллов могла
я сотни и тысячи раз превосходить эту величину для наи¬
более оптически активных кристаллов, таких, как, напри¬
мер, кварц, но и то, что зависимость вращения плоскости
п

поляризации от длины волны света в жидких кристаллах
была совершенно необычной.
Так, в твердых телах, как, впрочем, и в обычных жид¬
костях, удельная вращательная способность фа имеет
вполне определенный, независящий от длины волны све¬
та знак. Это означает, что вращение плоскости поляри¬
зации света в них происходит в определенном направле¬
нии. Против часовой стрелки при положительном фа и по
часовой стрелке при отрицательном-фа. При этом подра¬
зумевается, что наблюдение за вращением плоскости по¬
ляризации осуществляется вдоль направления распрост¬
ранения света. Поэтому все оптически активные веще¬
ства подразделяются на правовращающие, если враще¬
ние происходит по часовой стрелке, и левовращающие —
против часовой стрелки.
В случае оптически активных жидких кристаллов та¬
кая классификация сталкивалась с трудностями. Дело в
том, что направление (знак) вращения в жидких кристал¬
лах зависело от длины волн света (рис. 2). Для коротких
длин волн величина фа, например, могла быть положи¬
тельной, а для более длинноволнового света — отрица¬
тельной. А могло быть и наоборот. Однако характерным
для всех случаев было изменение знака вращения плос¬
кости поляризации в зависимости от длины волны света,
или, как говорят, инверсия знака оптической активности.
Такое поведение вращения плоскости поляризации со¬
вершенно не укладывалось в рамки существовавших
представлений об оптической активности.
Удивительными были также и другие свойства, такие,
как сильная температурная зависимость названных ха¬
рактеристик, их очень высокая чувствительность к внеш¬
ним магнитным и электрическим полям и т д. Но прежде
чем пытаться объяснить перечисленные свойства, необ¬
ходимо понять, как устроены жидкие кристаллы, и, в
частности, ознакомиться с их структурными свойствами,
ибо в конечном итоге для объяснения описанных свойств
наиболее существенными оказываются именно структур¬
ные характеристики жидких кристаллов.
Здесь следует сказать, что в конце девятнадцатого —
начале двадцатого века многие очень авторитетные уче¬
ные весьма скептически относились к открытию Рейнит-
цера и Лемана. (Имя Лемана также можно по праву свя¬
зывать с открытием жидких кристаллов, поскольку он
очень активно участвовал в первых исследованиях жид-
12

о
fa#. 2, Зависимость вращения
нтнннми поляризации от длины
вмлны света Л в холестеричес¬
ким ж ид и ом кристалле
НИИ кристаллов, и даже самим термином «жидкие кри-
Нвллы» мы обязаны именно ему.) Дело в том, что не
только описанные противоречивые свойства жидких кри-
(Твллов представлялись многим авторитетам весьма со*
Мнительными, но и в том, что свойства различных жидко¬
кристаллических веществ (соединений, обладавших жид¬
кокристаллической фазой) оказывались существенно раз¬
личными. Так, одни жидкие кристаллы обладали очень
большой вязкостью, у других вязкость была невелика.
Одни жидкие кристаллы проявляли с изменением тем-
Перетуры резкое изменение окраски, так что их цвет
пробегал все тона радуги, другие жидкие кристаллы та¬
кою резкого изменения окраски не проявляли. Наконец,
внешний вид образцов, или, как принято говорить, тек¬
стура, различных жидких кристаллов при рассматрива¬
нии их под микроскопом оказывался совсем различным,
й одном случае в поле поляризационного микроскопа
Могли быть видны образования, похожие на нити, в дру-
I мм тт наблюдались изображения, похожие на горный
нельлф, а в третьем — картина напоминала отпечатки
дельцов (см. рисунки на обложке). Стоял также вопрос,
почему жидкокристаллическая фаза наблюдается при
плавлении только некоторых веществ?
Вот в таких условиях скептицизма со стороны многих
авторитетов и изобилия противоречивых фактов вели
t вой работы первые, тогда немногочисленные, исследо¬
ватели жидких кристаллов, настоящие энтузиасты своего
дела. К их числу следует отнести немецкого химика Д.
Форлоидора, который в начале двадцатого века в уни-
13

Рис. 3. Модель молекулы МББА и ее химическая
формула
верситетском городе Галле совместно со своими учени¬
ками изучал химию жидких кристаллов. Он пытался отве¬
тить на вопрос, какими свойствами должны обладать мо¬
лекулы вещества, чтобы оно имело жидкокристалличе¬
скую фазу. Форлендер нашел большое количество
новых соединений, обладающих жидкокристаллической
фазой, и внимательно исследовал свойства молекул со¬
ответствующих соединений, в частности структурные. В
результате его работ стало ясно, что жидкие кристаллы
образуют вещества, молекулы которых имеют удлинен¬
ную форму (рис. 3).
Время шло, факты о жидких кристаллах постепенно
накапливались, но не было общего принципа, который
позволил бы установить какую-то систему в представле¬
ниях о жидких кристаллах. Как говорят, настало время
для классификации предмета исследований. Заслуга ■
создании основ современной классификации жидких кри¬
сталлов принадлежит французскому ученому Ж. Фри-
делю.
В двадцатые годы Фридель предложил разделить все
жидкие кристаллы на две большие группы. Одну группу
жидких кристаллов Фридель назвал нематическими, дру¬
гую смектическими. (Почему такие на первый взгляд не¬
понятные названия дал Фридель разновидностям жидких
кристаллов, будет понятно несколько ниже.) Он же пред¬
ложил общий термин для жидких кристаллов — «мезо-
14

• '|ч|н1ли фаза». Этот термин происходит от греческого
ШН «мо.юс» (промежуточный), в вводя его, Фридеяь
tHien подчеркнуть, что жидкие кристаллы занимают про¬
межуточно* положение между истинными кристаллами
н 'нидиш I ими как по температуре, гак и по своим физи¬
ческим свойствам. Нематические жидкие кристаллы в
ниш сификлции Фриделя включали уже упоминавшиеся
•ышя холестерические жидкие кристаллы как подкласс.
Кшда классификация жидких кристаллов была созда-
ия, более остро встал вопрос; почему в природе реализу¬
ет! я жидкокристаллическое состояние? Полным ответом
ив подобный вопрос принято считать создание микроско¬
пической теории. Но в то время на такую теорию не при¬
водилось и надеяться (кстати, последовательной микро¬
скопической теории ЖК не существует и по сей день),
Мягому большим шагом вперед было создание чешским
ученым X, Цохером и голландцем С. Озееном феноме-
HMIUM мчоской теории жидких кристаллов, или, как ее при¬
нято называть, теории упругости ЖК. В 30-х годах в СССР
| К, Фредерикс и В. Н. Цветков первыми изучили не¬
обычные электрические свойства жидких кристаллов.
Можно условно считать, что рассказанное выше отно¬
силось к предыстории жидких кристаллов, ко времени,
■модл исследования ЖК велись малочисленными коллек¬
тивами. Современный этап изучения жидких кристаллов,
ноюрый начался в 60-е годы и придал науке о ЖК сегод¬
няшние формы, методы исследований, широкий размах
работ сформировался под непосредственным влиянием
МПЯХОВ в технических приложениях жидких кристаллов,
фсобенно в системах отображения информации. В это
Ярем я было понято и практически доказано, что в наш
|«и микроэлектроники, характеризующийся внедрением
микроминиатюрных электронных устройств, потребляю¬
щих ничтожные мощности энергии для устройств инди¬
кации информации, т. е. связи прибора с человеком, наи¬
более подходящими оказываются индикаторы на ЖК.
Дело в том, что такие устройства отображения инфор¬
мации на ЖК естественным образом вписываются в энер-
тетику и габариты микроэлектронных схем. Они потреб¬
ляют ничтожные мощности и могут быть выполнены в
вмдп миниатюрных индикаторов или плоских экранов. Все
|ТО предопределяет массовое внедрение жидкокристал¬
лических индикаторов в системы отображения информа¬
ции, свидетелями которого мы являемся в настоящее
15

время. Чтобы осознать этот процесс, достаточно вспом¬
нить о часах или микрокалькуляторах с жидкокристалли¬
ческими индикаторами. Но это только начало. На смену
традиционным и привычным устройствам идут жидко¬
кристаллические системы отображения информации.
Как часто бывает, технические потребности не только
стимулируют разработку проблем, связанных с практи¬
ческими приложениями, но и часто заставляют переос¬
мыслить общее отношение к соответствующему разделу
науки. Так произошло и с жидкими кристаллами. Сейчас
понятно, что это важнейший раздел физики конденсиро¬
ванного состояния.
ГЛАВА II
ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ —
НОВОЕ СОСТОЯНИЕ
ВЕЩЕСТВА
Многообразие жидких кристаллов. Теперь обратим
внимание читателя на то, что сказать о каком-то вещест¬
ве: просто жидкий кристалл, это еще слишком мало. И
если неспециалистов вполне удовлетворяет общий тер¬
мин жидкий кристалл, то специалисту требуется дать бо¬
лее детальную информацию. Здесь ситуация похожа на
ту, которая возникла бы с вами в столовой или рестора¬
не, если бы вам в качестве третьего блюда предложили
бы просто жидкость, не конкретизируя, что это такое. Не¬
сомненно, большинство из вас такое общее определение
третьего блюда не удовлетворило бы, и каждый в зави¬
симости от своего вкуса потребовал бы что-либо более
определенное — чай, кофе, молоко и т. д. Так же дело
обстоит для специалистов и с жидкими кристаллами, по¬
скольку под этим термином, как уже бегло говорилось
выше, скрывается большое количество весьма отличаю¬
щихся друг от друга жидкокристаллических фаз. Однако
все характерные особенности этого фазового состояния
вещества удобно рассмотреть сначала на примере одной
разновидности жидких кристаллов стронция.
Нематики. Начнем описание устройства жидких кри¬
сталлов на примере наиболее простой и хорошо изучен¬
ной их разновидности, нематических жидких кристаллов,
или, как еще принято говорить, нематиков,
Итак, кристаллы некоторых органических веществ при
16

<•4! |,fii.шни, прежде чем расплавиться и перейти в обыч-
И)М9 ЖИДКОСТЬ) проходят при повышении температуры че¬
рт 11 пдни) жидкокристаллической фазы. Как мы увидим
ниже, жидкокристаллических фаз может быть у одного и
ft.' же соединения несколько. Но сначала для того, что-
Яы НС осложнять знакомство с жидкокристаллической
фявми несущественными здесь подробностями, рассмот¬
рим наиболее простую ситуацию, когда соединение обла-
Дв*| ОДНОЙ жидкокристаллической фазой. В этом случае
Нряцегс плавления кристалла идет в две стадии. Сначала
при повышении температуры кристалл испытывает «пер-
§00 плавление», переходя в мутный расплав. Затем при
ДОЯЬНСЙшем нагреве до вполне определенной темпе-
рв1уры происходит «просветление» расплава. «Просвет-
НСНмыи расплав» обладает всеми свойствами жидкостей.
Мутный расплав, который и представляет собой жидко-
йрж шмли'шскую фазу, по своим свойствам существенно
§1йинве1си от жидкостей, хотя обладает наиболее харак-
НЙНЫМ свойством жидкости — текучестью. Наиболее рез-
»мр (мличие жидкокристаллической фазы от жидкости
Нрмявлвтся в оптических свойствах. Жидкий кристалл,
нйлйдли ижучестью жидкости, проявляет оптические
ЦФЙСТВЯ всем нам знакомых обычных кристаллов! Как
INttpu будет ясно, наблюдаемая на опыте мутность рас¬
плава как раз и является результатом такого удивитель-
пт., сочетания свойств жидкости и кристалла.
При понижении температуры все превращения про¬
си «ндш в обратном порядке и точно при тех же темпе-
pftypax, т. е. последовательность фаз такова: прозрач¬
ным расплав-^мутный расплав—^кристалл или в принятых
*нмпащениях ИЖ-*НЖК->ТК.
г< ли асе описанные превращения наблюдаются, на¬
пример, для соединения п—метоксибензилиден—п'— бу-
итппилим или, как принято сокращенно называть это
•педииамио, МББА, то наблюдаемая жидкокристалличе-
...... tjmin называется нематической или просто немати-
ипм Смена же фазовых состояний характеризуется сле¬
дующими температурами. Температура первого плавле-
нмв ГИ""2ГС. Ниже Г^МББА находится в обычном кри-
Щлличвском состоянии. От Тт до температуры просвет¬
лении 7’rv‘“ 41°C МББА обладает нематической жидко-
ирш тллической фазой, и выше Гдг — обычная (изотроп¬
ная) жидкость. Интервал температур от Тт до Tn для
равличных веществ может бьш>^от единиц до сотни гра-
‘ . I ' ' '
У И. Л, HwiiiKoq ■ '■ Арского |	I7

I
Рис. 4 Схематическое изображе¬
ние характера упорядочения мо¬
лекул в нематике
дусов. Типичное же значение этого интервала — порядка
нескольких десятков градусов.
Для того чтобы разобраться, как устроена жидкокри¬
сталлическая фаза и чем она отличается от обычной жид¬
кости или, как мы иногда будем дальше говорить, от
изотропной жидкости *, нужно обратить внимание на фор¬
му молекул соединения, образующего жидкокристалли¬
ческую фазу.
Чтобы схематично представить себе устройство не¬
матика, удобно образующие его молекулы'Представить
в виде палочек. Для такой идеализации есть физические
основания. Молекулы, образующие жидкие кристаллы,
как уже говорилось, представляют собой типичные для
многих органических веществ образования со сравни¬
тельно большим молекулярным весом, протяженности
которых в одном направлении в 2—3 раза больше, чем
в поперечном. Структура молекулы типичного нематика
приведена на рис. 3. Можно считать, что направление
введенных нами палочек совпадает с длинными осями мо¬
лекул. При введенной нами идеализации структуру нема¬
тика следует представлять как «жидкость одинаково ори¬
ентированных палочек». Это означает, что центры тяже¬
сти палочек расположены и движутся хаотически, как в
жидкости, а ориентация при этом остается у всех пало¬
чек 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
1 Заметим, что обычную жидкость при противопоставлении ее
жидким кристаллам ^ во избежание путаницы принято называть
изотропной жидкостью, поскольку иногда жидкие кристаллы на¬
зывают анизотропными жидкостями.
i"i Я
18

и не I коррелированны между собой. А в качестве выде¬
ленных направлений в молекуле могут выступать различ¬
ные величины, например, электрический дипольный мо¬
мент, магнитный момент или, как в рассматриваемом на¬
ми I лучае, анизотропия формы, характеризуемая выде-
ленными направлениями или, как говорят, осями. В свя-
•и с описанным полным хаосом в жидкости жидкость
(даже состоящая из анизотропных молекул) изотропна,
Т. е ее свойства не зависят от направления.
На гамом деле, конечно, молекулы нематика подвер¬
жены не только случайному поступательному движению,
мм и ориентация их осей испытывает отклонения от на-
мряпленич, определяющего ориентацию палочек в рас¬
сматриваемой нами жидкости. Поэтому направления па¬
лочек задают преимущественную, усредненную ориента¬
цию, и реально молекулы совершают хаотические ориен-
Твционные колебания вокруг этого направления усред¬
ненной ориентации. Амплитуда соответствующих ориен¬
тационных колебаний молекул зависит от близости жид¬
кого кристалла к точке фазового перехода в обычную
жидкость ГN( возрастая по мере приближения темпера¬
туры нематика к температуре фазового перехода. В точ¬
ив фазового перехода ориентационное упорядочение мо¬
лекул полностью исчезает и ориентационные движения
молекул так же, как и трансляционные, оказываются пол-
hoi iuio хаотическими.
II спязи с описанной картиной поведения нематика его
принято описывать следующим образом. Для характери¬
стики ориентационного порядка вводится вектор единич-
ной длины п, называемый директором, направление ко¬
торою совпадает с направлением введенных выше пало¬
чек !лким образом, директор задает выделенное, пре¬
имущественное, направление ориентации молекул в хо¬
лестерике. Кроме того, вводится еще одна величина, па¬
раметр порядка, который характеризует, насколько вели¬
ка степень ориентационного упорядочения молекул или,
что го же самое, насколько мала разупорядоченность
ориентаций молекул. Параметр порядка определяется
I ледующим образом:
S = 3/2(<C0S2e>_1/3)i	Щ
где И — угол между направлениями директора и мгно¬
венным направлением длинной оси молекул, a <coss0>
обозначает среднее по времени значении cos2©. Из фор¬
19

Рис. 5. Схема поляризационных наблюдений
мулы (1) ясно, что параметр S может принимать значения
от 0 до 1. Значение S = 1 соответствует полному ориента¬
ционному порядку. Причем 5=1 достигается, как не¬
трудно понять, если значение © не изменяется во време¬
ни и равно 0, т. е. если направление длинных осей моле¬
кул строго совпадает с направлением директора. S=0
означает полный ориентационный беспорядок. В этом
случае угол 0 с равной вероятностью принимает значе¬
ния от 0 до я, a <Ccos20> = */з- Значение S — 0, таким
образом, соответствует уже нематику, перешедшему в
изотропную жидкость.
В нематической же фазе значение параметра порядка
S>0, минимально непосредственно при температуре пе¬
рехода Тм из изотропной жидкости в нематическую фазу
и возрастает по мере понижения температуры ниже 7V
В целом же при изменении температуры происходит сме¬
на следующих фазовых состояний. При температуре ни¬
же точки перехода нематика в обыкновенный кристалл
или, как ее называют, температуре плавления Тт — кри¬
сталлическое состояние. В интервале температур от
Тт до 7"jv—нематический жидкий кристалл. Выше
T,n—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 кри¬
сталлов, в частности, двупреломление света. Последнее
означает, что показатели преломления для света, плос¬
кость поляризации которого перпендикулярна директору
и плоскость поляризации которого содержит директор,
оказываются различными. Однако для того чтобы полу¬
чить однодоменный образец нематика, как, впрочем, и
яюбмх других разновидностей жидких кристаллов, необ-

«идммо принятие специальных мер, о которых будет рас¬
хищено ниже.
fcnn жо не приняты специальные предосторожности,
»м жидкокристаллический образец представляет собой
• нипкунмосгь хаотическим образом ориентированных ма¬
лых ндмодоменных областей. Именно с такими образца¬
ми, или правило, имели дело первые исследователи жид¬
ки» кристаллов, и мутный расплав, возникавший после
иерынп плавления МББА, о котором говорилось выше, и
Лык образцом такого вида. На границах раздела различ¬
ным образом ориентированных однодоменных областей
I faMHX образцах происходит, как говорят, нарушение оп-
oi'mi кои однородности или, что то же самое, скачок
•нйчамия показателя преломления. Это непосредственно
•педует из сказанного выше о двупреломлении однодо-
менипго нематического образца и просто соответствует
|рму, чго для света, пересекающего границу раздела
Л1уя областей с различной ориентацией директора, no-
на *атми преломления этих областей различны, т. е. по-
АААятепь преломления испытывает скачок. А как хо-
Р$ШО известно, на границе раздела двух областей
$ безличными показателями преломления свет испы-
(Ыввйт отражение. С таким отражением каждый знаком
Ий примере оконных стекол. Так же, как и в случае с
иимнным стеклом, на одной границе раздела (одном
СИАИКе оптической однородности) отражение света в не¬
матике может быть невелико, но если таких границ много
(в образце много неупорядоченных однодоменных об-
Лестеи), такие нерегулярные нарушения оптической од¬
ни) Н1ДНОСТИ приводят к сильному рассеянию света. Вот
почему нематики, если не принять специальных мер,
•мяьно рассеивают свет. После первого плавления при
температуре Тт возникает мутный расплав.
Пока что речь шла о том, как выглядит нематик в не-
поляриэованном свете. Очень интересную и своеобраз¬
ную картину представляет нематик, если его рассматри-
1АТЬ в поляризованном свете и анализировать поляриза¬
ции! прошедшего через него света (см. рис. 5). На рис. 5
Представлена схема такого опыта. Поляризатор Р\ ли-
 	  поляризует	свет от источника света, а поляриза-
fep /'» пропускает только определенным образом линей-
ин поляризованный свет, прошедший через нематический
рАраэец А. Картина, которую увидит наблюдатель в сее-
ie, прошедшем через поляризатор, представляет собой

причудливую совокупность пересекающихся линий. Эти
линии или, как их называют, нити и представляют собой
изображение границ раздела между однодоменными об¬
ластями. 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 (утща) — это
по гречески нить. Отсюда и название —нематический
жидкий кристалл или нематик. Здесь же надо сказать,
что реально наблюдения описанной картины нематика ■
связи с малостью размеров областей с одинаковой ори¬
ентацией директора осуществляются с помощью поляри¬
зационного микроскопа.
Упругость жидкого кристалла. Выше в основном го*
ворилось о наблюдениях, связанных с проявлением не*
обычных оптических свойств жидких кристаллов. Первым
исследователям бросались в глаза, естественно, свойства,
наиболее доступные наблюдению. А такими свойствами
как раз и были оптические свойства. Техника оптическо*
го эксперимента уже в девятнадцатом веке достигла вы¬
сокого уровня, а, например, микроскоп, даже поляриза¬
ционный, т. е. позволявший освещать объект исследова¬
ния поляризованным светом и анализировать поляриза¬
цию прошедшего света, был вполне доступным прибо¬
ром для многих лабораторий.
Оптические наблюдения дали значительное количест¬
во фактов о свойствах жидкокристаллической фазы, ко¬
торые необходимо было понять и описать. Одним из
первых достижений в описании свойств жидких кристал¬
лов, как уже упоминалось во введении, было создание
теории упругости жидких кристаллов. В современной
форме она была в основном сформулирована английским
ученым Ф. Франком в пятидесятые годы.
Постараемся проследить за ходом мысли и аргумен¬
тами создателей теории упругости ЖК. Рассуждения бы¬
ли (или могли быть) приблизительно такими. Установле¬
но, что в жидком кристалле, конкретно нематике, сущест¬
вует корреляция (выстраивание) направлений ориента¬
ции длинных осей молекул. Это должно означать, что ес¬
ли по какой-то причине произошло небольшое наруше¬
ние в согласованной ориентации молекул в соседних точ¬
ках нематика, то возникнут силы, которые будут старать¬
ся восстановить порядок, т. е. согласованную ориента-
22

цмю молекул. Конечно, исходной, микроскопической,
причиной таких возвращающих сил является взаимодей-
ивии между собой отдельных молекул. Однако надеять-
»я мп быстрый успех, стартуя от взаимодействия между
тнбои отдельных молекул, да еще таких сложных, как в
жидких кристаллах, было трудно. Поэтому создание тео¬
рии пошло по феноменологическому пути, в рамках ко¬
торого вводятся некоторые параметры (феноменологи-
мет нив), значение которых соответствующая теория не
PepeicB определить, а оставляет их неизвестными или из-
BHtthAut их значения из сравнения с экспериментом. При
|ТОМ теория не рассматривает молекулярные аспекты
мрмпмии жидких кристаллов, а описывает их как сплош¬
ную среду, обладающую упругими свойствами.
Для кристаллов существует хорошо развитая теория
упругости. Еще в школе учат тому, что деформациятвер-
МГО тела прямо пропорциональна приложенной силе и
еАрятно пропорциональна модулю упругости К. Возника¬
ет мы< пн, если оптические свойства жидких кристаллов
подобны свойствам обычных кристаллов, то, может быть,
ММДкий кристалл, подобно обычному кристаллу, облада¬
ет и упругими свойствами. Может показаться на первый
Мгпяд, что эта мысль совсем уж тривиальна. Однако не
тнрннитесь с суждениями. Вспомните, что жидкий кри¬
сталл течет, как обычная жидкость. А жидкость не прояв¬
ит*! свойств упругости, за исключением упругости по от¬
ношению к всестороннему сжатию, и поэтому для нее
модуль упругости по отношению к обычным деформаци¬
ям I 11 ><>i о равен нулю. Казалось бы, налицо парадокс. Но
at о разрешение в том, что жидкий кристалл—это не
обычная, а анизотропная жидкость, т. е. жидкость, свой¬
ства которой различны в различных направлениях.
Таким образом, построение теории упругости для
Мидких кристаллов было не таким уж простым делом и
НСЛЫЯ было теорию, развитую для кристаллов, непо¬
средственно применить к жидким кристаллам. Во-первых,
Существенно, что, когда говорят о деформации в жидких
иристлллах, то имеют в виду отклонения направления ди¬
ректора от равновесного направления. Для нематика, на-
МИМер, это означает, что речь идет об изменении от
Сечки к точке в образце под влиянием внешнего воздей¬
ствия ориентации директора, который в равновесной си-
Ууации, т. е. в отсутствии воздействия, во всем образце
еривнтирован одинаково. В обычной же теории упруго-
23

Рис. 6. Схематическое изобра¬
жение деформации жидкого
кристалла:
а) поперечный изгиб, б) кру¬
чение, в) продольный изгиб
сти деформации описывают смещение отдельных точек
твердого тела относительно друг друга под влиянием
приложенного воздействия. Таким образом, деформа*
ции в жидком кристалле •— это совсем не те привычные
всем деформации, о которых говорят в случае твердого
тела. Кроме того, упругие свойства жидкого кристалла •
общем случае следует рассматривать, учитывая его тече¬
ние, что также вносит новый элемент и тем самым услож¬
няет рассмотрение по сравнению с обычной теорией уп¬
ругости. Поэтому здесь ограничимся рассказом об упру¬
гости жидких кристаллов в отсутствие течений.
Оказывается, любую деформацию в жидком кристал¬
ле можно представить как одну из трех допустимых а
ЖК видов изгибных деформаций либо как комбинацию
этих трех видов деформации. Такими главными деформа¬
циями являются поперечный изгиб, кручение и продоль¬
ный изгиб. Рис. 6, иллюстрирующий названные виды де¬
формаций, делает понятным происхождение их названий.
24

И поперечном изгибе меняется от точки к точке вдоль оси
(Йряэца ил рис. 6, а направление, перпендикулярное (по-
паричмое) директору, в продольном изгибе—ориента¬
ции директора, а в кручении происходит поворот дирек-
|нрл вокруг оси изображенного на рис. 6, б образца.
Кмзффициенты пропорциональности между упругой
■маржей жидкого кристалла и деформациями изгибов
иавыяают упругими модулями. Таких упругих модулей в
Жидких кристаллах по числу деформаций три — Ki, Кг и
И, Численные значения этих модулей несколько отлича-
М1*см друг от друга. Так, модуль продольного изгиба
И* обычно оказывается больше двух других модулей.
Ивмменьшую упругость жидкий кристалл проявляет по
•тошвнию к кручению, т. е. модуль Кг# как правило,
Меньше остальных.
!якои результат качественно можно понять, вспоми¬
нав обсуждавшуюся выше модель нематика как жидко-
ми ориентированных палочек. Действительно, чтобы
ВДуъцествить продольный изгиб, надо прикладывать уси-
мнн, коюрые стремятся изогнуть эти палочки (а они жест¬
кие!) В деформации же кручения, например, происходит
fipecto поворот палочек-молекул относительно друг дру¬
га, при этом не возникает усилий, связанных с деформа¬
цией отдельной палочки-молекулы.
Полому и оказывается, что упругость по отношению
И продольному изгибу (модуль Кз), больше упругости по
нмшшпнию к кручению (модуль Кг). Модуль же Ki име-
tf промежуточную между Кг и Кз величину.
Чтобы сравнить упругость жидкого кристалла с упру-
ищип обычного кристалла, надо сравнить их упругие
§Й6р.гии, приходящиеся на единицу объема. При этом
ЦММИНО для качественной оценки пренебречь различием
Медулей поперечного, продольного изгиба и кручения и,
вычисляя упругую энергию жидкого кристалла, исполь-
вввсн». их среднее значение. Сравнение показывает, что
Упругая энергия твердого тела в типичной ситуации ока-
•ыйлпкя по меньшей мере на десять порядков больше
упругой энергии жидкого кристалла!!!
!аким образом, теория упругости жидких кристаллов,
книгывлющая их как сплошную среду, т. е. претендую¬
щая in т. ко на описание свойств ЖК, усредненных по
■асгюяниям больше межмолекулярных, приводит к вы¬
воду, что минимальная энергия жидкого кристалла соот¬
ветствует отсутствию деформаций в нем. Для нематика
25

таким состоянием с минимальной энергией или, как гово¬
рят, основным состоянием является конфигурация с
одинаковой ориентацией директора во всем объеме об
разца. Любое отклонение распределения направлении
директора от однородного (т. е. постоянного во всем
объеме) связано с наличием в нематике дополнительной
упругой энергии, т. е. может быть реализовано только ih
счет приложения внешних воздействий, например, соя
занных с поверхностями образца, внешними электриче¬
скими и магнитными полями и т.^д. В отсутствие этих воз¬
действий или при снятии их нематик стремится возвра¬
титься в состояние с однородной ориентацией дирек¬
тора.	Л
Континуальная теория применима для описания и
других типов жидких кристаллов. Для них, однако, тре¬
буются 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 сущест¬
венные отличия его упругих свойств от свойств кристал¬
ла как в качественном, так и количественном отношении.
Теперь познакомимся детально со свойством жидкого
кристалла, типичным для жидкости, — текучестью, изуче¬
нием которой занимается наука гидродинамика.
Сразу следует сказать, что несмотря на солидный воз¬
раст гидродинамики, одной из древнейших научных ди¬
сциплин, и большие достижения, в этой науке сущест¬
вуют проблемы, не решенные до сих пор. К их числу
относится проблема турбулентного, т. е. сопровождаю¬
щегося нерегулярными вихрями, как в бурном потоке,
течения жидкости. Эта проблема, находящаяся, кстати
сказать, сейчас в центре внимания специалистов, не ре¬
шена еще для самых обычных жидкостей, таких, как во¬
да. А о полном описании турбулентного течения таких
сложных сред, как жидкие кристаллы, пока что не идет и
речи. Поэтому, говоря здесь о текучести жидких кристал¬
лов, мы будем иметь в виду их спокойное течение, в ко¬
тором нет нерегулярных вихрей, или, как принято назы¬
вать его, «ламинарное течение».
Ламинарное течение обычных жидкостей хорошо изу¬
чено. Основной характеристикой, определяющей тече¬
ние в этих условиях, является вязкость, свойство жидко-
2.6

► ten, всем хорошо известное на практике. Так, каждый,
Мв вадумываясь, скажет, что у воды вязкость небольшая,
у смазочных масел гораздо больше, а у смолы — очень
пильшая.
Вязкость характеризуется количественно коэффици-
iHtuM вязкости т), который показывает, как сильно тре¬
ние мпжду соседними слоями текущей жидкости и на-
|И*лько интенсивно передается движение жидкости от
•Дной ее точки к другой (см. рис. 7). Именно из-за вяз-
им. к. при течении жидкости по трубе ее скорость непо-
•рвдстввнно на стенках трубы равна нулю, а в сечении
трубы не постоянна, а возрастает по мере удаления от
CftHOK, достигая максимума в центре.
1ипичными задачами в течении жидкостей являются
Увчеиие жидкости по трубе (например, нефтепродуктов
I трубопроводе) и движение тела (например, шарика под
действием силы тяжести) в жидкости. Понятно, что оба
ВТК примера имеют непосредственное отношение к прак¬
тическим задачам. Гидродинамика давно уже дала точ¬
нее описание таких течений и, зная вязкость жидкости и
давление, создаваемое насосными станциями, можно аб¬
солютно точно рассчитать поток нефти в трубопроводе
или скорость движения тела в жидкости. Для нас здесь
важно то, что именно в таких условиях выполняют изме¬
рение вязкости жидкостей. В соответствующих экспери¬
ментах трубу заменяют капилляром, а движущееся тело
Шариком, падающим под действием силы тяжести в
жидкости,
Точение жидкости в капилляре описывается законом
Иуязейля, названным так в честь французского ученого,
открывшего эту закономерность. В соответствии с этим
ваноном количество жидкости, протекающей через трубу
(капилляр), прямо пропорционально разности давлений
Мй концах трубы, второй степени площади сечения трубы
и обратно пропорционально коэффициенту вязкости.
Скорость движения шарика в жидкости описывается за¬
27

коном Стокса, названного так по имени английского фи¬
зика девятнадцатого века, современника Пуазейля. Эта
закономерность гласит, что скорость движения шарика я
жидкости прямо пропорциональна приложенной к нему
силе и обратно пропорциональна радиусу шарика и вяз¬
кости жидкости.
Обратим здесь внимание читателя на то, что в де¬
вятнадцатом веке и ранее было часто принято многим
установленным учеными соотношениям, даже не очень
важным, давать громкое имя «закон». В результате этой
традиции появились приведенные выше термины — за¬
кон Пуазейля, закон Стокса и многие другие законы. Это
не должно смущать читателя и вводить его в заблужде¬
ние при оценке значимости названных соотношений по
сравнению со знакомыми ему со школьной скамьи фун¬
даментальными законами, например, законами механи¬
ки Ньютона или законами электромагнетизма Фарадея.
Конечно, значимость соотношений, найденных Пуазей-
лем и Стоксом, несравнима со значимостью фундамен¬
тальных законов Природы, а установившаяся здесь тер¬
минология— это просто дань времени. По современной
практике вместо слова «закон» следовало бы употребить
термин «формула», т. е. формула Пуазейля, формула
Стокса,
Названные закономерности, как будем их называть,
после сделанного отступления прекрасно зарекомендо¬
вали себя при определении вязкости жидкостей. В част¬
ности, экспериментально была подтверждена их справед¬
ливость и показано, что значение коэффициента вязко¬
сти т] не зависит от скорости течения жидкости (скорости
шарика), пока выполняются условия ламинарного тече¬
ния.
Приступая к изучению гидродинамики жидких кри¬
сталлов, исследователи начали с того, что просто приме¬
нили Описанные методы измерения вязкости к жидким
кристаллам. Такой подход ничего хорошего не дал. Ре¬
зультаты измерений вязкости не воспроизводились и за¬
висели, казалось бы, от случайных причин, таких, как
предыстория образца, способа изготовления капилляров,
применяемых в измерениях. Более того, некоторые из¬
мерения показывали зависимость коэффициента вязко¬
сти от скорости течения жидкого кристалла. Эти первые
результаты показали, что гидродинамика жидких кристал¬
лов гораздо сложней и интересней, чем гидродинамика
28

нЛычмых жидкостей. И конечно, надо сказать, что иссле>
дпйакзли, начиная изучать гидродинамику жидких кри-
СУрллоа, надеялись обнаружить новые, не известные для
явычиых жидкостей свойства и были бы разочарованы,
§|Аи бы течение жидких кристаллов описывалось просты¬
ми формулами Пуазейля и Стокса.
И чем же дело? Почему течение нематика оказыва¬
ем и более сложным, чем течение обычной жидкости?
Дело в том, что течение жидкости вызывает
переориентацию длинных осей молекул. А на введенном
выше ншке описания жидкого кристалла как сплошной
■ВвДЫ с помощью задания в каждой его точке направле¬
нии директора означает, что течение нематика, с одной
МФроны, может приводить к переориентации директора,
i С другой, к тому, что характеристики течения оказыва¬
ем и различными при различной ориентации директора
рв отношению к направлению скорости течения жидко-
мм Jim результаты легко понять и на молекулярном
ШМ|не. При течении жидкости молекул-палочек по ка-
Нммлирлм, особенно узким, течение будет выстраивать
ироики-молекулы вдоль оси капилляра. Если каким-ли-
§н образом заставлять оставаться ориентацию палочек
РОИвменной, то легко сообразить, что течение жидкости
Щ |Лучво ориентации палочек поперек капилляра будет
(ДОруднено по сравнению с течением при их ориентации
§диль капилляра.
Эти интуитивные представления, которые мы черпаем
повседневного опыта, полностью подтверждаются на
Е||борименте. Еще в начале 40-х годов В. Н. Цветков
■МДОДОвал зависимость скорости протекания нематика
Ptpoa капилляры от ориентации директора. При ориента¬
ции директора поперек капилляра скорость протекания
Оидиого кристалла через капилляр оказалась существен-
нм меньше, чем при ориентации директора вдоль оси ка-
Ниппирл. Ориентация директора поперек оси капилляра
§|уществлялась с помощью прикладываемого перпенди-
Цупирно капилляру магнитного поля (о том, почему поле
§М«нтирует нематик, речь еще впереди). Результат опы-
I я, интерпретация которого проводилась с помощью фор¬
туны Пуазейля, показал, что при включенном магнитном
Дине наблюдаемая вязкость почти в 2 раза больше, чем
§ итсущ нии магнитного поля.
I пн им образом, опыт показал, что для жидких кри-
§ШНН)Р надо разрабатывать свою, более сложную и

общую, чем для обычных жидкостей, теорию текучести.
Такая теория разрабатывается усилиями многих исследо¬
вателей. И оказалась она гораздо более сложной, чем
обычная гидродинамика. Достаточно сказать, что в об¬
щем случае жидкий кристалл описывается восьмью коэф¬
фициентами вязкости. И даже упрощенный вариант этой
теории, пренебрегающий сжимаемостью жидких кри¬
сталлов, содержит пять коэффициентов вязкости. Это оп¬
ределяет как трудности теоретического описания тече¬
ния жидких кристаллов, так и постановку экспериментов,
допускающих однозначную интерпретацию результатов.
Здесь надо добавить, что в экспериментальном отноше¬
нии дополнительные трудности связаны с тем, что •
процессе течений в жидком кристалле могут возникать
дефекты в ориентации директора. Дефектами называют
точки или линии в нематике, на которых ориентация ди¬
ректора не определена. Поведение течений при наличии
таких дефектов особенно сложно, и, в частности, упоми¬
навшуюся выше зависимость вязкости нематика от скоро¬
сти течения связывают с возникновением при возрастании
скорости именно таких дефектов.
Таким образом, можно констатировать, что течение
жидких кристаллов — это весьма сложный процесс, а ис¬
следования гидродинамики ЖК находятся в начале свор
го пути. Облегчает исследование гидродинамики жидки*
кристаллов их двулучепреломление, оно позволяет визу¬
ализировать наведенные течением жидкого кристалла, из¬
менения ориентации директора и, наоборот, по измене¬
нию 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 а
управлением их свойствами путем приложения к ним
электрических воздействий. Податливость и «мягкость»
жидких кристаллов по отношению к внешним воздейст¬
виям делают их исключительно перспективными матери¬
алами для применения в устройствах микроэлектроники,
для которых характерны небольшие электрические на¬
пряжения, малые потребляемые мощности и малые га¬
бариты. Поэтому для обеспечения оптимального режима
функционирования ЖК элемента в каком-либо устройст¬
ве важно хорошо изучить электрические характеристики
жидких кристаллов.
Начнем описание электрических свойств с электро¬
30

пригодности жидких кристаллов. Электропроводность —
•to величина, характеризующая количественно способ¬
на! ть вещества проводить ток. Она является коэффици¬
ентом пропорциональности в формуле l=oU, устанав¬
ливающей связь между током 1 и приложенным напря¬
жением U. Поскольку проводимость о — характеристика
|9Щесгва, то ее значение всегда приводится для единич-
  объема вещества с единичным сечением поверхно-
меи. 1.1кой «объемчик» можно представить себе в виде
иубинл или цилиндра. Напряжение прикладывается к про-
уивопп ложным граням куба или сечениям цилиндра, а
f9N в приведенной формуле — это суммарный ток через
Урами куба, к которым приложено напряжение, или че-
рея сечение цилиндра. Вспомнив курс школьной физики,
читатель скажет, что проводимость это величина, об¬
ратили удельному сопротивлению (строго говоря, введен¬
ную нами величину следует также называть удельной
мвяпдимостью, но слово «удельная» обычно опускают).
Щвваршонно правильно! Более того, проводимость изме-
М#тся в тех же, что и сопротивление, единицах — в омах,
бЖТИее. обратных омах. Для объема ЖК в один кубиче-
МИЙ сантиметр ее типичное значение 10-9—10_s Ом~4<см.
Ihi довольно-таки малая величина, характерная для ор-
иннчш ких жидкостей. Для металлов соответствующая
Величина на 16—18 порядков больше! Но здесь важно
Ц9 абсолютное значение проводимости, а то, что прово¬
димое (ь в направлении вдоль директора о\\ отличается
§f проводимости поперек'директора . В большинстве
иемшиков <Т|| больше, чем Так, для нематика МББА
1й / •* I 1,5.
Другим важным обстоятельством является то, что
бдеводимость в жидких кристаллах носит ионный харак-
lap Это означает, что ответственными за перенос элек-
ко|о тока в ЖК являются не электроны, как в ме-
• внняк, а гораздо более массивные частицы. Это поло¬
жительно и отрицательно заряженные фрагменты моле-
|ул (или сами молекулы), отдавшие или захватившие из¬
быточный электрон. По этой причине электропроводность
Жидких кристаллов сильно зависит от количества и хими-
четмпи природы содержащихся в них примесей. В част-
нинк, электропроводность нематика можно целена-
браилонно изменять, добавляя в него контролируемое
внлнчп( iso ионных добавок, в качестве которых могут
Ьы> туиать некоторые соли.
31

Из сказанного понятно, что ток в жидком кристалле
представляет собой направленное движение ионов ■
системе ориентированных палочек-молекул. Если ионы
представить себе в виде шариков, то свойство нематика
обладать проводимостью вдоль директора о |Й больше,
чемох, представляется совершенно естественным и по¬
нятным. 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 продольна*
проводимость Щ будет превосходить поперечную про*
водимость.
Более того, обсуждаемая модель шариков-ионов ■
системе ориентированных палочек-молекул с необходи¬
мостью приводит к следующему важному заключениЮ|
Двигаясь под действием электрического тока поперек
направления директора (мы считаем, что поле приложе-
но поперек директора), ионы, сталкиваясь с молекула¬
ми-палочками, будут стремиться развернуть их вдоле
направления движения ионов, т. е. вдоль направления
электрического тока. Мы приходим к заключению, что
электрический ток в жидком кристалле должен приво
дить к переориентации директора.
Эксперимент подтверждает выводы рассмотренной!
выше простой механической модели прохождения тона
в жидком кристалле. Однако во многих случаях ситуа¬
ция оказывается не такой простой, как может показать¬
ся на первый взгляд.
Часто постоянное напряжение, приложенное к слою
нематика, вызывает в результате возникшего тока на
однородное изменение ориентации молекул, а периоди
ческое в пространстве возмущение ориентации директо*
ра. Дело здесь в том, что, говоря об ориентирующем
молекулы нематика воздействии ионов носителей тока,
мы пока что пренебрегали тем, что ионы будут вовле¬
кать в свое движение также и молекулы нематика. В ре¬
зультате такого вовлечения прохождение тока в жид¬
ком кристалле может сопровождаться гидродинамичес¬
кими потоками, вследствие чего может установиться пе¬
риодическое в пространстве распределение скоростей
течения жидкого кристалла. Вследствие же обсуждав¬
шейся в предыдущем разделе связи потоков жидкого
кристалла с ориентацией директора в слое нематика вен
никнет периодическое возмущение распределения ди
32

б
в
fUt. й. Виды упорядоченных текстур нематика: а) планарная, б) го-
мвмфчпная, в) твист-текстура
ВМТОра, Подробней на этом интересном и важном в при-
«мжпнии жидких кристаллов явлении мы остановимся
Ниже, рассказывая об электрооптике нематиков.
Флексоэлектрический эффект. Говоря о форме мо-
инмуи жидкого кристалла, мы пока аппроксимировали
^ жесткой палочкой. А всегда ли такая аппроксимация
•HpntiKt? Рассматривая модели структур молекул, можно
Врийги к заключению, что не для всех соединений приб¬
лижение молекула-палочка наиболее адекватно их фор¬
ме Далее мы увидим, что с формой молекул связан
ВЛД интересных, наблюдаемых на опыте, свойств жид¬
ки» кристаллов. Сейчас мы остановимся на одном из
Уймих свойств жидких кристаллов, связанном с отклоне¬
нием ее формы от простейшей молекулы-палочки, про-
||ЛЯК)щемся в существовании флексоэлектрического
тффекте.
Ишоресно, что открытие флексоэлектрического эф-
Фйита, как иногда говорят о теоретических предсказа¬
ниях, было сделано на кончике пера американским физи-
имм Р, Мейером в 1969 году.
('посматривая модели жидких кристаллов, образо-
•янных не молекулами-палочками, а молекулами более
(Ложной формы, он задал себе вопрос: «Как форма
молекулы может обнаружить себя в макроскопических
Нож пах?» Для конкретности Р. Мейер предположил, что
молекулы имеют грушеобразную или банановидную
ферму. Далее он предположил, что отклонение формы
молекулы от простейшей, рассматривавшейся ранее,
фВлровождается возникновением у нее электрического
дниолнного момента.
Возникновение дипольного момента у молекулы не-
(мммегричной формы — типичное явление и связано
ВМО с тем, что расположение «центра тяжести» отрица-
1ЯЛЫЮГ0 электрического заряда электронов в молекуле
мпжв! быть несколько смещено относительно «центра
ISA Попиков
33

тяжести» положительных зарядов атомных ядер моле¬
кулы. Это относительное смещение отрицательных и по¬
ложительных зарядов относительно друг друга и приво¬
дит к возникновению электрического дипольного момен¬
та молекулы. При этом в целом молекула остается нейт¬
ральной, так как величина отрицательного заряда элек¬
тронов в точности равна положительному заряду ядер.
Величина дипольного момента равна произведению за¬
ряда одного из знаков на величину их относительного
смещения. Направлен дипольный момент вдоль направ¬
ления смещения от отрицательного заряда к положи¬
тельному. Для грушеобразной молекулы направление ди¬
польного момента по симметрийным соображениям
должно совпадать с осью вращения, для банановидной
молекулы — направлено поперек длинной оси.
Рассматривая жидкий кристалл таких молекул, легко
понять, что без влияния на него внешних воздействий
дипольный момент макроскопически малого, но, разуме¬
ется, содержащего большое число молекул объема жид¬
кого кристалла, равен нулю. Это связано с тем, что нап¬
равление директора в жидком кристалле задается ориен¬
тацией 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 ди¬
ректора в 'ту и другую сторону, одинаково. В ре¬
зультате дипольный момент любого макроскопиче-
ского объема жидкого кристалла равен нулю, там
как он равен сумме дипольных моментов отдельных
молекул.
Так, однако, дело обстоит лишь в неискаженном об¬
разце. Стоит путем внешнего воздействия, например ме¬
ханического, исказить, скажем, изогнуть его, как моле¬
кулы начнут выстраиваться, и распределение направле¬
ний дипольных моментов отдельных молекул вдоль ди¬
ректора для грушеподобных молекул и поперек директо¬
ра 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. фак¬
торы, обеспечивающие плотнейшую упаковку молекул.
Плотнейшей упаковке молекул именно и соответствует
34

flMOe выстраивание молекул, при котором их диполь-
ныв моменты «смотрят» преимущественно в одну сто-
pBMVt
С макроскопической точки зрения рассмотренный
|ф<|>пкт проявляется в возникновении в слое жидкого
Чристллла электрического поля при деформации. Как
|ИДно из рисунка, это связано с тем, что при выстраивав
Ими диполей на одной поверхности деформированного
при' 1г)лла оказывается избыток зарядов одного, а на
пртиноположной поверхности — другого знака. Таким
§@ряэом, наличие или отсутствие флексоэлектрического
9ф(||вкта несет информацию о форме молекул и ее ди-
Ивлином моменте. Для молекул-палочек такой эффект
®Т*у1Ствует. Для только что рассмотренных форм моле-
иуп эффект есть. Однако, как уже, наверное, заметили
■Виболее внимательные читатели, для грушеподобных и
■смановидных молекул для наблюдения возникновения
влыирического поля в слое надо вызвать в нем разли¬
чные деформации. Грушеподобные молекулы дают эф-
фы< I при поперечном изгибе, а банановидные — при
■Мдольном изгибе жидкого кристалла
Предсказанный теоретически флексоэлектрический
Эффект вскоре был обнаружен экспериментально. При¬
чем на эксперименте можно было пользоваться как пря-
ммм, так и обратным эффектом. Это означает, что
Можно не только путем деформации ЖК индуцировать
| иом электрическое поле и макроскопический диполь-
нын момент (прямой эффект), но и, прикладывая к об-
§||цу внешнее электрическое поле, вызывать дефор¬
мацию ориентации директора в жидком кристалле.
ГЛАВА III
НЕМАТИКИ
Жидкий монокристалл. Выше при рассмотрении нема¬
тика предполагалось, что во всем его объеме директор
•риентирован одинаково, однако отмечалось, что для
Получения однодоменного жидкокристаллического об-
рвэца, или, как говорят, монокристалла, необходимо
принять специальные меры. В чем же они состоят? Об¬
щий ответ на этот вопрос таков. Необходимо предусмот¬
ри и факторы, стабилизирующие структуру жидкого
33

кристалла, в данном случае нематика. Такими фактора*
ми могут быть либо поверхностные силы, задающие оп*
ределенную ориентацию молекул на поверхностях, ог¬
раничивающих нематик, которые, в свою очередь, ин¬
дуцируют за счет межмолекулярных взаимодействий со¬
ответствующую ориентацию молекул в объеме, либо
внешние поля (как правило, электрические), ориентирую¬
щие однородным образом молекулы сразу во всем
объеме.
Исторически первый и не утративший своего значе¬
ния и в наше время способ получения однодоменных
жидкокристаллических образцов состоит в специальной
обработке поверхностей, ограничивающих нематик. По¬
скольку ясно, что ориентирующее влияние поверхности
на молекулы тем сильней, чем менее молекулы удале¬
ны от поверхности, то следует заранее ожидать, что од¬
нородной ориентации молекул нематика легче всего
добиться в тонких слоях. Практика показывает, что пол¬
ной однородности структуры можно добиться, поместив
нематик между двумя пластинами, зазор между кото¬
рыми не более 10—100 микрон (см. рис 8).
В качестве пластин, ограничивающих нематик, исполь¬
зуют, как правило, прозрачные материалы: стекло, по¬
лимеры, токопроводящее прозрачное соединение —
окись олова (SnO2) и т. д. Обработка поверхности пла¬
стин в простейшем случае состоит в их направленной по¬
лировке, что в примитивном варианте оказывается, нап¬
ример, просто натиранием поверхности в одном направ-
нии кусочком бумаги или шерстяной ткани. Такая обра¬
ботка может состоять также в направленном, косом на¬
пылении на поверхность молекулярных слоев или нане¬
сении молекул специальных веществ — ориентантов. В
первом случае длинные оси молекул нематика всюду не
поверхности пластин оказываются ориентированными
одинаково и параллельно поверхностям пластин (рис.
8, а), задавая таким образом ориентацию молекул и в
объеме. В случае наличия на поверхности молекул ори¬
ентантов молекулы нематика могут быть на поверхнос¬
тях ориентированы перпендикулярно пластинам (рис.
8, б), что индуцирует такую же ориентацию молекул не¬
матика во всем объеме зазора между пластинами.
Однородно ориентированные слои нематика в случае
осей молекул, параллельных поверхностям пластин, при¬
нято называть планарной текстурой, а в случае осей мо-
36

локул, перпендикулярных поверхностям, — гомеотроп-
мой текстурой.
Пока что неявно предполагалось, что обе ограни¬
чивающие нематик пластины задают одинаковую
ориентацию молекул. Но это совсем не обязательно. И
более того, широкое практическое применение получили
монодоменные слои нематиков, у которых направления
ориентации молекул на поверхностях, ограничивающих
нематик, образуют между собой угол 90°. В этом случае
ориентация осей молекул внутри зазора между пласти¬
нами зависит от их удаления от поверхностей (рис. 8, в).
Длинные оси молекул (а точнее, директор) в каждой
точке зазора, оставаясь параллельными пластинами по
мере их удаления от одной пластины и приближения к
другой, монотонно разворачиваются так, чтобы точно на
нлпг тинах их ориентация совпадала с соответствующим
выделенным направлением для каждой пластины. Это
Там называемая твист-текстура или твист-ячейка.
Оптическая ячейка. Пока что не конкретизировалось,
я* каких материалов выполняются пластины, ограничи¬
вающие слой жидкого кристалла. Однако если требует-
I а путем внешних воздействий изменять оптические ха¬
рактеристики этого слоя, то требования н материалам
|тих пластин оказываются четко определенными. Поми¬
мо того что они должны быть прозрачными для света,
необходимо также, чтобы они позволяли подводить
•лектрическое напряжение к слою нематика. Кроме
У0го, часто требуется, чтобы одна из пластин или обе
Пропускали свет только определенной линейной поля-
(Инации. Устройство, содержащее слой жидкого кри-
наимл между такими покрытиями, называют оптичес¬
ким ячейкой, а типичное ее устройство показано на рис.
V, 11мнений слой жидкого кристалла ограничен стеклян-
37

Рис. 10. Устройство цифрового индикатора
ными пластинами с нанесенными на них прозрачными
электродами. Толщина слоя фиксируется диэлектри¬
ческими прокладками, помещенными между пластина¬
ми. Материалом прокладок могут служить слюда, теф-
лОн, полиэтилен и другие изоляторы. В случае необходи¬
мости использовать поляризационные характеристики
света на пластины могут быть также нанесены поляроид-
ные пленки.
На рис. 9 изображена оптическая ячейка, которая
«работает» на" просвет. Очевидная модификация такой
ячейки, состоящая в нанесении на одну из ее поверх¬
ностей отражающего или поглощающего свет покрытия,
трансформирует ее в работающую на отражение.
Таким образом, как мы видим, оптическая ячейка,
предназначенная для исследования оптических характе¬
ристик жидких кристаллов или для использования их в
системах отображения информации, может быть доста¬
точно сложным устройством. Однако современная тех¬
нология позволяет делать оптические ячейки чрезвы¬
чайно миниатюрными. И наверное, многие владельцы ча¬
сов с цифровой индикацией на жидких кристаллах и не
догадываются, что на циферблате их часов содержится
порядка сотни оптических ячеек, устройство которых по¬
добно только что описанному выше. Для получения циф¬
ровой информации в ячейках электроды выполняются •
виде нужных цифр, либо, как на индексах конвертов пи¬
сем, нужная цифра воспроизводится путем «включения»
определенной комбинации ячеек, выполненной в виде
полосок (рис. 10).
38
а

Здесь же, несколько забегая вперед, поясним причи¬
ну конкурентоспособности устройств отображения ин¬
формации на жидких кристаллах. Действительно, в на¬
стоящее время для воспроизведения информации выпу-
(кается большое количество разнообразных по принци¬
пу действия индикаторных элементов (светодиоды, газо¬
разрядные лампы, электролюминесцентные приборы и
др.). Почему же повышенный интерес проявляется к уст¬
ройствам на жидких кристаллах? Это объясняется их низ¬
кой стоимостью, малой потребляемой мощностью, не¬
посредственной совместимостью с интегральными схе¬
мами, используемыми в современных электронных уст¬
ройствах, возможностью создания индикаторных уст¬
ройств в виде плоских экранов.
Однако уже здесь необходимо отметить существен¬
ное отличие индикаторов на жидких кристаллах от боль¬
шинства индикаторов других типов. Если обычно в уст¬
ройствах отображения информации (экраны телевизо¬
ре*, табло) информация «высвечивается» и она тем луч¬
ше видна, чем ниже освещенность в месте их установки,
то для устройств на жидких кристаллах ситуация прямо
противоположная. гЧля них информация тем лучше видна,
чем выше их освещенность. А в темном помещении или
ночью для пользования такими индикаторами нужна
их подсветка. Кстати, такая подсветка используется в не-
ишорых разновидностях часов с цифровой индикацией.
Это свойство жидкокристаллических устройств отобра¬
жения информации в одних случаях оказывается досто¬
инством, например, позволяет смотреть телевизор с
жидкокристаллическим экраном в ярко освещенной
комнате. В других случаях выступает как недостаток и
Требует подсветки индикаторов. Почему же жидкокри¬
сталлические устройства отображения информации обла¬
дают такими необычными свойствами, рассказывается в
следующем разделе.
Электрооптика нематиков. Общим для всех ячеек яв¬
ляется необходимость подавать на их электроды элект¬
рическое напряжение. Однако в зависимости от вида
жидкокристаллического материала, содержащегося в
ячейке, и деталей ее устройства физические процессы,
приводящие к отображению информации, могут быть
Существенно различными. Поэтому для уяснения физи¬
ческой природы этих процессов необходимо от техни¬
ческих деталей устройства ячейки обратиться опять
39

к оптическим свойствам жидких кристаллов [2].
Чтобы разобраться в работе оптической ячейки,
вспомним сначала, какими оптическими свойствами обла¬
дает однодоменный нематический слой при прохожде¬
нии света нормально его поверхности. Вспоминая, что
нематик в оптическом отношении эквивалентен кристал¬
лу, легко убедиться, что оптические характеристики ока¬
зываются различными для планарной (рис. 8, а) и гоме-
отропной текстур (рис. 8, б). При этом надо еще уто¬
чнить, что нематик эквивалентен оптически одноосному
кристаллу, Т. е. кристаллу, в котором существует только
одно направление, называемое оптической осью, при
распространении света, вдоль которого оптические ха¬
рактеристики не зависят от поляризации световой волны.
Для полноты картины следует сказать, что жидкие крис¬
таллы, другие их разновидности, как и обычные кристал¬
лы, могут быть и двухосными. В двухосном кристалле
существуют два направления (две оптические оси), при
распространении вдоль которых оптические характери¬
стики не зависят от поляризации света, или, как еще го¬
ворят, при распространении света вдоль этих осей от¬
сутствует двупреломление.
Для гомеотропной текстуры свет распространяется
вдоль направления директора, оптической оси, поэтому,
как во всяком одноосном кристалле, в этом случае оп¬
тические характеристики слоя оказываются независящи¬
ми от поляризации света.
Для планарной текстуры направление распростране¬
ния света перпендикулярно оптической оси, поэтому по¬
казатель преломления (диэлектрическая проницаемость
е) различен для света, плоскость поляризации которого
перпендикулярна направлению директора в слое и со¬
держит это направление. Различие диэлектрических про¬
ницаемостей для названных поляризаций света называ¬
ют диэлектрической анизотропией нематика и обознача¬
ют Де. Знак диэлектрической анизотропии Де для разли¬
чных нематиков может быть как положительным, так и
отрицательным. В первом случае говорят о нематике с
положительной диэлектрической анизотропией, что со¬
ответствует меньшей диэлектрической проницаемости
(большей фазовой скорости) для света, поляризованного
перпендикулярно направленного директора. Во втором
случае говорят о нематике с отрицательной диэлектри¬
ческой анизотропией. При этом фазовая скорость света,
40

ц§ЛЯридованного перпендикулярно направленного ди-
рзннмря, 	  п.ш.югся	меньше	скорости	света, полярй-
(няйнннм) и направлении директора.
Микроскопической причиной возможности различных
|НЯИнв А» являются особенности строения молекул, обра-
• уюмрт жидкий кристалл. Вличина Ае пропорциональна
наряма|ру порядка S, т. е. изменяется с температурой
йвмягмка, и ио типичное значение лежит в интервале
(М О,(И, при средней диэлектрической проницаемости
— .141 мня г —2—2,5.
Им «вращаясь теперь к зависимости оптических ха-
рй*нерипик планарной текстуры от поляризации света,
видим, что поляризация света не меняется при прохож¬
дении ячейки только в том случае, если свет поляризо¬
ван перпендикулярно директору или по директору. Свет
КМ жнбои другой поляризации изменяет свою поляриза¬
ции. проходя через ячейку. Это изменение связано с
 		 фазовой скоростью в нематике света с двумя
Мфуждйвшимися линейными поляризациями и может
йьнн пинии просто найдено.
Днм< тяительно, произвольно поляризованный свет,
ЯвДйЖщип на ячейку, может быть разложен на волну
^фйа^мюванную перпендикулярно директору и поляри-
|мвйнну»ч по директору. Каждая из этих волн в нематике
Д|иинн( я со своей фазовой скоростью, так что на выхО-
и* и* ячейки набегает разность фаз между этими волна¬
ми и и» I поженив на выходной поверхности ячейки дает
|)Иаупмнрующую волну с поляризацией, отличной от по-
Мрмшцмм падающего пучка света. Так, например, если
Димынч о. поляризации падающего света составляет с ди-
МННвром угол 45°, то после прохождения ячейки свет
gffiHHft линейно поляризованным, если только раз*
glttk кода волн собственных поляризаций, т. е. величина
Ф = — («I, — пх) L	(2)
С
ММЫМегся равной ns , где s —целое число или ноль,
в | (Л ж —• частота, с — скорость света, L — толщина
§Й§Я нематика, Лц и п± —показатели преломления све-
к ннпя|in юианного вдоль и поперек директора, или,
■|jt hi называют, показатели преломления собственных
МЙИ. I Ц>и s четном или равном нулю ориентация плоско-
Ми ннияризации совпадает с исходной, при 5 нечетном —
МвДрвчивае1ся на 90°. В общем случае, если в (2) Фт^яЗ,
41
I

I
где 5 целое число, то свет, прошедший ячейку, оказы¬
вается поляризованным эллиптически, а при S полуце-
лом — поляризованным по кругу (о круговой и эллипти¬
ческой поляризации света будет рассказано в гл. VI).
Таким образом, как мы убедились, оптические свойст¬
ва и, в частности, поляризационные свойства планарной
и гомеотропной текстур нематика оказываются различны¬
ми. В самом по себе этом факте ничего удивительного
нет. Точно такие же различия свойств проявляют пласти¬
ны обычного одноосного кристалла в том случае, когда
они вырезаны так, что в одной из них оптическая ось
перпендикулярна поверхности, а в другой параллельна
поверхности. Удивительным и существенным для техни¬
ческих приложений оказывается то, что в отличие от
обычных кристаллов, в которых ориентация оптическое
оси фиксирована в образце, в нематиках ориентацию
этой оси можно изменять путем внешних воздействий,
Наиболее удобным и действенным способом воз¬
действия на ориентацию оптической оси, как будет рас»
сказано ниже, является приложение к ячейке внешнего
электрического поля. И вот уже ясен принцип, на оснО»
ве которого с помощью жидкокристаллической ячейки
можно отображать информацию — это путем прикла¬
дываемого напряжения переводить планарную текстуру
в гомеотропную и обратно. Читатель легко сообразит,
что, например, используя поляроидные пленки, т, «
пленки, пропускающие свет только определенной ли¬
нейной поляризации, можно сделать гомеотропную тем
стуру непрозрачной для света, скрестив поляроиды М
входной и выходной поверхностях. То же расположение
поляроидов оставит планарную текстуру пропускающей
свет. Это произойдет, если «ориентация» поляроида,
т. е. если ориентация плоскости поляризации света, про*
пускаемого поляроидом, не совпадает с направление**
директора.
Приведённый пример показывает, что наложение
электрического поля влияет на оптические характеристик
ки нематика за счет изменения во внешнем поле eri
структуры. В рассматриваемом примере предполагалось
что в поле осуществляется переход планарной текстуры
в гомеотропную. Возможны и другие изменения структу»
ры нематика.
Теперь поясним, почему в электрическом поле мм
жет происходить перестройка структуры жидкого крйз
42
I

t рлимл Анизотропия формы молекул ЖК приводит к
янмнмропии их электрических свойств. В частности, элек-
«рмчшкпи поляризуемость молекул вдоль длинной оси
но'ичается от ее поляризуемости в поперечном направ¬
лении. Следствием этих свойств индивидуальных моле¬
кул и является анизотропия диэлектрической проницае¬
мости нематика, выражающаяся в том, что диэлектри-
'т. или проницаемость для поля, направленного вдоль
директора, отличается от диэлектрической проницае¬
мости для поля, направленного поперек директора (ес¬
тественно, что в жидкости такой анизотропии нет, по¬
скольку в этом случае ориентация молекул совершенно
«антична).
Ряньше, бсуждая показатели преломления света,
мы тяже говорили о диэлектрической проницаемости
нем at ик л. Во избежание недоразумений подчеркнем,
ЧТО в оптике проявляется диэлектрическая проницае¬
мом ь нл очень высоких частотах порядка 1016 герц, а
адесь идет речь о статической или очень низкочастот-
мом диэлектрической проницаемости.
Во внешнем электрическом поле минимуму энергии
немжикл соответствует такая его ориентация, при ко-
ТФрой направление, отвечающее максимальному значе¬
нию диэлектрической проницаемости, совпадает с на¬
правлением поля. Это значит, что, если, например, ди-
Цшктрическая анизотропия нематика Де положительна,
ft а. диэлектрическая проницаемость вдоль директора
9*1 больше поперечной диэлектрической проница¬
емости »А (Де =®|Й —ех) , то в поле на жидкий крис-
Шп будет действовать сила, стремящаяся совместить
МПрйвление директора с направлением приложенного
ДАЛЯ. Таков механизм переориентации директора, т. е.
Н1МЩ11М1ИЯ структуры нематика, во внешнем поле. На
ЩфЛаиулярном уровне он объясняется тем, что во вне¬
шним поле молекулы нематика стремятся сориентиро-
(вты и так, чтобы направление большей поляризуемости
В^мдой молекулы совпало с направлением поля.
Очень важными деталями изменений оптических
1§|§йств нематика под действием электрического поля
ЦЛвюгся следующие характеристики: необходимые для
■ЦИСТройки напряжения, время перестройки и ее обра-
 	, потребляемая мощность и т. д. Поэтому рас-
§М9*рим подробнее влияние электрического поля на
If рук гуру нематика.
43

Переход Фредерикса. Характер влияния внешнего
поля на нематик зависит от ряда параметров. Например,
знака диэлектрической анизотропии As, деформацион¬
ных модулей упругости нематика (нематик, как говори¬
лось выше, подобно кристаллу и в отличие от жидкости
обладает отличными от нуля деформационными моду¬
лями упругости), характера сцепления молекул немати¬
ка с поверхностями ячейки, геометрии опыта. Замеча¬
тельным свойством переориентации структуры немати¬
ка под действием внешнего поля является пороговый
(по полю) характер изменения структуры в поле, пер¬
пендикулярном поверхностям ячейки при планарной ис¬
ходной ориентации нематика. Это означает, что в полях
меньше критического изменения структуры нематика
не происходит. И только по достижении критической ве¬
личины поля структура нематика начинает претерпевать
изменения. Сам же характер изменения таков, что не¬
посредственно выше критического поля Ес эти измене¬
ния малы, однако быстро нарастают по мере превыше¬
ния полем критического значения.
Вопрос об изменении структуры нематика во внеш¬
нем поле впервые, еще в тридцатые годы, исследовал
советский физик В. К. Фредерикс с сотрудниками. Само
же изменение структуры нематика во внешнем поле по¬
лучило название перехода Фредерикса. Например, для
того, чтобы перевести планарную текстуру (рис 8 а) в
гомеотропную (рис. 8, б), наложив поле перпендикуляр¬
но поверхностям ячейки, необходимо, чтобы диэлектри¬
ческая анизотропия нематика As была положительна, а
напряженность поля в зазоре ячейки превосходила кри¬
тическое поле
где К — модуль упругости нематика, a L — толщина за¬
зора ячейки. Здесь для простоты сделано пренебреже¬
ние различием модулей упругости и считается /()«**j
К2—Кз = К. Из формулы видно, что величина напряже¬
ния, прикладываемого к жидкокристаллическому слою,
должна быть больше, чем EcjL. (Произведение напря¬
женности поля на толщину зазора дает напряжение.)
Таким образом, как видно из формулы (3), напряжение,
способное изменить структуру нематика в ячейке, ока¬
зывается независимым от толщины слоя. Типичное зна-
(3)
44

чвмме порогового напряжения оказывается порядка еди¬
ниц юлы. При снятии приложенного напряжения струк-
Iурл нвмтикв возвращается к исходной.
/другой важной характеристикой электрооптических
• м*дпн) Iпни является время перестройки структуры не¬
ма* мна, Исследования показывают, что вблизи порого¬
вых вменений поля время перестройки т пропорциональ¬
но ввхмосги нематика т], квадрату толщины слоя L2, об-
рамш пропорционально Де и превышению напряжения
МАМ пороговым. Типичное значение времени перестрой¬
ки мрущуры нематика в оптимальном режиме работ
нивхывлпк я порядка миллисекунд. Более короткого вре¬
мени перехода добиться трудно, и приведенное здесь
врем* характеризует быстродействие жидкокристал-
пмчя1нив ячеек.
Недобранный выше переход Фредерикса, в котором
I мм ум тип поля нематик сДе>0 образует планарную
fiNifypy, в при наложении поля переходит в гомеотроп-
НуМг, прииию называть 5-эффектом. Выделяют еще так
Ц#|ММемыи Н-эффект и 7-эффект. В fi-эффекте исход¬
ив» УАИСТурл гомеотропная (см, рис. 8 б), а поле пере-
*мдм( ее в планарную. Для осуществления такого пере-
(А£а Фредерикса требуется нематик с отрицательной
АИфЛвмрической анизотропией Де Для 7-эффекта ис-
1НДНВЯ мчи I ура является закрученной гак как в этом слу-
1(№ ииншыупп я ячейка, в которой ориентация молекул
|БЩфЮМ и? поверхностей ячейки составляет угол 90°
ЙВИМ1Н*льмо ориентации не дру ой поверхности (рис. 8,б).
Мриимжимимм поле, как и в случае S-эффекта, переводит
УРУ в гомеотропную, так как в этом случае исполь-
■. ihi 1 N нематики с Де>0.
Габо*я ячейки, использующей 7-эффект, основыва¬
ем я ЦА • 1ой< гае закрученной структуры (твист-структуры)
гМАШАУв плоскость поляризации света. А именно, если
|р9А*ниь поляризации света совпадает с ориентацией
ЩИММул ил входной поверхности ячейки то по мере
ММниновйний света в глубь ячейки плоскость его поля-
рНААЦми продолжает следить за ориентацией молекул,
ft* ч|и ня выходе из ячейки плоскость поляризации све-
Ц А*й*ывве|гя повернутой на 90° Правда, при этом
■ММАМН выполняться условие, чтобы длина волны светаХ
Мйвявит I. <оря|до меньше величины Де 7. Опасения чи-
|§1«мн ЫО такой режим преобразования поляризации
MMf не выполняться для оптических ячеек, рассеют-
4$

ся, если он выполнит соответствующее сравнение, ис>
пользуя приведенные выше типичные значения Де и L,
В отсутствие поля такая ячейка будет прозрачной,
если поляроиды на входной и выходной поверхности
ориентированы по молекулам, т, е. повернуты относи¬
тельно друг друга на 90°, или, как говорят, скрещены.
При наложении поля ячейка становится непрозрачной,
так как нематик переходит в гомеотропную текстуру,
которая не вращает плоскость поляризации света и ■
скрещенных поляроидах оказывается непрозрачной.
Эффект «гость-хозяин». Пока что рассматривались
электрооптические эффекты в ячейке, которые перево¬
дили ее из прозрачного состояния в непрозрачное или
наоборот. Оказывается, электрооптические эффекты мо¬
гут проявляться также в изменении окраски ячейки. Это
так называемый эффект «гость-хозяин». Суть его состо
ит в следующем. В нематик в небольшом количестве до
бавляют молекулы дихроичного красителя2 (гость), ко*
торые ориентируются нематиком (хозяин) так же, как и
молекулы нематика. В процессе перехода Фредерикса
вместе с переориентацией молекул нематика происхо*
дит и переориентация молекул красителя, в результата
чего изменяется окраска ячейки. В эффекте гость-хо¬
зяин использование поляроидных пленок в ячейке или(
по крайней мере, одной из них не обязательно. Причину
же изменения окраски ячейки поясняет рис. 11, На нам
показаны два состояния ориентации молекул красите*
ля: в поле и без поля. Дихроичные молекулы красителе
имеющие линию поглощения света на определенной ча*
стоте, устроены так, что величина поглощения зависит
от направления распространения света относительно
длинной оси молекул и его поляризации. В частности, на*
пример, может быть так, что свет, распространяющий’
ся вдоль длинной оси молекулы, поглощения не испытЫ*
вает, а максимальное поглощение испытывает свет, рас¬
пространяющийся в направлении, перпендикулярном
2 Красителями называют вещества, поглощающие свет ■ ч>«*
нительно узком интервале длин волн, или, как еще говорИ)
имеющие линии поглощения в оптическом диапазоне 4«ctffi
Слово «дихроичный» означает, что ориентированные молеиуМ
красителя поглощают свет только определенной поляризаций)
Название же «краситель» применительно к этим веществам (l|i
зано с тем, что они ярко окрашены и придают окраску друГИЩ
материалам при введении их даже в небольшом количестве,
46

Рис. 11. Эффект «гость-хозяин». Молекулы нематика
н нрлгителя изображены соответственно черточка¬
ми и овалами
Аинной оси (и при этом еще поглощение зависит от поля-
ивяции (пета).
* Инн .шили зависимость поглощения от ориентации
ЮМмул красителя объясняет изменение окраски ячей-
И ■ ПОли. А именно, в гомеотропной ориентации моле-
ул (рм*, 11, б) линия поглощения не проявляется, и бе-
ыи ■ ". с, проходя ячейку, остается белым. В планарной
ришилциИ (рис. 11, а) частоты света в области линии
нмннцс'иия красителя не пропускаются ячейкой, и про-
шдшмй с,нот приобретает окраску.
С^оенольку в матрицу нематика молекул красителя
евмвлиыся мало, то все диэлектрические характерн¬
ыми жидкого кристалла с хорошей точностью оказы-
itwti и ! ли ими же, как и у нематика, без примеси моле-
ун мржиюля. В частности, они не влияют на расемот-
■ мм.и выше характеристики перехода Фредерикса.
IflMHMo включения одного цвета ячейки, можно, вводя
мемшик, например, два красителя с различным час-
И1НЫМ положением дихроичной линии поглощения, до¬
нным переключения окраски ячейки в поле. Причем из
NliMHHoro ясно, что большей интенсивности окраски
ртйьишт цветного контраста) можно добиться, ис-
1ннь *у и поляризованный свет, т. е. ячейки с поляроид-
мимикой.
Димены Капустина — Вильямса и динамическое рае-
-МНИ Выше говорилось о так называемых полевых
(ЦШрооптических эффектах. Это означало то, что в
МНМшремных эффектах были не существенны электри¬

ческие токи и электроконвективные потоки, возникаю¬
щие в нематике при приложении электрического поля, п
наблюдаемый электрооптический эффект был следст¬
вием только переориентации молекул нематика. Фак¬
тически для обеспечения такого режима работы ячейки
требуется выполнение ряда условий на величину подл
ваемого напряжения, химическую чистоту жидкого кри¬
сталла и т. д. В частности, практически всегда полавЫИ
электрооптические эффекты наблюдаются не в постоям
ных полях, а в переменных полях низкой частоты, так
как при этом легче избежать возникновения гидродинл
мических потоков в жидком кристалле.
Следует отметить, что в «чистом виде» все описанные
полевые эффекты можно наблюдать, прикладывая к
ячейке не электрическое, а магнитное поле. В этом слу¬
чае эффекты совершенно аналогичны электрооптичвс*
ким, и каждому электрооптическому эффекту соотв<ч
ствует магнитооптический аналог с тем различием, чт9
они определяются не анизотропией диэлектрической пн
сприимчивости Ае и электрическим полем Е, а анизсн
ропией магнитной восприимчивости Ах молекул и ма¬
гнитным полем Н. Так как статическое магнитное поле
не вызывает ни электрического тока, ни конвективны»
гидродинамических потоков, то в магнитооптических эф»
фектах не проявляются усложнения, связанные с этими
побочными неполевыми явлениями. Тем не менее в првМ
тическом отношении полевые электрооптические эффек¬
ты представляют больший интерес в связи с больинй
простотой управления ячейкой электрическими полями,
чем магнитным.
Но не следует думать, что гидродинамические пото¬
ки и электрические токи, возникающие при наложении
на нематик электрических полей, выступают только им{
помеха электрооптическим эффектам. Оказывается, Mfi
эти явления приводят к контролируемым изменениям
оптических характеристик нематика и представляют аМН
чительный интерес с точки зрения изучения физики ЖИД*
ких кристаллов и их технических приложений.
Исхбдя из условий применимости описанной выше
простой картины электрооптических эффектов, будим
следить за изменениями, происходящими в жидконрм<
сталлической ячейке. При этом будем, например
повышать разность потенциалов, подведенную к ячейИИ
Если при напряжении меньше или сравнимом с к|>н1м
48

Рис, 12. Домены Капустина— Вильямса
чес мим напряжением, определяема л формулой (3),
  выглядит оптически однородной, то при увеличе*
мии напряжения и достижении некоторого критическо¬
го течения она теряет свою оптическую однород¬
ное (ь и представляет собой (в поляризованном и непо-
Лвризованном свете) систему регулярно расположенных
наряллельных темных и светлых полос (см. рис. 12). Это
f(N называемые домены Капустина рр Вильямса, назван¬
ною по имени исследователей, впервые наблюдавших
f(|l
11ри дальнейшем повышении напряжения, приложен¬
ною к ячейке, в некотором интервале напряжений кар¬
тина доменов существенно не изменяется, а происходит
Юлько изменение ширины светлых и темных полос. И
ИЙМОнец, при достижении некоторого напряжения Uk кар-
|ИН* резко изменяется и начинает выглядеть, как по¬
верхность кипящей жидкости.
При напряжении Uk и более высоких напряжениях
Ячейка перестает быть прозрачной и сильно рассеивает
ftOf, Это явление получило название динамического
рассеяния света в жидких кристаллах.
Теперь попробуем разобраться, в чем же причина
вписанных изменений жидкокристаллической ячейки под
Действием приложенного напряжения. Оказывается, ос¬
новным фактором, определяющим описанное поведе¬
ние нематика, является анизотропия электропроводности
Мидиих кристаллов. Электропроводность в жидких кри-
(Ивллах носит ионный характер, и всегда электропро-
Мдмость вдоль направления директора б || оказывается
| И А, Беляков
49

* *
Свет
Рис. 13. Схема структуры доменов Капустина — Вильямса. Стрелки
указывают направление потоков в вихрях. Касательная к жир¬
ной линии определяет локальное направление директора
больше электропроводности в поперечном направлении
o-j. В силу ионного характера электропроводности про¬
хождение тока в жидком кристалле сопровождается
гидродинамическими потоками. Гидродинамические по¬
токи, в свою очередь, оказывают ориентирующее влия¬
ние на ориентацию директора (длинных осей молекул).
Поэтому, если возникает конкуренция полевых ориенти¬
рующих воздействий и ориентации гидродинамическими
потоками, индуцированными протеканием тока в нема¬
тике, то однородное распределение директора вдоль
слоя нематика может оказаться неустойчивым. В этом
случае и возникает в поле описанная выше система до¬
менов Капустина'—Вильямса.
Для того чтобы ориентирующее влияние поля и гид¬
родинамических потоков конкурировали, т. е. стреми¬
лись ориентировать молекулы в различных направлени
ях, необходимо, чтобы диэлектрическая анизотропия
Де<0. Поэтому домены Капустина — Вильямса всегда
наблюдаются в нематиках с Де<С0, а для их наблюди
ния при Де>>0 требуется выполнение еще ряда требова¬
ний на условия эксперимента. В конечном итоге домен-
50

или картина является следствием установления регу¬
лярных конвективных потоков, линии токов в -которых и
ориентация директора изображена на рис 13.
Каждая из конвективных ячеек (вихрей), изображен¬
ных нм рис. 13, в связи с неоднородным распределением
директора в ней образует своеобразную линзу. Эти
цилиндрические вихри фокусируют свет в светлые ли¬
нии ■ домены.
Н юнких ячейках напряжение возникновения доме-
»"• 11. или, как говорят, порог электрогидродинамичес-
иии (ЭГД) неустойчивости не зависит от толщины ячейки*
Нимнчинн порогового напряжения зависит от анизотро¬
пии «лектропроводности	,	модуля	упругости	нема-
1иня, ело вязкости и диэлектрической анизотропии Де,
и* исходной текстуры нематика.
Типичное значение Un оказывается порядка 5—1(3
Ввлят, а описанная картина доменов сохраняется до на¬
пряжений, в 2—2,5 раза превышающих пороговое.
Чем же вызван i ^реход нематика в поле от доменной
Мрунтуры к состоянию, характеризующемуся динами¬
ческим рассеянием? Оказывается, при дальнейшем по¬
вышении напряжения регулярная система гидродина-
мичес них вихрей становится неустойчивой, и происходит
грыв на турбулентное, нерегулярное распределениё
Гидродинамических потоков в нематике. Это, в свою оче¬
редь, приводит к нерегулярным изменениям показателя
Преломления и сильному рассеянию света в нематике.
Эффект динамического рассеяния находит примене¬
ние ■ индикаторах (в отсутствие напряжения ячейка
ярохрачна, с напряжением не пропускает свет). ДостО-
МИВТВО этого эффекта в том, что он проявляется в непо-
ЛЯрихованном свете, что упрощает конструкцию инди¬
каторов. Недостатком является необходимость использо-
1ять более высокие рабочие напряжения, чем в случае
•mi Iо полевых эффектов.
Молекулярная спираль. Еще более удивительными в
#равмонии с нематиками и необычными свойствами обла-
дякп холестерические жидкие кристаллы, или холесте¬
ГЛАВА IV
ХОЛЕСТЕРИЧЕСКИЕ
ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ
51

рики. Как мы увидим ниже, особенно поразительными
являются оптические свойства холестериков, а связано
это с их своеобразным строением [3] Локально холе¬
стерический жидкий кристалл имеет такую же структу¬
ру, как нематик. Это означает, что в малом объеме
упорядочение молекул холестерика подобно упорядо¬
чению в нематике и его так же, как для нематика,
можно характеризовать директором п и параметром по¬
рядка S. Отличия холестерика от нематика проявляются
на больших по сравнению с молекулярными размера¬
ми объемах и расстояниях. Дело в том. что в холестери¬
ке молекулы образуют так называемую холестериче¬
скую спираль. А именно направление директора, т. е.
•преимущественно ориентации молекул в холестерике
не остается неизменным по его объему (даже для од-
адодоменного образца!). Существует такое направле¬
ние, называемое холестерической осью, при смещении
1вдоль которого регулярным образом изменяется ориен¬
тация директора. Если провести воображаемые плоско¬
сти, перпендикулярные холестерической оси (см. рис.
14), то для каждой плоскости направление директора во
всех ее точках оказывается фиксированным и перпенди¬
кулярным холестерической оси, однако изменяющимся
<0т плоскости к плоскости. При перемещении вдоль хо¬
лестерической оси происходит поворот директора вок¬
руг этой оси. Причем угол поворота директора ф являет¬
ся линейной функцией расстояния z вдоль холестериче-
2я
Скои оси и изменяется с координатой z по закону <р = —z.
Р
Величина р носит название шага холестерической спи¬
рали и в точности равна тому расстоянию вдоль холесте¬
рической оси, на котором директор (средняя ориента¬
ция молекул) поворачивается на 360°.
Отмеченное выше подобие свойств холестерика в
малом объеме свойствам нематика означает, что в мо¬
лекулярном масштабе расстояний «загрученность» ори¬
ентации молекул холестерика слабая, т. е. шаг спирали
р в сотни и тысячи раз больше молекулярных размеров.
Причина того, что холестерические жидкие кристал¬
лы образуют закрученную структуру, лежит в специфике
межмолекулярного взаимодействия в нем. Точное опи¬
сание этого взаимодействия достаточно сложно, и здесь
нет необходимости вникать в его детали Важно в конеч-
52

ZZ7—T
/2Е7
—X
Рис. 14. Схематическое изображе
ние строения холестерика
ном итоге то, что минимальной энергии взаимодейст¬
вия молекул холестерика соответствует такая ориента¬
ция соседних молекул, при которой их длинные оси не¬
параллельны, как в нематике, а образуют некоторый <
угол. Геометрическим проявлением причины такого ха¬
рактера взаимодействия молекул является отсутствие у >
каждой отдельной молекулы зеркальной симметрии.
Это означает, что отражение молекулы холестерика
в зеркале, или, другими словами, молекула, полученная =
отражением в зеркале, отличается от оригинала, исход¬
ной молекулы.
Примерами, иллюстрирующими отсутствие зеркаль- •
ной симметрии, изобилует окружающая нас жизнь. Осо¬
бенно- характерно отсутствие зеркальной симметрии в
живой природе. Поэтому рассмотрим, например, кисть.
руки человека, а точнее, ее подобие, перчатку. будучи
отраженной в зеркале, перчатка отличается от оригина¬
ла, и мы хорошо знаем, в чем дело. Правая перчатка
после отражения переходит в левую и наоборот. Таким,
образом, перчатка обладает некоторым абсолютным,
симметрийным качеством, которое принято характери¬
зовать словами «правый», «левый».
Пример с перчаткой иллюстрирует симметрийное ка¬
чество молекул холестерика (см. рис. 15), которые при¬
нято называть термином «киральность», или «спираль-
ность». «Киральность» молекулы (так же как и в приме¬
ре с перчаткой) может быть левой или правой- Правда,
Щ

Рис. 15. Зеркальное отра¬
жение выявляет симмет-
рийные свойства. Отраже¬
ние сферы тождественно
оригиналу, правая перчат¬
ка при отражении перехо¬
дит в левую
надо сказать, что если в случае перчаток отличие правой
перчатки от левой очень сильное и сразу бросается в
глаза, то для молекул это отличие, как правило, не очень
сильное, т. е. нарушение зеркальной симметрии моле¬
кул невелико. Именно по этой причине и закрученность
молекул холестерика очень слабая и ориентация моле¬
кул меняется очень медленно (по молекулярным Мас¬
штабам) от точки к точке вдоль холестерической оси.
У читателя, очевидно, уже возник следующий вопрос.
Молекулы холестерика бывают левые и правые, а как
обстоит дело с холестерической спиралью, т. е. макро¬
скопической закрученностью ориентации директора?
Бывает ли эта спираль правая и левая? И есть ли какая-
либо здесь связь с «левизной» или «правизной» моле¬
кул, или, как иногда говорят, со знаком киральности мо¬
лекул? Наверное, большинство читателей, по интуитив¬
ным соображениям, ответили для себя так. Если моле¬
кулы левые, то и холестерическая спираль левая, а если
молекулы правые, то и спираль правая. Ответ правиль¬
ный. К нему, в частности, можно прийти из стерических
соображений, т. е. соображений плотной упаковки моле¬
кул в жидком кристалле. Если плотнейшим образом ук¬
ладывать правые молекулы/то они при укладке будут
образовывать правый винт, а левые — левый.
Более того, правильность таких представлений очень
хорошо демонстрируют жидкие кристаллы, молекулы
которых при одном и том же химическом составе могут
обладать двумя изомерными модификациями — одна из
которых правая, а другая — левая. В таких случаях ле¬
54

вый изомер дает холестерик с левой спиралью, а пра¬
вый — с правой. В смеси двух изомеров знак спирали
определяется свойством изомера, концентрация которо¬
го выше. При одинаковой же концентрации изомеров
(50% на 50%) в смеси наблюдается не холестерическая,
а нематическая фаза.
Описанная структура холестериков делает понятным
употребление в связи с их структурой слова «спираль».
Термин же «холестерический» возник потому, что подоб¬
ная структура является характерной для жидких кристал¬
лов, образуемых эфирами холестерина. Того самого хо¬
лестерина, избыточное содержание которого в крови
человека принято связывать с симптомами сердечно-со¬
судистых заболеваний. Холестерическая фаза жидких
кристаллов для некоторых соединений может наблю¬
даться непосредственно выше температуры плавления
кристалла, а для некоторых соединений ей может пред¬
шествовать по температуре смектическая жидкокристал¬
лическая фаза, о которой подробней будет рассказано
ниже. При дальнейшем повышении температуры холе¬
стерическая фаза переходит в изотропную жидкость.
Как мы видим, холестерики устроены наиболее дели¬
катно из перечисленных видов жидких кристаллов. В
этом, в частности, убеждает поведение холестерической
спирали при изменении температуры в области сущест¬
вования холестерической фазы. При повышении темпе¬
ратуры холестерическая спираль закручивается, т. е. ее
шаг р, являясь функцией температуры, уменьшается при
росте температуры. Таким образом, как правило, шаг
спирали оказывается минимальным на верхней темпера¬
турной границе существования холестерической фазы и
максимальным вблизи температуры перехода в кристал¬
лическую фазу. Известны отдельные исключения из
сформулированной закономерности; у некоторых холе¬
стериков наблюдается инвертированная зависимость ша¬
га спирали от температуры, т. е. он возрастает при по¬
вышении температуры.
Так как типичные значения шага холестерической спи¬
рали оказываются порядка длин волн видимого света,
то температурные изменения шага проявляются в силь¬
ной температурной зависимости оптических свойств хо¬
лестерика, поскольку последние, как мы увидим, самым
существенным образом зависят от шага спирали.
Как и выше (в случае нематиков), сначала речь идет
Si

р совершенных, однодоменных холестерических образ¬
цах. Так же как и остальные разновидности жидких кри¬
сталлов, холестерики сами по себе, как правило, склон¬
ны образовывать несовершенные структуры, представ¬
ляющие собой совокупности разориентированных малых
однодоменных областей.
Удивительные оптические свойства холестериков. Как 1
уже упоминалось выше, вся специфика оптических
свойств холестериков связана с их структурой, а именно
спиральным упорядочением молекул в них. Теперь по¬
знакомимся подробнее, почему и как эта спиральная
структура оказывает решающее влияние на оптические
свойства холестериков. При этом удобно воспользовать¬
ся тем, что локально, т. е. в малом объеме, структура
холестерика аналогична структуре нематика. А это зна¬
чит, что направление упорядочения молекул для каждо¬
го значения координаты z (см. рис. 15) характеризуется
■"6—
директором п, а диэлектрические свойства анизотропны,
т. е. ДЕ=ец—6x^0. Только в отличие от нематика ди¬
ректор и тем самым направление диэлектрической ани¬
зотропии изменяются в пространстве, и холестерик мож¬
но представлять себе как «закрученный нематик». Од¬
нако, сравнивая холестерик, например, с твист-тексту¬
рой нематика (см. рис. 8, в), в которой ориентация ди¬
ректора между обкладками меняется на угол яД, сле¬
дует подчеркнуть, что в холестерике на таком же
расстоянии L директор совершает сотни оборотов. Это
означает, что диэлектрические свойства холестерика
периодичны вдоль г. Обратим внимание, что в качестве
периода выступает не шаг спирали р, на котором дирек¬
тор совершает оборот на 2я, а рД, так как ориентация
директора п и —п эквивалентны и период диэлектриче¬
ских свойств холестерика оказываются вдвое меньше,
чем расстояние, на котором директор совершает полный
оборот. Поскольку, как уже говорилось, величина шага
спирали находится в диапазоне длин волн видимого све¬
та, то свет может испытывать дифракцию на периодиче¬
ской структуре холестерика. Причем условия дифракции
аналогичны хорошо известным условиям дифракции
рентгеновских лучей в кристаллах и описываются соот¬
ношением Брегга — Вольфа
2 sin fr ^ —	(4J
а
56
I

Рис, 16. Геометрия дифракции в
нолестерике
Т
где s — целое число, d — период структуры, а © — угол
между направлением падающего пучка света и плоско¬
стью, перпендикулярной холестерической оси (см. рис.
16). Это соотношение определяет направления распро¬
странения света (угол 0), для которого свет с длиной
волны \ испытывает дифракцию на структуре, период
которой равен d.
В случае холестерика в качестве периода d следует
использовать величину рД. При выполнении условия (4)
наряду с падающим на холестерик пучком света возни¬
кает дифракционно отраженный пучок (см. рис. 16). Ес¬
ли падающий на холестерик свет монохроматичный, то
ею дифракционное отражение происходит согласно (4)
только при определенных углах ©. Если же падающий
сввт белый, т. е. немонохроматичный, то при фиксиро¬
ванном угле падения (фиксированном ©) дифракционное
■ нрлжение испытывает свет определенной длины волны/
т е. определенного цвета. В частности, если угол ©=it/2,
а 1лкля геометрия часто используется в оптических ячей¬
ках, то свет, испытавший дифракционное отражение в
холестерике, распространяется в направлении, строго
противоположном направлению распространения пер¬
вичного пучка.
Теперь легко сообразить, что при освещении холе-
»терика белым светом цвет дифракционно отраженного
г ват а будет определять окраску холестерика. Именно
похтому холестерики выглядят ярко окрашенными, при¬
чем их окраска определяется длиной волны дифрагиро¬
вавшего света, которая, в свою очередь, определяется
шагом спирали. Из формулы (4) также следует, что дли¬
на яолны дифракционно отраженного света ‘зависит от
у» »ш падения (и отражения) светового пучка. Отсюда вы¬
текает още одно интересное свойство Видимая окраска
волегтерика зависит от угла его рассматривания, Если
глвв воспринимает свет, отраженный по нормали к по¬
57

верхности образца ^0 = ~j, то в этом случае длина
волны дифракционно отраженного света максимальна.
Если воспринимаются наклонно отраженные лучи, то
длина волны отраженного света оказывается меньше.
Именно поэтому, рассматривая образец холестериче¬
ского кристалла, можно заметить изменение его окрас¬
ки при его поворотах.
Если изменяется шаг спирали, то изменяется цвет от¬
раженного света, что нами воспринимается как измене¬
ние окраски холестерика. Вспоминая теперь, что шаг
холестерика р изменяется в зависимости от его темпе¬
ратуры, легко понять, что от температуры холестерика
должна зависеть (и действительно, зависит) его окраска.
Это свойство холестерика изменять окраску в зависимо¬
сти от температуры находит много важных применений.
Теперь, поняв причину температурных изменений
цвета холестерика, нетрудно вскрыть «секрет» и перст¬
ня настроения, о котором упоминалось во введении, и
пленки, которая определяет чистоту рук. Камешек
перстня настроения представляет собой прозрачное
стеклышко, под которое вделан тонкий слой холестери¬
ка. Его температура, а тем самым и цвет определяются
температурой кожного покрова руки владельца. А по¬
скольку температура кожного покрова связана с эмоци¬
ональным состоянием человека, вот вам и связь «настро¬
ение— цвет перстня».
Такая же разгадка «секрета» и пленки, которая опре¬
деляет, чистые ли у ребенка руки. Эта пленка содержит
холестерик, нижняя, температурная граница интервала
существования жидкокристаллической фазы которого
несколько ниже или совпадает с нормальной температу¬
рой кожного покрова рук человека. Поэтому, нагрева¬
ясь при соприкосновении пленки с руками до темпера¬
туры кожного покрова, холестерик оказывается в жидко¬
кристаллической фазе и дает яркую окраску пленки, ес¬
ли температура рук нормальная, и не дает окраски плен¬
ки, если температура ниже нормальной. После мытья рук
холодной водой их температура всегда ниже нормаль¬
ной. Вот и разгадка «секрета» (см. приложение).
О холестерических пленках, чувствительных к темпе¬
ратуре, не стоило бы здесь говорить, если бы они ни на¬
ходили широкие практические применения. Поэтому рас-
58

Pmi . 11. Медицинский и комнатный термометры на холестериках
скажем подробнее о применении таких пленок и об их
ус (ройстве.
Холестерик на страже здоровья. Зависимость цвета
яолестерика от температуры используется и в более
щнмаичных, но отнюдь не менее важных целях в меди¬
цина. Используя очень высокую чувствительность неко¬
торых холестериков к температуре (например, сущест¬
вуют холестерики, с помощью которых приблизительно
можно заметить изменение температуры в одну сотую
Градуса), можно с их помощью визуализировать карти¬
ну рас проделения температуры человеческого тела. Та-
м«#с информация может быть чрезвычайно полезной, на¬
пример, для выявления скрытых под кожей очагов вос¬
пали t в льных процессов или злокачественных образова¬
нии. Для этих целей используются холестерики, капсули-
рнвднные в тонкие полимерные пленки. Это —пленки, в
объеме которых имеется множество маленьких поло¬
май (диаметром 1—10 мкм), заполненных холестери¬
ном Наложение такой пленки на поверхность тела дает
цветное изображение распределения температуры ис-
\ надуамого участка тела. В некоторых случаях исполь-
|уют для тех же целей специальные пасты, содержащие
волестерик в мелкодисперсном состоянии, нанося ихне-
нсн родственно на кожные покровы.
Очень удобным, дешевым и безопасным показал се¬
ва медицинский термометр для качественного (болен—не
Лилей) определения температуры (рис. 17). Он представ-
М*1 из себя пленку с нанесенными на нее в виде букв
И И 1 двумя холестерическими слоями, имеющими не¬
59

сколько различные, специально подобранные темпера¬
турные интервалы существования холестерической фазы,
так что при нормальной температуре пациента «загора¬
ется» буква Н, а при повышенной — Т. Существуют уст¬
роенные на таком же принципе комнатные термометры,
в которых просто больше градаций и высвечивается циф¬
ра, соответствующая температуре помещения.
Шаг спирали холестерического кристалла оказывается
чувствительным не только к изменениям температуры, но
и к другим воздействиям, в том числе вредным для здо¬
ровья человека. Примером таких воздействий может
быть наличие примесей вредных веществ или воздейст¬
вие ионизирующих излучений. И в том и другом случае
изменение окраски или непосредственный буквенный
сигнал на специально приготовленной пленке, содержа¬
щей холестерик, служит сигналом о превышении допу¬
стимой концентрации вредного вещества или безопасной
дозы ионизирующего излучения.
Визуализация температурных полей носит название
«термография» и, конечно же, представляет интерес не
только для медицины, но и для решения многих техниче¬
ских задач. Перечислим наиболее оправдавшие себя об¬
ласти технических применений термографии с использо¬
ванием холестериков. Это — определение температурных
полей в аэродинамических процессах. В этом случае на
устройство или ее модель, помещаемую в аэродинами¬
ческую трубу, наносится пленка с капсулированным хо¬
лестериком. Анализ цветной картины, возникающей не
пленке в процессе обдува модели, позволяет просто и
достаточно точно определить температурные поля. Ана¬
логичным образом пленки используются для контроля
микроэлектронных схем. В этом случае участки повреж¬
дений схемы, выделяющие избыточное количество теп¬
ла, фиксируются по изменению окраски пленки.
Тот же принцип зависимости шага спирали, а тем са¬
мым и окраски холестерика от температуры использует¬
ся для визуализации электромагнитных полей инфра¬
красного и более длинноволнового диапазона, если
их мощности оказывается достаточно для незначитель¬
ного изменения температуры холестерика. Например,
таким способом может быть выявлено пространствен¬
ное распределение электромагнитного поля в луче ла¬
зера, работающего вне области видимого света, или
зарегистрированы источники инфракрасного излучения.
60

f
н -о
о<н<н
н>н
1'ис. 18. Искажение холестерической спирали во
внешнем поле. Структура холестерика в отсутствие
поля (и), в поле, меньшем критического (б), и в по¬
ле, больше критического (в)
К«и уже отмечалось, шаг спирали холестерика испы¬
тывает изменения не только под действием температу¬
ры, но и других внешних воздействий. Ими могут быть
мпипнические напряжения, ультразвук и уже упоминав¬
шиеся выше воздействия ионизирующих излучений и
нримесои химических веществ. Во всех перечисленных
случаях аналогично сказанному выше эти воздействия
мшу* быть визуализированы.
Холестерической спиралью можно управлять. Специ¬
ального внимания заслуживает поведение холестерика
•и внешнем электрическом или магнитном поле. Если в
случае нематика наложение внешнего поля приводило к
Сравнительно простой переориентации молекул (здесь
речь идет о чисто полевом эффекте, т. е. процессе, не
Сопровождаемом электрическими токами и гидродина¬
мическими потоками), то в случае холестерика измене-
ИИ* ею структуры во внешнем поле может оказаться го¬
раздо сложнее. Например, в случае положительной маг¬
нитной или диэлектрической анизотропии у холестерика
Наложение поля, перпендикулярного холестерической
рСи, приводит к следующим изменениям структуры холе-
Царина (искажениям холестерической спирали). Во-пер¬
61

вых, угол поворота директора перестает быть линейной
функцией координаты вдоль холестерической оси (см.
рис. 18). Во-вторых, увеличивается шаг спирали р. И в-
третьих, при достижении некоторого критического зна¬
чения поля холестерическая спираль полностью раскру¬
чивается.
Такое поведение спирали во внешнем поле связано с
конкуренцией межмолекулярного взаимодействия, кото¬
рое стремится установить геликоидальное упорядочение
длинных осей молекул, и взаимодействия молекул с при¬
ложенным полем, которое стремится сориентировать
длинные оси всех молекул по полю. При не слишком
больших напряженностях поля межмолекулярные силы
препятствуют полному выстраиванию молекул по полю,
однако равномерное вдоль оси вращение директорл
нарушается, и большая часть молекул оказывается ори¬
ентированной вдоль поля или близких к полю направле¬
ниях (см. рис. 18). В поле, превышающем критическое,
взаимодействие молекул с полем оказывается сильнее
межмолекулярных сил. В результате ориентация дирек¬
тора будет одинаковой во всем объеме холестерика и
определяется она только направлением приложенного
поля. Сама же величина критического поля (магнитного)
оказывается равной:
где р—шаг спирали в невозмущенном внешним полем
холестерике,	— магнитная анизотропия и Kz — упругий
модуль кручения холестерика. Изменение шага спирали
во внешнем поле вызывает изменение окраски холесте*
рика, поэтому в принципе может быть использовано для
создания цветных индикаторов. Однако следует сказать,
что в техническом отношении геометрия, в которой и#
планарную текстуру накладывается поле, параллельно*
поверхности ячейки, является не слишком привлека¬
тельной.
Естественный интерес представляют геометрии, в ко¬
торых поле накладывается перпендикулярно поверхнч
сти ячеек. В этом случае, если A%>0, то поле оказыас*
ет дестабилизирующее влияние на планарную холесю
рическую структуру, стремясь развернуть молекулы по
полю. Однако в отличие от рассмотренного случая поли,
приложенного перпендикулярно холестерической 06М
62

•двсь изменения в холестерике носят пороговый харак¬
тер. А именно при малых полях изменение структуры
холестерика не наблюдается, а по достижении полем но^
Которого критического значения планарная текстура хо¬
ле» герика оказывается неустойчивой. Ориентация холе-
»t прической оси оказывается непостоянной как по тол¬
щине ячейки, так и в поперечном направлении, и испы-
1МП.1Щ малые периодические отклонения от нормали к
ячейке. В результате возникает двумерная пространств
пенно периодическая деформация, имеющая вид квад-
рлпюй сетки.
I Причем сторона сетки оказывается приблизительно
равной I pd, где d — толщина ячейки.
1епи поле, перпендикулярное поверхности ячейки*,
накладывается на холестерик с отрицательной анизотро-
миеи Да, Дх<10, то оно оказывает стабилизирующее воз¬
дай» »яие на планарную текстуру. При этом, кроме того,,
ItfMOWHO уменьшение шага спирали, которое связыва¬
ет « »пектрогидродинамическим механизмом. Результат
тивно же и здесь уже в более удобной геометрии прояв¬
им?» я возможность управления цветом ячейки.
Пона что, говоря о холестериках, мы предполагали,
HIP • образце не проявляются электрогидродинамиче-
ы»ме неугюйчивости (за исключением случая Де<0);
0ДМЯНО так же, как в нематике, наложение достаточно
(«МНОГО поля на холестерик приводит к возникновению
ИТДрпдинлмических потоков. Эти потоки так же, как в
(Йучм доменов Капустина—Вильямса, могут быть прост-
MHftMHHO упорядоченными, а могут быть и турбулент¬
ными. | последнем случае в холестерике также наблю¬
дшим я динамическое рассеяние света, в результате кото-
Мгн холестерик сильно рассеивает свет и перестает быть
Н^И4|(йННЫМ»
Динамическое рассеяние света в холестерике может
££й6Аягь существенной особенностью по сравнению с
§§Мя?иклми — оно может обладать памятью. Это озна¬
чав), чго рассеивающее свет состояние холестерика, воз-
ммиик-и результате наложения поля, может сохранять-
»я н п>« по снятия поля. Время памяти, т. е. сохранение
|)#меияяющего состояния, зависит от конкретных свойств
«Мемерикл и может колебаться от минут до многих лет.
(«ИНрвгно, что возвратить холестерик в исходное, т. е.
меи*> • •■пм.имщсе состояние, можно путем наложения на
63

него переменного электрического поля. Описанные свой¬
ства динамического рассеяния в холестерике, или, как
говорят, динамического рассеяния с памятью, представ¬
ляет большой интерес для систем отображения или хра¬
нения информации. Действительно, в этом случае требу¬
ется затрата энергии только для записи или стирания ин¬
формации. Процесс же поддержания изображения или
сохранения информации затрат энергии не требует.
Смектики А и С. Другой разновидностью жидких кри¬
сталлов, представленной многочисленными модифика¬
циями, являются смектические жидкие кристаллы, или
смектики [4]. В этой разновидности жидких кристаллов
степень упорядочения молекул выше, чем в нематиках.
Вначале опишем простейшую модификацию смектиче¬
ских жидких кристаллов.
Если, кай и выше, молекулы изображать черточками,
то схематически структура смектика может быть пред¬
ставлена рис. 19. В смектиках, помимо ориентационной
упорядоченности молекул, аналогичной случаю немати*
ков, существует частичное упорядочение центров тяже
стей молекул. А именно молекулы смектика организова¬
ны в слои. Расстояния между соседними слоями смекти¬
ка фиксированы, что и задает упорядочение слоев, т. е,
частичное упорядочение центров тяжестей молекул. ЧтВ
же касается расположения центров тяжестей молекул •
пределах одного слоя, то оно хаотично, как в жидкости.
Так же как в нематике, черточки на рисунке задают г
редненную ориентацию молекул. Поэтому для описан
смектика также используются введенный выше един»
ный вектор, задающий среднюю ориентацию молви]
т. е. директор п и параметр порядка S.
На рис. 19, а изображена структура спектра А, рази
видности смектических жидких кристаллов, в котор
директор перпендикулярен плоскости слоя. СущесТ!
ют и другие разновидности смектиков, например, хо^НАИМЕНЕЕ ИЗУЧЕННАЯ
РАЗНОВИДНОСТЬ
ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ

111111111111	/////////////A
I M 111111111	//////////////
11111111II11	//////////////
III III III III //////////////
!’ис. 19. Схематическое изображение структуры смек¬
тике
шо известен смектик С, коУорый отличается от смектике
I |вм, что в нем директор не направлен по нормали к
«ни»), а образует с ней некоторый фиксированный угол
(мм, рис. 19, б).
Менее изучены, но существуют и другие типы смек¬
тиков. Например, может осуществляться частичное упо¬
рядочение расположения центров тяжести молекул в
Прада л ах одного слоя, но пока что о них подробней го-
Воришек не будет. Что же является общим для всех
•маитиков независимо от описанных выше деталей их
устройства? Это слабое взаимодействие между слоями,
1, а. слабое взаимодействие молекул, принадлежащих к
различным слоям, по сравнению с взаимодействием мо*
Рам у Л внутри одного слоя. По этой причине смектические
»лни легко скользят относительно друг друга и смектики
на ощупь мылоподобны. Последнее свойство и послу-
милп основанием для их названия, в основе которого ле-
МЫТ греческое слово «смегма» (орц'уца), что означает
ммылон. Смектики аналогично нематикам обладают дву-
иученроломлением света и могут находиться в однодо-
Маином состоянии, описанном здесь, только при приня-
Тми специальных мер. В противном же случае образец
*меи!ического жидкого кристалла, так же как и нематик,
Представляет собой совокупность малых, случайным об-
рмом ориентированных областей с описанным выше
•Динаковым упорядочением молекул только в пределах
РТдельной области.
Ранее при описании фазовых превращений нематиков
рМорилось, что при нагреве кристалла выше температу¬
ры плавления Т,„ возникает нематическая жидкокристал¬
лическая фаза. Для некоторых веществ порядок следо-
Мнмя фаз при повышении температуры может быть иной.
Мри плавлении кристалла сначала возникает смектиче-
Щвв фаза, затем по достижении более высокой темпера-
65

Туры Тsn происходит фазовый переход в нематическую
фазу и только при еще более высокой температуре ее
переход в изотропную жидкость. Для некоторых ве¬
ществ может быть и так, что при повышении температуры
смектика он, минуя нематическую фазу, непосредственно
переходит в изотропную жидкость.
Связь молекулярных и наблюдаемых характеристик.
Описав строение смектика, зададим себе вопрос: «Какие
причины приводят к тому, что структура смектика отли¬
чается от уже известных нам разновидностей жидких
кристаллов, нематиков и холестериков?» Вспоминая, что
в отличие нематиков и холестериков «виновато» отличие
в строении их молекул, естественно заподозрить, что и в
случае смектиков причина особенностей их строения
связана с молекулярными характеристиками образую¬
щих их молекул.
Высказанные «подозрения» оказываются вполне обо¬
снованными. Анализ строения молекул смектогенных со¬
единений (термином «смектогенные» называют химиче¬
ские соединения, обладающие смектической жидкокри¬
сталлической фазой) показал, что для них характерна сле¬
дующая особенность. Так же как молекулы нематиков и
холестериков, молекулы смектиков обладают удлинен¬
ной формой. Однако наряду с жесткой вытянутой ча¬
стью у молекул смектика, как правило, имеются еще
мягкие «хвосты», ориентация которых может легко из¬
меняться по отношению к жесткому остову.
Вот это-то наличие жестких остовов и мягких «хво¬
стов» приводит к тому, что у смектиков реализуется сло¬
истая структура. Так же как в нематике, жесткие удли¬
ненные остовы молекул стремятся сориентироваться
одинаково. Хвосты же остаются несориентированными.
В результате молекулы объединяются в слои, жесткая
часть которых задана остовами молекул, а хвосты моле¬
кул как бы выполняют роль смазки между отдельными
слоями. Вот почему движение одного слоя относительно
другого оказывается сравнительно легким
Слоистая структура смектиков проявляется не только
в том, что они мылоподобны на ощупь, но и во многих
других наблюдаемых свойствах. Так, если на идеально
чистую поверхность слюды нанести каплю смектика, то
можно наблюдать образование «ступенчатых» капель
Каждая ступенька высотой в несколько смектических
слоев. Если подложку, на которой находится капля, СЛОГ-
Ьб

но потрясти, то капля будет колебаться и при этом «сту¬
пеньки» скользят относительно друг друга. Это одно из
прямых доказательств слоистого строения смектиков.
Другое проявление слоистой структуры смектиков
обноруживает себя в упругих свойствах. В направлении,
перпендикулярном смектическим слоям, упругие свой-
it вя смектика подобны упругим свойствам кристалла.
1'пстягивая или сжимая смектик поперек слоев, трудно
(тяк же, как и в настоящем кристалле) изменить рассто¬
яние между молекулами поперек слоев, т. е. толщину
| мппв. Однако из-за того, что упругость в плоскости сло¬
ев у смектика отсутствует (слои легко скользят друг от¬
носительно друга), наблюдать упругость обычными ме¬
тодами, растягивая или сжимая смектик поперек слоев,
не удлотся. Уже при сравнительно небольших напряже¬
ниях растяжения смектик «не хочет» однородно растяги-
ЯЯ1МИ, смектические слои изгибаются и образуется про-
|Тройственно периодическая деформация смектического
образца. В оптической ячейке при этом в поляризован¬
ном (ноте наблюдается красивый периодический узор.
I пи же как у нематика, у смектика анизотропны элек-
Тримоскиа характеристики. Так, электрическая проводи¬
мое »ь поперек слоев меньше, чем вдоль слоев. Причем
ito различие может быть гораздо больше, чем в немати¬
ка. Слоистая структура смектика проявляется и в его ги-
дродинямических свойствах. Однако из-за сложности
• идродинамических свойств и их малой изученности здесь
и них говориться не будет.
Оптические свойства смектиков. Как нетрудно дога¬
даться, оптические характеристики смектиков находятся
I прямой зависимости от их устройства. Так, смектик А
(ем. рис. 19, а), так же как нематик, является оптически
одноосной средой. Это значит, что в нем существует од¬
ни направление (оптическая ось), совпадающее с направ¬
лением директора, для которого показатель преломле¬
ния но пшисит от поляризации света.
Смектики С (рис. 19, б) по своим оптическим характе¬
ристикам отличаются от нематиков, так как являются
двухосными средами. Это означает, что в них существу-
нм двп направления распространения света, для которых
помп тюль преломления не зависит от поляризации. Та¬
ино макроскопически наблюдаемое свойство, оптиче-
• мпи двухосность, является следствием микроструктуры
(Мечников.

Чтобы пояснить связь микроструктуры смектиков с
их оптическими свойствами и отличие этих свойств от
случая нематиков, надо сказать, что ориентационные дви¬
жения молекул в смектике, вообще говоря, отличаются
от ориентационных движений молекул в нематике. Если
в нематике молекулы могут свободно вращаться вокруг
своих длинных осей, то в смектиках в общем случае та¬
кое вращательное движение заторможено. Последнее
означает, что, хотя молекула и может вращаться вокруг
своей длинной оси, однако не все ее ориентационные
положения равновероятны. С наибольшей вероятностью
молекула принимает вполне определенное ориентаци¬
онное положение. Если, учитывая различие свойств мо¬
лекулы по разным направлениям, представить ее не про¬
сто в виде палочки, как это делалось раньше, «h-в виде
дощечки, то предпочтительность определенных ориен¬
таций молекул может быть представлена очень наглядно.
Так, для смектика С она может означать, что плос¬
кости молекул-дощечек ориентированы, например,
преимущественно перпендикулярно смектическому
слою.
Поскольку свет, взаимодействуя с жидким кристаллом,
«видит» усредненную картину молекул, то в случае сво¬
бодного вращения молекул «усредненная» молекула ока¬
зывается осесимметричной, т. е. палочкоподобной, а
при заторможенности вращения «усредненная» молеку¬
ла остается подобной дощечке. А как известно, ан¬
самблю осесимметричных молекул соответствует оптиче¬
ски одноосная среда, а системе молекул, у которых от¬
сутствует ось вращения, соответствует оптически двух¬
осная среда.
Приведенное выше утверждение об оптической од-
ноосности смектика А (рис. 19, а) и двухосности смекти¬
ка С (рис. 19, б) свидетельствует о том, что в первом
случае вращение молекул вокруг длинной оси не затор¬
можено, а во втором случае такое вращение заторможе¬
но»
Кстати, для полноты картины следует сказать, что те¬
оретики достаточно давно предсказывали возможность
существования и оптически двухосных нематиков. Недав¬
но такие двухосные нематики были обнаружены экспери¬
ментально. Это означает, что и в нематических жидки*
кристаллах возможно проявление заторможенности вра»
щения молекул.
ь8

Кроме оптических следствий заторможенности вра¬
щения молекул, в смектике существуют еще очень су¬
щественные следствия этой заторможенности, о которых
рлссклзывается в следующем разделе.
Жидкие сегкетоэлектрики. Пока что обсуждались
простейшие модификации смектических жидких кристал¬
лов — смектики А и смектики С. Как выявили исследова¬
ния последнего времени, существует гораздо большее
число модификаций смектиков, жидких кристаллов, об-
ЛйДпющих слоистой структурой. Различие их между со¬
вой заключается в характере упорядочения молекул в
приделах отдельного слоя. Причем некоторые разновид¬
ное ей смектиков обладают необычными и весьма инте¬
ресными для приложений свойствами, например сегнето-
шемфичеством. Следует подчеркнуть, что сочетание в
одном материале свойств жидкости и сегнетоэлектриче-
(!Вй является уникальным свойством именно смектиков.
Здесь речь пойдет именно о смектиках, обладающих
Hi метоэлоктрическими свойствами, т. е. макроскопи-
Iп. ним электрическим дипольным моментом. До недав¬
него времени сегнетоэлектрические свойства наблюдав
ним, только у кристаллических тел, поэтому обнаружение
ИВ у смектиков, обладающих типичным свойством жид-
И0СТИ — текучестью, было своего рода научной сенсаци-
§У§1
( ущнетвование макроскопического электрического
ДИЛОЛЬНОГО момента у смектика, т. е. в его объеме, со¬
держащем достаточно большое макроскопическое коли¬
чество молекул, связано, с одной стороны, со свой-
нвеми отдельных молекул, а с другой, с обсуждав-
   я выше характером упорядочения молекул в
(ментике С,
Происхождение электрического дипольного. момен¬
те в смектиках связано с тем, что часто образующие их
мплемулы обладают собственным, молекулярным, элек¬
трическим дипольным моментом. Его происхождение
нйу» ловлено тем, что, хотя в целом молекула обладает
нулевым электрическим зарядом, т. е. положительный
•вряд птомных ядер молекулы скомпенсирован отрица¬
тельным зарядом электронов, однако положительные и
н(рицательные заряды в ней несколько сдвинуты друг
йтипгмтяльно друга. Поэтому у молекулы оказывается
0тличной от нуля векторная электрическая характеристи¬
ку «центрический диполъный момент d, направленный
69

Рис. 20. Изменение от ело* м
слою ориентации молекул ■
киральном смектике
вдоль смещения в молекуле положительных зарядов
относительно отрицательных и равный по модулю произ-
ведению эффективного смещения зарядов на их вели*
чину. Естественно, что во всех молекулах определенного
сорта такой молекулярный момент (если он существует)
ориентирован строго определенным образом относи¬
тельно осей молекулы. Например, в используемом нами
образе молекул-дощечек он может быть направлен
перпендикулярно плоскости дощечки и таким образом
лежать в плоскости смектических слоев. Поэтому, каза¬
лось бы, смектики С, молекулы которых обладают элек¬
трическим дипольным моментом, должны обладать мак¬
роскопическим дипольным моментом, т. е. сегнетоэлем-
трическим моментом, который лежит в плоскости смен-

гических слоев и перпендикулярен длинным осям моле-
ИуЛ,
Однако реальная ситуация оказывается сложней и ин-
iпресней. Из всех мыслимых конфигураций реализуются
тлько структуры, обладающие минимумом энергии. В
данном случае речь идет о вкладе электрических взаимо¬
действий в энергию, и соответствующую ее часть можно
пгождествить просто с энергией электрического взаимо¬
действия. Соответствующие энергетические причины
приводят к тому, что направление дипольного момента
я реальном смектике с сегнетоэлектричеством от слоя к
тою изменяется, оставаясь в плоскости слоя, но прецес-
сируя (поворачиваясь) вокруг нормали к смектическим
слоям. В результате возникает спиральная структура,
1Л0ЛН* аналогичная структуре холестерика (см. рис. 20),
Однако с тем отличием, что в смектике директор не пер¬
пендикулярен спиральной оси (оси перпендикулярен ди-
ЛОЛьный момент слоя). Чтобы представить себе такую
пруктуру, которую принято называть киральным смек¬
тиком, следует плоскости на рис. 14 отождествить со
смектическими слоями и считать, что директор на неко-
тнрым угол выведен из плоскости слоев, (При этом рис.
14 и «обряжает вращение вокруг спиральной оси проек¬
ции директора на смектический слой.)
Как понятно, в киральном смектике из-за его только
что описанной спиральной структуры происходит ком-
I	Лвисация сегнетоэлектрического момента отдельных
|	слоев и непосредственно в электрическом моменте
мм с нимою смектического образца его сегнетоэлектри-
че» нно свойства не проявляются. Понятно также, что в
соответствии со сказанным электрическая энергия взаи-
мидеиг гния дипольных моментов в киральном смектике
меньше, чем в гипотетической смектической структуре
С Параллельными дипольными моментами всех слоев.
Однако существует возможность обнаружить сегнето-
•мтмирический момент кирального смектика, если каким-
tmfiM образом раскрутить описанную спираль. Наиболее
trierтяенно попытаться сделать это, наложив на кираль-
ныи смектик электрическое поле, перпендикулярное оп-
тичегиой оси. Эксперимент показывает, что таким обра-
■нм действительно можно раскрутить молекулярную
гнирлпь. Более того, что имеет непосредственное отно-
I in'  к теме нашего рассказа, наложение поля резко
Иамвииег оптические свойства кирального смектика, Это
71

демонстрирует еще раз, как тесно структурные харак¬
теристики жидких кристаллов связаны с их оптическими
свойствами.
Связь рптических и структурных свойств сегнетоэлек-
трических смектиков. Прежде чем говорить об измене¬
нии оптических свойств киральных смектиков в прило¬
женном поле, следует сказать несколько слов об опти¬
ческих свойствах киральных смектиков, не искаженных
внешними воздействиями. Из-за подобия структур ки¬
ральных смектиков и холестериков следует ожидать,
что они обладают очень похожими оптическими свойст¬
вами. Так оно и есть на самом деле. Даже, более того,
для распространения света вдоль спиральной оси опти¬
ка киральных смектиков оказывается полностью анало¬
гичной оптике холестериков. Это значит, что так же как
в холестериках, проявляется селективное отражение
света круговой поляризации, наблюдается зависимость
от длины волны вращения плоскости поляризации ли¬
нейно поляризованного света и т. д. Тут, однако, надо
заметить, что у большинства известных киральных смек¬
тиков шаг спирали оказывается больше, чем у типичных
холестериков, и лежит в диапазоне длин волн инфракра
сного излучения. Поэтому для них соответствующие эф¬
фекты имеют место в инфракрасном диапазоне.
Для света, распространяющегося под углом к оси
спирали, аналогия оптических свойств имеет место, но
оказывается не такой полной, как при распространении
вдоль оси. Так, если в холестерике сильное дифракци¬
онное рассеяние имеет место только в первом поряд¬
ке (s=1 в формуле (4)), то в киральном смектике силь¬
ными оказываются два порядка дифракционного отра¬
жения (s=1,2 в (4)).
В электрооптике киральных смектиков еще больше
отличий of. электрооптики холестериков. Это связано с
тем, что механизм влияния электрического поля на
структуру кирального смектика оказывается более слож¬
ным. Если в случае холестерика механизмом этого влия¬
ния оказывается только анизотропия диэлектрических
свойств Де (здесь мы не говорим об электрогидроди-
намических неустойчивостях), то для сегнетоэлектричвс»
ких смектиков также существенное и даже в большин¬
стве случаев определяющее значение имеет взаимо¬
действие дипольного момента с внешним полем. В свя¬
зи с этим характер искажения молекулярной спирали в

мм ми дли них будет также иным. Например, в поле, пер¬
пендикулярном спиральной оси, картина искажения от»
имчлпи я от холестерической (см. рис. 18) тем, что один
ннлуиимж спирали (на котором дипольные моменты
т-мвшмчоских слоев смотрят по полю или почти по по¬
лю) увеличивается за счет второго полувитка (на котором
динмльные моменты направлены против или почти про¬
тив ммпи). Такое несимметричное искажение спирали
ивутловлоно тем, что энергетически более выгодным в
мнив оказывается направление дипольных моментов, по
вивмнжности более близкое к направлению приложен-
Mflf II ПОЛ Hi
При достаточно сильном поле, больше критического
lei происходит раскрутка спирали. Однако в отличие
ДТ колес, ториков при этом может образоваться не со-
имииио с постоянным направлением директора (вдоль
(Мрля) во всем объеме, а двухдоменное состояние. В
мим два участка с постоянными, но различными направ¬
лениями директора разделены доменной стенкой, уз-
к..ч областью вдоль спиральной оси, в которой происхо¬
ди? Йьл фый переход ориентации директора от одного
Направления к другому. Для того чтобы реализовалось
fiNne сосюяние, возникающее из-за конкуренции ди-
вмеи i|ммпи кого и дипольного механизмов взаимодейст-
вив, приложенное поле не должно быть намного боль¬
ше критического, так как описанное двухдоменное со-
Кйвние оказывается энергетически выгодным в срав¬
нительно узком интервале полей, непосредственно выше
If При дальнейшем увеличении поля смектик, как и хо-
Нанярик, переходит в однодоменное состояние с посто-
анмни во всем объеме ориентацией директора.
И* сказанного видно, что смектики проявляют наибо¬
лее многообразные оптические свойства по сравнению
I дру т ими жидкими кристаллами, так как их многочис-
Mt.nm.ip разновидности как частные случаи обнаружива¬
ют оптические свойства, присущие другим видам жид¬
ки» ирис галлов. При этом следует сказать, что здесь
Нбтуждались оптические свойства еще не всех разно-
§НДНвстей смектических кристаллов. Например, ничего
говорилось о разновидности смектиков, у которых в
§fдельных слоях существует трансляционное упорядо-
иение молекул наподобие плоской решетки (двумерно-
т н и|Щ( t алла).
И целом смектики представляют собой наименее ис-
.73

еследованную разновидность жидких кристаллов. Поэто-
I му несмотря на то, что перспективы их технических при¬
менений (особенно сегнетоэлектрических смектиков) вы-
кглядят многообещающими, пока что в приложениях они
• используются меньше, чем холестерики и нематики.
Ввиду отмеченной сравнительно слабой изученности
• смектиков, а также упомянутой перспективности их для
г приложений исследование оптических свойств смектиков
? является особенно насущным, поскольку существенная
► часть информации о свойствах смектиков получается
t именно на основе оптических исследований.
«Бумага» из смектика. Хотя выяснение наиболее эф¬
фективных приложений смектиков еще впереди, тем на
. менее уже и сейчас можно перечислить ряд интересных
■ применений смектиков, основанных на их оптических
г свойствах. Так, ранее говорилось о динамическом рае*
• сеянии с памятью в холестериках. Теперь нужно доба¬
вить, *что оптимальные характеристики этого рассеяния
«наблюдаются у холестерико-смектических смесей. Смак*
Ттики также могут быть использованы для записи инфор-
.«мации с помощью светового луча, в частности голо
лрамм (рис. 21). В этом случае изменение оптических ха¬
рактеристик совершенного планарного смектического
«образца осуществляется в результате теплового эффеи-
та, вызываемого светом. Под действием повышения ТЯАМ
кпературы в местах засветки смектика лучом светя
■(происходит фазовый переход смектика в изотропную
жидкость, либо в нематическую или холестерическую
«фазу. При этом после прекращения действия света, воя-
• вращаясь в исходную смектическую фазу, засвеченные
'•участки уже не образуют совершенную смектическую
«структуру, а оказываются многодоменными. В резуль¬
тате нарушается оптическая однородность смектика и
«становятся видимыми участки, подвергнувшиеся >01*]
.действию света, т. е. происходит запись информации й
:этом случае, образно говоря, бумагой служит смеши
ческая пленка, роль карандаша выполняет луч лазоря,
'В отличие от обычной такая бумага может быть испопь
зована многократно, поскольку существует простой с炙
соб стирания записанной информации. Аналогично тому|
как в случае динамического рассеяния с памятью ■ хн
лестериках, для стирания информации на смектик следу¬
ет подействовать переменным электрическим пол*М|
которое восстанавливает совершенную структуру смен-
74
I

- Однородная фаза
jsft
т
т
I'm 21, Схема процесса записи информации на
• м«и1ич*ской пленке
УИЧескои пленки. Возможен и другой способ стирания
Ийфнрмпции. Можно нагреть всю пленку до темпера-
*уры кыше точки фазового перехода, а потом медлен¬
на шмпдип. ее. При этом оптическая однородность плен-
МИ восстановится, и «бумага» готова для повторного
употребления.
ГЛАВА VI
НОВЫЕ ЗАГАДКИ
ХОЛЕСТЕРИКОВ
Две стороны познания. Итак, прочитав предыдущие
«ляпы книги, вы уже познакомились с основными разно-
§мд1нн1«ми жидких кристаллов, их наиболее важными
К интересными свойствами. Может показаться, что те-

я
1/2
/ V
Рис.. 22 Частотная зависимое)*
коэффициента отражения R дня
совершенного холестерического
слоя: толстый образец — сплош*
ная кривая; тонкий образец
штриховая.
перь почти все вопросы о жидких кристаллах исчерпд-
ны. Но, увы. В том-то и состоит диалектика познания,
что, чем больше знаешь о предмете, тем больше мож*
но задать новых вопросов. И вот эта диалектика поэма
ния, наверное, заставила мыслителя древности на скло*
не лет выразить этот тезис в крайней формулировки:
«Я знаю то, что ничего не знаю».
Прекрасный пример, иллюстрирующий отмеченное
свойство процесса познания, дают исследования свойств
холестерических жидких кристаллов. Чем детальней их
изучали, тем больше и больше недоуменных вопросов
можно было задать по поводу их свойств. Перечислим
только некоторые из них. Почему холестерики гораздо
сильней всех известных веществ вращают плоскость по¬
ляризации' света? Почему направление вращения пло
скости поляризации света зависит от длины волны свв«,
та? Почему в поглощающем свет холестерике для спи
та определенной длины волны поглощение может ис¬
чезнуть? Наконец, что происходит с некоторыми холев»
териками вблизи температуры перехода в изотропную
жидкость, где, по данным эксперимента, возникает жид*
кость с трехмерной пространственной периодичностью,
или, как ее называют, «голубая фаза»?
Знакомясь ниже с ответами на перечисленные вопя
росы, вы убедитесь, что это далеко не последние u<>n
росы об удивительных свойствах холестериков.
Дифракция света и оптические свойства холестери¬
ков. В главе IV речь шла о сравнительно грубых опти*
ческих эффектах в холестериках, объяснения которых
не встречали больших затруднений. Однако существуют
и более тонкие оптические эффекты, для объяснен*»
которых требуется более глубокое проникновение •
особенности взаимодействия света с холестериками К
их числу относится, в частности, упоминавшийся эффым
76

<4HMi ммоети направления вращения плоскости поляриза¬
ции (вмгя и величины удельного вращения в жидких
мримялллх от длины волны света. Другое необычное
»вмИ1 ни холестериков состоит в том, что если на пла-
««•рныи холесгерический слой перпендикулярно его по-
• нр«inи tи падает луч света, то свет одной круговой пО-
лярм шции проходит через слой, не ослабляясь, а свет
претивши» ложной круговой поляризации испытывает
шнынте дифракционное отражение, если его длина вол¬
ны Ализив к шагу холестерической спирали р. Сущест¬
венно, что отражение испытывает свет правой круговой
пннврихйции, если холестерическая спираль правая (т. е.
•вря |у«ч правый винт), и левой круговой поляризации,
■4Ни Ширяль левая. Причем, если в обычном отражении,
ИАЛримяр при отражении от зеркала, правополяризован-
нын • <и*1 после отражения становится левополяризован-
ным и наоборот, то при отражении от холестерика знак
ярутпяои поляризации не изменяется, т. е. правая поля¬
ризации остается правой, а левая левой.
Оказывается, и эти явления, подобно зависимости
ММр(нми холестерика от шага спирали, объясняются ди-
Фмициеи света на периодической структуре холесте¬
рин# Однако для их объяснения и описания недоста-
♦ нннн использовать только соотношение Вульфа-Брег-
i«, и требуется привлечение более сложных формул.
Следует сказать еще об одном свойстве холестери-
мпюроо не находит своего объяснения в простей¬
шем теоретическом описании дифракции, приводящем
R фермулв Вульфа-Брегга (4). Речь идет о том, что сог-
нано■ 1|н>рмуле (4) дифракция света фиксированной ча-
> иты ы ((фиксированной длины волны Я) имеет место
Мри Ifporo определенном угле ®, определяемом фор¬
мулой (4). Если же угол падения света фиксирован, то
Щ ше формула (4) приводит к выводу, что дифракция
»#■!# должна иметь место для строго фиксированной ча-
мн»ы (л. Опыт же показывает, что при фиксированной
щ*>ти«м ди(|)ракция света в холестерике происходит в
МИНером интервале углов Д0 в окрестности угла 0,
(Жрвдъииомо! о формулой (4). Аналогично при фикси-
риеяммпм угле ® дифракция света происходит в интерва¬
ле МВт jut Ain и окрестности со.
Stin интервал частот Асо (или углов А®) в холестери-
ti принято называть областью селективного отражения,
tperue теоретическое рассмотрение показывает, что

я
^ис. 23. Изменение во времени направления вектма элек¬
трического поля для света правой (а) и левой (о) круго¬
вой поляризации -
-lsBuatfaduo винэжеско о-юнашмэиээ ихэеидо ениьиие*
ся анизотропией локальной диэлектрической проницав»
мости холестерика As а= ец — ъх, Например, при нор¬
мальном падении Дсо/и = 1/1^1 — 8 — 1/|/1 -)- 8, где 8 —
ь= 2Де/(ецН- ех)-
Прежде чем попытаться разобраться в этих на пер*
вый взгляд загадочных оптических свойствах холестери»
ка, напомним читателю, что такое круговая поляризЫ
ция света. Раньше мы говорили о линейно поляризован^
ном свете, у которого электрическое (и соответственно
магнитное) поле в любой точке вдоль направления рас»
пространения света лежит в фиксированной плоскости
(см. рис. 1). (Соответствующая плоскость для магнит»
ного поля перпендикулярна плоскости электрического
Поля.) Для света круговой поляризации электрическое И
магнитное поля не остаются лежащими в фиксированной
плоскости. Если в фиксированной пространственной то»
Чке следить за тем, как меняется во времени величин!
м направление электрического поля для света кругоаи
поляризации, то окажется, что абсолютное значение м(М
Пряженности поля не изменяется во времени, а измени»
ется только его направление. При этом конец вектор!
напряженности электрического прля (если его начал!
поместить в фиксированную точку) описывает окрум»
ность (см. рис. 23) ровно за период волны, т. е. за ври
мя Т=2п/а, где to — частота света, вращаясь по часо<
вой стрелке в случае правой круговой поляризации I
Против часовой стрелки для левой круговой поляри)в<
ции. Описанная картина поведения поля делает пони»

ИЫМ происхождение терминов «правая», «левая круго-'
»ЙЧ I in И мри 1Г1ЦИЯ».
Аналогично* вращение вектора поля происходит и^
щ ни»! 11 ни it I во. Если фиксировать время и следить за*»
ннводвмием конца вектора поля в электромагнитной4
•млн*, к» окажется, что конец вектора описывает полный'4
ннимрщ при перемещении вдоль направления распро-'
  и* свега ровно на длину волны с правым и ле—
•ым врищпиипм для правой и левой круговых поляриза-'
цми «nnmmc 1венно. Это значит, что мгновенное распре-'
нвнвиш> поли в пространстве представляет собой левую1
ширит, для левой и правую — для правой круговых*
пиияри1вций|
Описание круговых поляризаций делает понятным*4
МЭйМчне ко взаимодействиях света различных круговых 4
ММяримций с холестериком. Действительно, если дли-‘-
ИЯ >м1шы t eoto совпадает с шагом холестерической спи-4-
ряям, и» мруктура поля для одной круговой поляризац¬
ий (|©Й, для которой направление вращения поля сов-4/
ИМЯ** 1 нлправлением вращения в холестерическойР
Ширяли) оказывается «согласованной» со структурой хо-;-
л«»ippnim, а для другой круговой поляризации резкой
РМичяем я от этой структуры. В результате свет одной?
ним. ияямной круговой поляризации испытывает диф^'
ряяцмю я холестерике и отражается от него, а свет дру%'
НМ ИруI овой поляризации дифракции не испытывает4 и**
лрншди! порез холестерик, не ослабляясь.
Ррмцани* плоскости поляризации. Теперь попытаем--
(Я п..м.т. частотную зависимость направления вращения 1
Митин, in поляризации и величины вращательной спо--
• М0Ц.Н 1и холестерика. Типичная, наблюдаемая в холе- -
ЦВрнчесиом слое частотная зависимость вращения пло-‘-
>нп, и, поляризации света приведена на рис. 2. Приве- •
Дйннян зависимость находит естественное объяснение,»
§Шм, мяк мы делали выше для нематического слоя,*,
рязлпжпи. амплитуду световой волны на входной по--
••речи, 1 и холестерика по так называемым собственными
Щйлям, а потом с учетом различия фазовых скоростей?
»иймвинных волн найти поле световой врлны на выход--
ИЙЙ (швврхности холестерика. Результат такой процеду--
»tfci для холестерика будет совсем иным, чем для нема- *
!«»** Ни ппрвых, потому, что в случае нематика собст- •
1ЙИПЫ1, нолны являются линейно поляризованными, а
ЦП* йвлостерика собственные волны обладают круговы¬

ми поляризациями, б частнбсти, в нёма1хкё поляриэл
ция света остается линейной только для разности ходя
собственных волн, кратной я (см. формулу (2)) или при
совпадении поляризации падающей вОлны с одной из
собственных поляризаций. В холестерике же поляриэл
ция света остается линейной при любой разности хода
собственных волн и любой ориентации плоскости поляри¬
зации падающего света, а изменение ориентации плос¬
кости поляризации свёта, ее вращение, задается углом
ф, который точно совпадает с разностью хода, т. е. опи
сывается формулой вида (2):
<? = —(#£ — Пк)Ь	(0),
с
где tiL и п%— показатели преломления лево- и пра*
вополяризованной волны при любой ориентации пло¬
скости поляризации света на входной поверхности холе»
стерика.
Другое отличие состоит в том, что в холестерике ■
области селективного рассеяния существуют две собст»
венные волны с дифрагирующей круговой поляриэа»
цией. Одно из отличий этих волн заключается в том, что
они обладают различными фазовыми скоростями. Это
и приводит к тому, что величина удельного вращения и
даже направления вращения зависит в холестерике от
частоты света. Дело в том, что при падении на него све¬
та извне в холестерике возбуждаются обе собственные
волны дифрагирующей круговой поляризации. Однако
в зависимости от частоты происходит изменение соотно
шения амплитуд возбуждаемых собственных волн, таи,
что с одной стороны области селективного отражение
возбуждается преимущественно одна собственная поп
на, например, медленная, а с другой стороны области св*
лективного отражения — другая, быстрая.
Если теперь учесть, что фазовая Скорость недифре-
гирующёй собственной волны с противоположной кру»
гОвой поляризацией (для определенности будем СЧМ
тать ее левой) не зависит от частоты, то станет понят¬
ным, что знак разности Пц—т в формуле (6) ока¬
зывается различным по обе стороны от области селек¬
тивного отражения, что и соответствует различным нА«
правлениям вращения плоскости поляризации. В иски
торой же промежуточной точке, как предсказьтле!
ВО

ч»м и и подтверждает эксперимент, вращение просто
©веет.
Иуд* исчезло поглощение! Еще одно удивительное
пн Iми холестериков проявляется также в области се-
(I ((«кого отражения и обнаруживает себя в аномаль-
* поглощении света. А именно для Определенной ча¬
ты света в холестерике может полностью исчезнуть
мощение света и слой холестерика, совершенно не¬
мрачный для света выше температуры перехода в
ироимую жидкость, оказывается прозрачным для све-
• холестерической фазе. Это свойство холестерика
we связано с дифракцией света на холестерической
рели и объясняется тем, что поле электромагнитной
1мы в холестерике в условиях дифракции существен-
ятличяется от плоской волны ei(kr — u>t) (где
волновой вектор света), которая описывает расп-
Иренение света вне дифракции. В условиях дифрак-
I поле электромагнитной волны представляет собой
Мрпоэицию двух плоских волн е1кт и е'к,г, где — k
новой вектор первичной волны, а кл — волно-
I ван юр дифрагировавшей волны. Напомним, чтр
)|1в>ление волнового вектора задает направление
>нрп<(ранения волны, а его величина связана с дли-
) ввлны света Я соотношением | k | =2л/л. Как уже от-
МЛОСЬ, волна дифрагирующей поляризации в холесте-
ie пбладает пространственной структурой, согласо-
 с холестерической спиралью. Если найти суммар-
I влектрическое поле двух плоских волн, описываю-
а (вет дифрагирующей поляризации, то окажется, что
бдмой границе области селективного отражения элек-
ншгкое поле в любой точке направлено вдоль дирек-
М (длинной оси молекул холестерика), а на другой
Мице — перпендикулярно директору, т. е. длинным
|М молекул. Описанная структура поля объясняет ис-
щпвечие поглощения света в холестерике на некото-
I и л с: готе.
Действительно, все станет понятным, если сказать,
I 9ПИС лнное исчезновение поглощения света может
1лм)дятьен только в случае дихроичиых молекул, т. е.
пен ум, поглощение света в которых зависит от поля-
(ВЦии волны и о которых уже упоминалось при рас-
(ве об эффекте гость-хозяин в нематиках. В таких
Дёиулех поглощение оказывается максимальным, если
81

поле в волне (поляризация) направлено вдоль опреда-
ленного направления в молекуле, например вдоль о»
длинной оси, и полностью отсутствует, если поле перпен¬
дикулярно этому направлению. В этих молекулах, как го*
ворят, имеет место вполне определенная ориентация
осцилляторов поглощения, что к приводит к дихроиз¬
му, т. е. поляризационной зависимости поглощений!
Поэтому, если в холестерике поле световой волны тако¬
во, что оно всюду перпендикулярно осцилляторам по¬
глощения молекул, то поглощение света должно исчя-
зать. Именно такая благоприятная структура поля и
может реализоваться в холестерике при частотах своя,
совпадающих с границами области селективного отра¬
жения, так как в типичной ситуации осцилляторы погло¬
щения направлены вдоль длинной оси или перпендику¬
лярны ей. Причем, как уже ясно читателю, в зависимо¬
сти от ориентации осцилляторов поглощения в молоку
ле исчезновение поглощения происходит либо на КО*
ротковолновой, либо на длинноволновой границе обла¬
сти селективного отражения. Частотное же положения
эффекта исчезновения поглощения содержит инфор»
мацию о том, как ориентированы осцилляторы поглм
щения в молекулах холестерика.
Для читателей, знакомых с дифракцией на кристал¬
лах рентгеновских лучей, можно добавить, что исчезно¬
вение поглощения света в холестерике является анало¬
гом известного в дифракции рентгеновских лучей эффек¬
та Бормана. Последний, как известно, состоит в подав¬
лении поглощения рентгеновских лучей в условиях ди<|‘
ракции и также связан с образованием в кристалле ий
двух плоских волн конфигурации поля рентгеновски)
лучей, которая не испытывает поглощения.
Вращение плоскости поляризации света в изотрет
ной жидкости. Можно задать вопрос, остаются ли каким
либо следы удивительных оптических свойств холестм
риков в изотропной жидкости, в которую переходят хо¬
лестерики при их нагреве выше точки перехода? Оказьн
вается, остаются, и их можно наблюдать. Как известно,
наиболее характерной особенностью фазовых перехо*
дов в жидких кристаллах является их близость к фазо¬
вым переходам второго рода. Это означает, что соот¬
ветствующие фазовые переходы являются переходами
первого рода, однако теплоты переходов и изменении
параметров, существенно определяющих энергию ф||И
82

«(нм очень малы, так что в процессе перехода про¬
кис и особенности, характерные для фазовых пере-
н второго рода. В первую очередь это относится к
му проявлению предпереходных флуктуационных
•ни, характеризующих именно переходы второ-
|да
Отношении фазового перехода изотропная жид-
n — холестерик. Изложенные общие соображения
чанн, что в изотропной жидкости при приближении
*>paiypt»i к точке перехода должны флуктуацион-
обралом развиваться и исчезать области, характерн¬
ом холестерическим упорядочением (параметром
дна). Причем времена их существования и размеры
ут по мере приближения к точке перехода в холе-
мческую фазу. В этих областях, если их размеры еще
ИТЯТОЧНО велики, чтобы говорить о возникновении
ИМерической спирали в прямом смысле этого сло¬
ем не менее реализуется ближний ориентационный
ЦОИ холестерического типа. Это значит, что на раз-
11, которые могут быть гораздо меньше шага холе-
Мческой спирали, флуктуационно возникает холе-
МНОСКое упорядочение ориентаций молекул. Это
ИЦОчение можно сравнить с появлением и исчезно-
Юм ■ изотропной фазе произвольным образом рас-
•жчннмх и ориентированных «кусков холестеричес-
Спирлли», корреляция между которыми отсутствует
осстояниях, больших длин корреляции 1.
оественно, возникает вопрос, как описанные флук-
ионные явления проявляются в оптических характе¬
рах и, в частности, во вращении плоскости полярн¬
ой * изотропной фазе вблизи температуры перехо-
Учитывля аномально высокую вращательную спо-
Мбсть холестерической фазы, следует ожидать, что
«ядппреходной области при развитых флуктуациях в
ропной фазе будет проявляться сильное вращение
1ИОСТИ поляризации света, превосходящее обычное
якулярное вращение плоскости поляризации. Одна-
in ми для холестериков практически всегда можно
9 полностью пренебречь собственной оптической ак-
0( тью молекул и связывать его с ориентационным
тядочением молекул, то в изотропной фазе, вообще
||1и, it ого делать нельзя. По крайней мере, ясно, что
ля пренебрежение недопустимо достаточно далеко
(вмиературе) от точки фазового перехода.
83

Рис. 24. Температурная завш и
мость вращения плоскости поля*
ризации света в холестерике «Ы>
О	Т-Т ше точки перехода Тс в иш
с тропную жидкость
Обсудим, какого типа и порядка величины эффект
вращения плоскости поляризации следует ожидать •
изотропной фазе. Поскольку вращение плоскости поля
ризации определяется разностью показателей прелом*
ленияWr и Hi для правой и левой круговых поляризаций
света, то задача сводится к отысканию поправок к этим
величинам, обусловленным холестерическими флуктуа¬
циями в изотропной фазе. Поскольку размеры областей1
флуктуационного упорядочения малы, не превышают
200А, то ясно, что в каждой отдельной такой области
влияние холестерического порядка проявляется слабо?
В частности, оказываются малыми эффекты многократ*
ного рассеяния, и взаимодействие пучка света с отдель¬
ной флуктуацией можно описывать, используя простое
кинематическое приближение, не прибегая к упоминая
шимся ранее более точным решениям уравнений Макс¬
велла. Отмеченные свойства отдельной флуктуации вов¬
се не предполагают малости «холестерического эффек¬
та» во всем образце, так как большое число флуктуи¬
рующих областей может компенсировать малость эф
фекта на отдельной области. В целом же проявляющий
ся эффект должен характеризоваться усредненными
характеристиками флуктуаций и, в частности, их разме¬
рами, т. е. величиной длины корреляции.
Выполненные экспериментальные измерения предпе-
реходного вращения плоскости поляризации в изотроп
ной фазе (см. рис. 24) хорошо согласуются с приведем
ными соображениями и дают корневую по температуре
расходимость оптического вращения при приближении м
точке перехода, т. е. зависимость угла вращения от тем¬
пературы 7 вида l/к Г— Тс. Это означает,что наблюди»
мая особенность связана с температурным поведением
84

ЦйМММ корреляции £, которая согласно теории как раз
и МйАДВет корневой особенностью. Универсальный ха-
(МИН«|« наблюдаемой зависимости демонстрирует то(
им (еммвртурное поведение лредпереходного враще¬
нии ншн кости поляризации для различных веществ опи-
• • I. щ одной и той же температурной зависимостью.
I елубав фаза — загадка, которой сто лет. Еще в на¬
чали вена уже упоминавшийся ранее немецкий ученый
обнаружил, что в узком температурном интерва-
ив (и..,.«дна |") вблизи точки перехода изотропная жид-
«инь ■« холестерик некоторые вещества обладают про-
мемуюннои фазой, отличной от изотропной жидкости и
М •*««•« I прической фазы [3]. Впоследствии наблюдения
ММенв подтверждали многие исследователи и, в част¬
ники английский исследователь Грей, который дал
МЦАнна атому промежуточному состоянию «голубая
ФМА*|
Некоторые исследователи даже считают, что первое
|р(МДбиие жидкокристаллического состояния перво-
fftflueet и т. жидких кристаллов Рейнитцер провел имен¬
ии ия голубой фазе. Несмотря на такой солидный воз-
МП открытия, до самого последнего времени голубая
■fit ж (явилась загадочным состоянием. Долго подвер-
»§и»=« сомнению сам факт ее существования. И только
| ММое последнее время достигнут прогресс в установ¬
лении ее природы, причем наиболее эффективными
■ПЭДвми изучения оказываются оптические иссле-
ЦИ1 АНИН,
Прежде чем переходить к изложению представлений
§ ирчр. .до I олубой фазы, опишем наблюдаемые на опы-
II |Ж»йстве этой фазы. Итак, эта фаза наблюдается у
Мйфтпрых производных холестерина, существует в уз-
ММ температурном интервале между изотропной жид-
Mtfwie и обычной холестерической фазой. Причем ее
Ннте наблюдать именно при понижении температуры,
V в дяшаии. по температуре от изотропной жидкости.
Мжйериментально установлено, что для голубой фазы:
1) |ущогтаует селективное рассеяние света в види-
мин чеки спектра, в связи с чем эта фаза представляется
|§йуВпвато окрашенной, откуда и произошло ее наз-
ваннв Во многих случаях в ней видны ярко окрашенные
АВйеииночки»; 2) проявляется сильная оптическая ги-
цицтнни, I. е. вращение плоскости поляризации света;
Р нпуп твует двупреломление, т. е. она как обычная
8S

жидкость оптически изотропна; 4) фазовый переход от
изотропной жидкости в голубую фазу термодинами¬
чески аналогичен переходу изотропная жидкость — хо¬
лестерик.
Изложенные факты позволяют считать твердо уста¬
новленным высказанное еще Леманом предположение,
что голубая фаза представляет собой новую разновид¬
ность жидких кристаллов и не является просто специ¬
фической текстурой холестериков. То, что потребовалось
столь долгое время для признания голубой фазы как
самостоятельного фазового состояния жидких кристал¬
лов, является следствием необычных физических свойств
этого состояния, в частности, того, что оно термодина¬
мически стабильно в очень узком температурном интер¬
вале порядка 0,5—1 градуса, однако может быть пере¬
охлаждено на несколько градусов ниже температуры
фазового перехода. Более того, есть основания считать
по калориметрическим и оптическим измерениям, что в
пределах этого узкого интервала термодинамической
устойчивости осуществляется фазовый переход между
тремя различными и термодинамически устойчивыми
фазами.
Характер молекулярного упорядочения в голубой фа¬
зе нельзя считать еще окончательно установленным. Об¬
суждается несколько различных возможностей, однако
проводимые в настоящее время интенсивные экспери¬
ментальные и теоретические исследования дают основа¬
ние надеяться, что в ближайшее время загадка голубой
фазы будет решена. Здесь же стоит подчеркнуть, что
независимо от того, какая (или какие) из обсуждаемых
возможностей структуры голубой фазы реализуются в
природе, голубая фаза дает пример необычно интерес¬
ного и весьма сложного структурного состояния, изуче¬
ние физики которого интересно с точки зрения самых
общих позиций и значение полученных здесь результа¬
тов оказывается шире собственно проблемы жидких
кристаллов как таковой.
Возможная структура голубой фазы была предложе¬
на еще в 1969 году немецким исследователем А. Заупе.
Основываясь на наблюдаемой оптической изотропии, он
предположил, что в голубой фазе реализуется объемно
центрированная кубическая решетка точечных дефек¬
тов ориентации директора и, исключая непосредствен¬
ную окрестность этих дефектов, локальная конфигура-
86

I /
А
У
X
У \
/ . ✓ Щ \ 1
111 111
1 Ш -V /
'кдя1
111 ЯИ» я •
l /
1 1
| 1 11 11 11
\ ~ ' 1
>ASz~J's
111 Ч'*.11
1’ие.	25.	Модель возможной кубической структуры,
голубой фазы а) элементарная ячейка кубической ре«
шетки, б) распределение директора в сечении, еов‘
падающем с гранью элементарной ячейки
ция директора подобна конфигурации в обычной холе-
«терической фазе (рис. 25).
Предположения о структуре голубой фазы подтвер-
ждпются и другими оптическими измерениями- В частот¬
ны к зависимостях пропускания света образцами для го¬
лубых фаз проявляется наличие нескольких порядков
брегговских отражений в виде минимумов пропускания
для определенных частот. Интересный вывод делается в
связи с наблюдаемой температурной зависимостью ли¬
нейных размеров элементарной ячейки голубой фазы.
Для нее размеры элементарной ячейки убывают с ростом
температуры.
Поскольку соответствующая структура образована
«дефектами» в поле параметра порядка (директора), то
•то наблюдаемое уменьшение параметров решетки с
повышением температуры заслуживает особого внима¬
ния. Такое температурное поведение размеров решетки,
•• сжатие, а не расширение, как в обычных кристаллах,
при повышении температуры согласуется с поведением
решетки дефектов, известной для твердотельных объек¬
тов. Оказывается, что решетка дефектов в отличие от
обычных кристаллических решеток должна испытывать
температурное сжатие, а не расширение при повышении
|»мпературы.
Изложенное выше состояние исследований голубой
«разы холестерических кристаллов даже при их явной
незавершенности показывает, что голубая фаза пред¬
87

ставляет собой чрезвычайно интересный объект для фи¬
зики фазовых переходов. Кроме того, эти исследования
еще раз демонстрируют важность и информативность
оптических методов в исследовании фазовых переходов
в жидких кристаллах. И что очень интересно, с помощью
дифракции света на голубой фазе можно расшифровать
ее структуру. Это означает, что в оптическом диапазоне
длин волн (т. е. с помощью дифракции света) можно
реализовать метод определения структуры вещества,
аналогичный рентгеноструктурному анализу. Напомним,
что с помощью рентгеноструктурного анализа, т. е. с
помощью дифракции рентгеновских лучей, получена
подавляющая иасть информации о структуре кристаллов
и молекул, в том числе таких сложных, как молекулы
белков. В случае голубой фазы рентгеновские методы
изучения ее структуры оказываются бессильными, по¬
скольку длина волны рентгеновского излучения гораздо
меньше размеров периодичности голубой фазы. Зато на
смену им, заимствуя богатый опыт рентгеноструктурного
анализа, приходит дифракция света.
ГЛАВА VII
ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ —
НАШИ СПУТНИКИ
Рассказывая выше об отдельных разновидностях жид¬
ких кристаллов, мы уже упоминали о многих их техниче¬
ских и других применениях и о принципах, которые лежат
в основе этих применений. Однако, как известно, от
физического принципа применения какого-либо явления
в техническом устройстве, особенно устройстве массово¬
го потребления, до его реализации в готовом изделии
лежит дистанция огромного масштаба. Чтобы пройти
эту дистанцию, необходимо выполнить массу приклад¬
ных исследований, найти конкретные технические реше¬
ния для отдельных элементов и, наконец, найти и осво¬
ить технологию массового производства. На этом пути
от физического принципа до готового изделия техниче¬
ские и технологические проблемы, такие, как выбор ма¬
териала, надежность, долговременность работы устрой¬
ства, его экономичность и т. д., часто оказываются опре¬
88

й«||»(|.|цнмн Поэтому читателю, несомненно, будет лю-
'■ 	 ушли, о тех конкретных технических решениях
и ytfpetM 1ялх, которые пробили себе дорогу в жизнь и
н ишпрых рассказывается в этой главе.
Ммия для электросварщика. Чтобы вести электро¬
сварку, человек надвигает на лицо защитную маску с
Цмным I шклом. Но вот окончен шов. Нужно посмот-
•	41© делать дальше. Тут сдвигай маску на затылок:
©ММ плотное, почти черное стекло многого не разгля¬
дишь »>дне элпадногерманская фирма выпустила для
МНрЩЧМОв новую маску, в которой темное стекло заме-
■	двумя светлыми с прослойкой из жидкого кристал-
§§ Между ними. Это знакомая нам твист-ячейка (см. рис.
I и), *	  >/t»t	управляется	от	фотоэлемента.	Едва вспы-
tMBMi (вярклющая электрическая дуга, как молекулы
ЦН1ДЙЙ1 и кристалла по команде фотоэлемента поворачи-
iitHit к н почти не пропускают света. Сварщик смотрит
цуту нян бы сквозь привычное темное стекло. Прекра-
»иив*ь 1влрка — молекулы возвращаются в прежнее тю-
«мывнми, окно в маске по-прежнему прозрачно. Пере¬
вод hi «ямноты к свету и обратно занимает всего одну
ШЦ дннм» секунды — для зрения это значит «мгновен¬
ии" А несколько при этом удобнее работать, насколько
||9|М№?яяг производительность труда сварщика — и го-
Kfipiitii ня приходится.
Дня рж ширения диапазона яркостей, при которых
М§фн© проводить сварочные работы в описанной маске,
У|)§|| могут быть использованы несколько ЖК твист-яче-
в» нв* положенных последовательно.
flpittop для медиков. В Азербайджанском государ-
мвямиим университете создан прибор для исследования
Ш|§М©дйции глаза, основным элементом которого яв-
квянв жидкокристаллическая ячейка [5]. Назначение
В駩ря — исследовать аккомодацию глаза человека при
■дИМщривании объектов, расположенных на различных
НрНМииях от глаза, временные характеристики аккомо¬
дации и возможные патологические отклонения в про-
HtHNB аккомодации.
Принцип действия прибора поясняет рис. 26. В при-
Цнр* июбражение объекта, которое рассматривается
Н(Д|чм пациента, создается с помощью нескольких жид-
вчврн! !яппических ячеек, расположенных на различных
НЦ|©Яниях от глаза. Врач имеет возможность с по-
Мищын переключения тумблеров прибора по своему ус-
89

- N 5 1
Рис. 26, Принципиальная схема прибора для изучения аккомодации
глаза. 1. Источник света. 2. Проецируемый объект. 3. Элементы оп¬
тической системы. 4. Возможные места изображения на ЖК-
ячейках. 5. Глаз пациента.
мотрению «включать» изображение на различных рас¬
стояниях от глаза (т. е. на различных ЖК-ячейках) и че¬
рез специальный окуляр (см. рис. 26) наблюдать за ре¬
акцией глаза пациента.
В отличие от описанной выше маски электросварщи¬
ка, где в ЖК-ячейке под действием приложенного на¬
пряжения происходит переориентация молекул, в этом
приборе используется другой эффект, а именно дина¬
мическое рассеяние света в ячейке, а сама ячейка вы¬
полняет роль экрана. Если напряжение на ячейку не по«
дано, она прозрачна и изображения проектируемого объ»
екта на ней не видно. Подача напряжения переводит
ячейку в состояние динамического рассеяния, и на най|1
как на матовом стекле, оказывается видным изображу*
РО

имя проектируемого объекта. Таким образом, в данном
мриГпijm жидкокристаллические ячейки выполняют зада*
цу перемещения экрана, т. е. изображения, на различ¬
ным ртмонмия от глаза пациента. Испытания прибора
нрндммонстрировали его большие достоинства в меди¬
цинских <><|и<шьмологических исследованиях, и он удо-
мнмц мпд,ши ВДНХ СССР.
Матричные устройства. Пока что мы рассказывали об
ytfpnMcreax с жидкокристаллическими ячейками, в кото¬
рых каждая ячейка снабжалась своими отдельными ка-
МАмами подачи электрического напряжения, или, попро-
§!У говори, токоподводящими проводниками. Пока у нас
Mil! ячейка одна или не очень много, как, например, в
МИДикяторе наручных часов, подвод управляющего на¬
ряжения отдельно к каждой ячейке не представляет
Проблемы. Но представьте себе, что в каком-то устройст-
»ц необходимо иметь порядка миллиона оптических яче-
■я, характеристиками каждой из которых необходимо
упрям ишь независимо друг от друга! Такая ситуация воз-
Н1Н11И I, если мы хотим создать телевизионный экран, или
£М(Ппеи, позволяющий отображать большое количество
Реформации. В этом случае создание системы подвода
вправляющего напряжения вырастает в серьезную про-
•м#у.
|сли эту проблему решать в лоб, т. е. каждую ячейку
9§§гпечивать индивидуальными каналами подвода на¬
пряжения, то для телевизионного экрана, или дисплея,
Рвтребуется порядка миллиона пар проводников, под-
(вДящих сигналы к ячейкам! Ясно, что в практическом
вУНОШении такое решение задачи оказывается неприем-
йвмым, и надо искать другое решение проблемы.
Рот здесь и приходит на выручку матричный принцип
управления ЖК-ячейками, в котором один и тот же под-
(вдящии канал (электрод) осуществляет управление не
tpNWH, а сразу многими ячейками. Как это делается, ил-
Йёприрует рис. 27. Система проводников, несущих на¬
пряжение), представляет из себя набор двух взаимно
Перпендикулярных и изолированных друг от друга под-
(ИМвм параллельных проводников, образующих квад¬
ратную решетку, или, как говорят, матрицу. Между дву-
мя пидсистемами взаимно перпендикулярных проводни-
ннв помощается слой жидкокристаллического материала.
' MvttA скрещивания взаимноперпендикулярных провод-
НИмив представляют из себя как бы отдельные ЖК-ячей-
91
■

Ячейки дисплея
Элемент микросхемы
Рис. 27 Схема устройства мат¬
ричного дисплея а) в простей¬
шем исполнении, б) с примене¬
нием нелинейных электронных
элементов
ки. Оптические свойства такой отдельной ячейки опре¬
деляются напряжениями, поданными на рассматривае¬
мое скрещение проводников. Таким образом, матричная
система позволяет значительно уменьшить число подво¬
дящих линий. Так, для управления миллионом получен¬
ных описанным образом ячеек вместо двух миллионов
подводов, которые требуются при индивидуальном уп¬
равлении каждой ячейкой, оказывается достаточным все¬
го две тысячи подводов. Практически система подвода1
управляющего напряжения осуществляется в виде парал¬
лельных полосок из прозрачного токопроводящего ма¬
териала 5п0г, нанесенных на обе обкладки жидкокри¬
сталлического слоя так, что направления этих поло¬
сок перпендикулярны для противоположных об¬
кладок.
Как же работает такая матрица оптических ячеек? Ре¬
жим управляющих напряжений (их величина и поляр¬
ность), подаваемых на скрещивающиеся электроды, по¬
добран так, что ячейка изменяет свое состояние только>
92

при подаче сигналов (как правило, противоположной по¬
лярности) на оба скрещивающихся электрода, а нали¬
чие сигнала только на одном из электродов не меняет
состояния ячейки. Таким образом, можно изменять со¬
стояние любого элемента рассматриваемой нами матри¬
цы. Что же касается того, на основе какого описанного
ранее электрооптического эффекта работает такое мат¬
ричное устройство, то это определяется требованиями,
предъявляемыми к этому устройству. В принципе же та¬
кая система может работать на любом электрооптиче-
ском эффекте, о которых уже говорилось выше.
Анализируя работу такой простой матричной системы,
внимательный читатель легко обнаружит и ее недостат¬
ки. Так, оказывается, что состояния элементов такой мат¬
рицы не полностью независимы. Например, если, исполь¬
зуя постоянные во времени напряжения, мы изменяем
состояния двух элементов матрицы, расположенных в
разных строках и столбцах этой матрицы, т. е. подавая
напряжения на четыре электрода, обеспечивающих из¬
менение состояния нужных нам элементов то с неизбеж¬
ностью происходит изменение состояний еще двух эле¬
ментов матрицы. Это связано с тем простым фактом, что
четыре попарно параллельных электрода перекрещива¬
ются в четырех местах. Для того чтобы избежать такой
зависимости состояний элементов матрицы, изменения
их состояния производят с помощью коротких импуль¬
сов напряжения, так что изменение состояния элементов
матрицы происходит последовательно во времени. 6
этом случае удается избежать взаимного влияния состоя¬
ния элементов друг на друга.
Тем не менее и при импульсном управлении описан¬
ная простая матрица обладает характеристиками, удо¬
влетворяющими, вообще говоря, не всем требуемым,
например, временным режимам работы матричного дис¬
плея. Улучшить характеристики матричной системы по¬
зволяет включение последовательно с каждым жидко¬
кристаллическим элементом матрицы нелинейных эле¬
ментов (см. рис. 27, б). Такими нелинейными элемента¬
ми, удачно сочетающимися с жидкокристаллическими
слоями, обычно служат транзисторы, объединенные в
интегральную схему на тонкой кремниевой пластине. В
этом случае кремниевая пластина выполняет роль одной
из обкладок жидкокристаллического слоя. Существенно
также, что применение интегральных схем в матричном
93

устройстве позволяет оптимизировать его временные ха¬
рактеристики.
Здесь уместно заострить внимание читателя на вре¬
менных характеристиках электрооптических эффектов в
жидких кристаллах. Такими характеристиками являются
время влючения ячейки, т. е. время, за которое проис¬
ходит изменение ее оптических свойств при подаче на¬
пряжения, и время выключения ячейки, т. е. время, за ко¬
торое ячейка восстанавливает свои исходные оптические
свойства после снятия напряжения. Характерное значе¬
ние времени включения электрооптических эффектов в
нематиках составляет порядка 10 мс (10-2 с), ее время
выключения оказывается в 10, а иногда ив 100 раз
больше. Применяя специальные приемы, время включе¬
ния удается уменьшить до десятка микросекунд (10_45->
—НО-5 с), а время выключения до миллисекунды. Приве¬
денные значения времен включения характеризуют быст¬
родействие жидкокристаллических устройств и дают пред¬
ставления об ограничениях применения жидких кристал¬
лов с использованием рассмотренных электрооптических
эффектов в быстродействующих устройствах. Что каса¬
ется медленных процессов, то приведенные выше зна¬
чения времен выключения не накладывают принципиаль¬
ного ограничения на продолжительность времени нахож¬
дения ячейки в измененном состоянии после выключе¬
ния сигнала. Дело в том, что при необходимости могут'
быть использованы электрооптические эффекты с па¬
мятью, о которых говорилось выше, а в этом случае
ячейка может находиться в измененном состоянии после
выключения управляющего сигнала неограниченно долго.
Таким образом, матричные жидкокристаллические ус¬
тройства по своим характеристикам быстродействия пре¬
красно укладываются в требования по быстродействию,
для того чтобы их использовать для создания устройств
отображения информации, начиная от статических и
«медленных» дисплеев, вплоть до телевизионных экра¬
нов. В более быстродействующих устройствах, например
оперативной памяти современных вычислительных ма¬
шин, выполняющих десятки миллионов операций в секун¬
ду, перспективы применения жидкокристаллических эле¬
ментов в настоящее время представляются неблагопри¬
ятными. Что же касается области, благоприятной для ра¬
боты жидкокристаллических матричных устройств, то
здесь идет быстрое их внедрение в промышленные изде-
94

Ой
О'
ov
Рис. 28. Так выглядит карманная электронная
игра
лия массового спроса [6]. Приведем несколько приме¬
ров.
Электронная игра, электронный словарь и телевизор
на ЖК.
Известно, какой популярностью у молодежи пользу¬
ются различные электронные игры, обычно устанавлива¬
емые в специальной комнате аттракционов в местах об¬
щественного отдыха или фойе кинотеатров. Успехи в
разработке матричных жидкокристаллических дисплеев
сделали возможным создание и массовое производство
подобных игр в миниатюрном, так сказать, карманном ис¬
полнении. На рис. 28 изображена игра «Ну, погоди!», ос¬
военная отечественной промышленностью. Габариты
этой игры, как у записной книжки, а основным ее эле¬
ментом является жидкокристаллический матричный дис¬
плей, на котором высвечиваются изображения волка, зай¬
ца, кур и катящихся по желобам яичек. Задача играюще¬
го, нажимая кнопки управления, заставить волка, пере¬
мещаясь от желоба к желобу, ловить скатывающиеся с
желобов яички в корзину, чтобы не дать им упасть на
землю и разбиться. Здесь же отметим, что, помимо раз¬
влекательного назначения, эта игрушка выполняет роль
часов и будильника, т. е. в другом режиме работы на
дисплее «высвечивается» время и может подаваться зву¬
ковой сигнал в требуемый момент времени.
Еще один впечатляющий пример эффективности со¬
юза матричных дисплеев на жидких кристаллах и микро-
злектронной техники дают’ современные электронные
95

словари, которые начали выпускать в Японии. Они пред¬
ставляют 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 кла¬
виатурой с алфавитом. Набирая на клавиатуре слово на
одном языке, вы моментально получаете на дисплее его
перевод на другой язык. Представьте себе, как улучшит¬
ся и облегчится процесс обучения иностранным язы¬
кам в школе и в вузе, если каждый учащийся будет снаб¬
жен подобным словарем! А наблюдая, как быстро изде¬
лия микроэлектроники внедряются в нашу жизнь, можно
с уверенностью сказать, что такое время не за горами!
Легко представить и пути дальнейшего совершенствова¬
ния таких словарей-переводчиков: переводится не одно
слово, а целое предложение. Кроме того, перевод мо¬
жет 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 изображе¬
ние на экране формируется из 625 строк (и приблизи¬
тельно из такого же числа элементов состоит каждая
строка), а время записи одного кадра 40 мс. Поэтому
практическая реализация телевизора с жидкокристалли¬
ческим экраном оказывается более трудной задачей. Тем
не менее налицо первые успехи в техническом решении
и этой задачи. Так, японская фирма «Сони» наладила про¬
изводство миниатюрного, умещающегося практически
на ладони телевизора с черно-белым изображением и
размером экрана 3,6 см. Несомненно, в будущем удаст¬
ся создать телевизоры на ЖК как с более крупными эк¬
ранами, так и с цветным изображением.
Союз микроэлектроники и жидких кристаллов оказы¬
вается 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 специ¬
альных масок, а затем в вытравливании с помощью фо-
96

Рис. 29. Визуализация с помо¬
щью ЖК результатов литогра¬
фической обработки заготов¬
ки интегральной схемы
тографической техники так называемых литографических
окон. Эти окна в результате дальнейшего процесса про¬
изводства преобразуются в элементы и соединения ми¬
кроэлектронной схемы. От того, насколько малы разме¬
ры соответствующих окон, зависит число элементов
схемы, которые могут быть размещены на единице пло¬
щади полупроводника, а от точности и качества вытрав¬
ливания окон зависит качество микросхемы. Выше уже
говорилось о контроле качества готовых микросхем с
помощью холестерических жидких кристаллов, которые
визуализируют поле температур на работающей схеме и
позволяют выделить участки схемы с аномальным тепло¬
выделением. Не менее полезным оказалось применение
жидких кристаллов (теперь уж нематических) на стадии
контроля качества литографических работ. Для этого на
полупроводниковую пластину с протравленными литогра¬
фическими окнами наносится ориентированный' слой не¬
матика, а затем к ней прикладывается электрическое на¬
пряжение. В результате в поляризованном свете картина
вытравленных окон отчетливо визуализируется. Более
того, этот метод позволяет выявить очень малые по раз¬
мерам неточности и дефекты литографических работ,
протяженность которых всего 0,01 мкм (рис. 29).
7 В. А. Беляков
97

I
Рис, 30. Схема устройства светового клапана (управляе¬
мого оптического транспаранта)
ЖК-проектор, Описывая освоенные промышленностью
жидкокристаллические дисплеи, мы говорили об экранах
небольших размеров. Тем не менее понятно, что в ряде
случаев маленький экран не может удовлетворять по¬
ставленным требованиям. У читателя могло сложиться
впечатление, что применение жидких кристаллов может
дать изображения небольших размеров, пригодные толь¬
ко для индивидуального рассматривания на небольших
расстояниях. Но это не так. Один из путей получения
крупных изображений состоит в проектировании изобра¬
жения, сформированного в жидкокристаллическом уст¬
ройстве, на обычный экран, размеры которого могут
быть весьма внушительны.
О возможностях такого сорта проекторов, которые,
кстати сказать, в принципе могут быть использованы и
для проекции телевизионных изображений, дает пред¬
ставление проектор, выпускаемый одной из американских
фирм.
Основным элементом такого проектора является так
№

1. Ксеноновая дуговая лампа
2. Зеркало
3; Красный и зеленый фильтры
4. Коллимирующая оптика
5. ЖК световой затвор
6. Иммерсионная призма \
7. Объектив
8. Зеленая катодная трубка
9. Красная катодная трубка
10. Электронная схема и источник питания
11. Формирователь изображения и память
1.2. Контрольный пульт
13. Вход внешнего компьютера
14. Дисплей
15. Пульт оператора
Рис. 31. Принципиальная схема ЖК-проектора
называемый световой клапан, устройство которого схе¬
матически изображено на рис. 30. Этот клапан состоит из
1024ХЮ24 элементов, формирующих проектируемое
изображение. В отличие от матричных устройств, где изо¬
бражение создается с помощью электрических импуль¬
сов, здесь запись изображения осуществляется с по¬
мощью записывающего светового луча, либо подводи¬
мых к клапану волоконных световодов. Рабочим элемен¬
том клапана является слоистая структура, основным эле¬
ментом которой служит фотополупроводник и слой ЖИД¬
КОГО кристалла (о физическом принципе работы такой
системы будет рассказано в главе X, см. рис. 30). Сфор¬
мированное на клапане изображение проектируется за¬
тем с помощью оптической системы (см. рис. 31) на эк¬
ран, размеры которого могут быть порядка 3X3. м2.
Существенно, что проектор снабжен микропроцес¬
сором, с помощью которого формируется изображение
Т
99

на клапане по принципу формирования изображения на
телевизионном экране. Это дает возможность операто¬
ру не только воспроизводить на экране готовые слайды,
но и формировать изображение непосредственно с пуль¬
та управления и вносить необходимые изменения в про¬
ектируемую картину. Немаловажно также, что в проек¬
торе работают одновременно два световых клапана: один
в красном свете, другой — в зеленом, так что путем сме¬
щения этих цветов в различных пропорциях можно полу¬
чить четыре различных цвета: красный, оранжевый, жел¬
тый и зеленый. Частота смены кадров до 30 в секунду.
Описанный проектор представляет собой сложное
электронное устройство, которое не только использует
внутренний компьютер, но может быть подключено и
к внешнему вычислительному устройству. В связи с этим
его возможности очень велики и он может быть исполь¬
зован как в целях просто демонстрации изображений, так
и визуализации информации и процессов, синтезируемых
с помощью ЭВМ. О полном диапазоне потенциального
применения подобных проекционных устройств в связи с
их большой универсальностью пока что трудно сделать
определенные утверждения. Однако ясно, что область
их применений со временем будет расширяться.
ГЛАВА VIII
В ЛАБОРАТОРИЯХ
УЧЕНЫХ
О методах изучения жидких кристаллов. Пока говори¬
лось в основном об изучении оптических, электрических
и упругих характеристик жидких кристаллов. У читателя
может возникнуть ложное впечатление, что только эти
методики и дают информацию о жидких кристаллах. На
самом деле ситуация совсем не такая. В связи с тем что
жидкие кристаллы проявляют как свойства жидкости, так
и твердого тела, для их исследования оказываются при¬
менимы как методы, традиционно используемые в физи¬
ке твердого тела, так и методы, пригодные для изучения
жидкостей. Таким образом, изучение жидких кристаллов
ведется с применением всех современных достижений
экспериментальной физики кондесированного состояния.
Только простое перечисление методик, о которых
еще не говорилось, составит внушительный список. Это—
100

дифракция рентгеновского излучения, ядерный магнит¬
ный резонанс, эффект Мессбауэра, калориметрические
(т. е. тепловые) измерения, упругое и неупругое, рассе¬
яние света, криогенные исследования мезоморфных ве¬
ществ и т. д. Поэтому здесь скажем несколько слов толь¬
ко о некоторых из них.
Дифракция рентгеновского излучения. Поскольку дли¬
на волны рентгеновского излучения, используемого в ис¬
следованиях, обычно находится в диапазоне от одного
до десятка ангстрем (сокращенное обозначение ангстре-
О о
ма А; Л = 10~8 см), то рентгеновский метод исследова¬
ний лучше всего приспособлен для получения информа¬
ции о структуре вещества с размером неоднородностей
или периодичностью такого же порядка величины. По¬
этому, например, исследовать изменение периода холе¬
стерической спирали под влиянием каких-либо воздей¬
ствий рентгеновским методом — дело практически без¬
надежное. В этом случае в формулу Вульфа-Брегга (4)
войдет отношение малой величины, длины волны рент¬
геновского излучения Я к очень большой по молекуляр¬
ным размерам величине шагу спирали р. В результате
углы дифракции окажутся настолько малы, что их прак¬
тически невозможно будет измерить. Здесь не говорится
еще о ряде других технических сложностей, которые де¬
лают эту задачу фактически безнадежной.
Другое дело, если нас интересуют структура ЖК на
меньших масштабах расстояний. В этом случае и углы ди¬
фракции 0 в формуле (4) оказываются вполне доступ^
ными измерению, а сам метод — вполне адекватным по¬
ставленной задаче. Таким образом, как говорят, рентге¬
новский метод приспособлен для изучения ближнего по¬
рядка в жидких кристаллах. Что же он дает?
Прежде всего он дает информацию о размерах мо¬
лекул и среднем расстоянии между ними. Схема рентге¬
нодифракционного эксперимента И вид наблюдаемой
рентгенограммы показаны на рис. 32. При температуре
выше точки перехода в изотропную жидкость рентгено¬
грамма представляет из себя одно или два кольца повы¬
шенной интенсивности рассеянного рентгеновского излу¬
чения. По диаметру кольца определяется угол @ в фор¬
муле (4), а из нее расстояние d, ответственные за соот¬
ветствующий угол рассеяния. Так определяются размеры
молекул и среднее расстояние между ними При темпе¬
ратуре образца ниже точки перехода в изотропную жид-
101

к
I ill I
f o'l
Ж
ЩшА
ЩттЩ1
)H I пни или
/г//фЩшт
П/НишШШПУ
гшЩщЩШ
Ш'Н/ЩН/НИ
\.\\\\\\\\\\\\чч ч\
ШНЩНИПШ
\\\\ЧЧЧ\\\\\\\Ч
■/ШШИКши
Г
ш
'О
*
Рис, 32. Схема рентгвноди*
фракционных измерений (•»)
(S — источник рентгеновского
излучения, К — коллиматор,
ЖК — исследуемый образец(
F — фотопленка) и рентгено¬
граммы различных типов ори¬
ентированных ЖК (б, в, 8, ■
кость вид рентгенограммы зависит от типа исследуемого
жидкого кристалла. Рентгенограмма уже не представля¬
ет собой однородные кольца, а имеет более сложную
структуру, в которой присутствует до 8—10 рефлексов.
Рентгеноструктурный метод оказался особенно инфор¬
мативным для смектических жидких кристаллов. Он увп
ренно позволяет определить периодичность слоистой
структуры смектиков, выяснить, наклонены или нет молг>
кулы в смектическом слое, установить бислоевый харак¬
тер смектика, т. е. случай, когда смектический слой обра¬
зуется двумя, частично проникающими друг в друга, сло¬
ями молекул, и т. д.
Здесь следует отметить большой вклад в рентгено¬
структурные исследования жидких кристаллов советских
исследователей И. Г. Чистякова и Б. К. Вайнштейна (7 ],

Ими, а чт шости, разработан метод оптического модели-
ЦНвМия дифракции рентгеновских лучей. Суть этого ме-
• i'м-l пн шиг в том, что, сравнивая картину дифракции
на искусственно приготовленных моделях с рентге-
н«||1,1мм.1ми, полученными на жидких кристаллах, делают
§вййн!чпние о структуре жидкого кристалла. И тем ближе
ННУ'"У1,Л исследуемого жидкого кристалла к модели,
Мм полнее совпадает рентгенограмма с картиной ди-
•И.шщин света на этой модели. Добившись удовлетвори*
(•ньнощ согласия картины оптической дифракции с рент-
(*нир|1лммои, остается только рассчитать, во сколько раз
Нвдн уменьшить оптическую модель, чтобы получить
(MVHtypy жидкого кристалла в реальном масштабе. А
.•и, «или размеры модели, длину волны света и рентге-
нив»н111ч излучения, легко сделать, используя форму-
цу (4) Читатель в качестве упражнения такой пересчет
MhiHBi метко выполнить сам.
•*»< соиние света. Выше при описании структуры жид-
Цй( Ирис галлов речь всегда шла об идеальной статиче-
§МА структуре жидкого кристалла. Все наши построения
ЦА1в« некоторую идеализацию, которая отражает только
§НСИЧвсние свойства жидкого кристалла, так сказать, его
Рввммроженнугс структуру». На самом деле жидкий кри-
иамм все время «дышит», так как его молекулы постоян¬
на 1.П.НДЧ1И! в тепловом движении, что приводит к флук-
туацмим характеристик жидкого кристалла.
Удесь будет рассказано о методах, которыми можно
МЦйадпвлть эти флуктуационкые движения в жидком
Mfptftanne. Этими методами являются исследования упру-
t и» м и неупругого рассеяния света в жидких кристал-
Гмаори раньше, что причина мутности нематика — его
ИвФевершонство и рассеяния света на границах совершен-
ны« областей, мы не оттенили того, что даже однород¬
ный образец нематика рассеивает свет очень сильно.
Опишем рассеяния света в жидких кристаллах на при¬
боре наиболее хорошо изученного теоретически и экспе¬
рт  .и о случая нематиков. Рассеяние света в нема-
щнв примерно в 106 раз сильнее, чем в обычных изотроп¬
ных жидкостях. Было очень заманчивым предположить,
1)19 tan но сильное рассеяние обусловлено существовани¬
ем н ним,пиках упорядоченных двулучепреломляющих
ивиш ИЧ1, роев, с размерами порядка длины волны ви-
дммн|и света. Это когда-то послужило основанием воз-
103
■

никновения теории роев в физике нематических жидки»
кристаллов, которая выглядела очень привлекательной (
точки зрения интерпретации результатов по рассеянии)
света, но впоследствии была опровергнута. Детальные и<
следования французских исследователей, эксперименты
Шателена по рассеянию света и теоретическая интерпре*
тация их, данная де Женном, показывают, что причине
сильного рассеяния света нематиками связана со спои
танной флуктуацией ориентаций молекул в нематике, я
не с существованием в них роев с четко определенными
границами.
Соответствующие флуктуации ориентаций молекул
могут быть учтены в рамках упоминавшейся теории ул*
ругости нематиков и описываются в терминах флукту#»
ций ориентации директора. Физической причиной mm
мально сильного рассеяния на флуктуациях директор#
является то, что однородные флуктуации (т. е. однород*
ные вращения директора во всем пространстве) не трфн
буют преодоления энергетического барьера для свовРМ
возбуждения. Поэтому такие флуктуации и соответову
ющее им рассеяние света очень сильны.
Выше мы говорили о специфике рассеяния света «
нематической фазе. Естественно ожидать, что и вышв
температуры перехода нематика в изотропную жидкоов
(но достаточно близко к этой температуре) также доим*
ны проявляться следы «нематической специфики» расе#*
яния. Физическим основанием для этого является бли
зость перехода нематик — изотропная жидкость к пар#* ,
ходу второго рода и, как следствие, развитость немати»
ческих предпереходных флуктуаций в изотропной фим*
Это означает, что в изотропной фазе в предпереходнпй
области в отличие от обычных жидкостей ответственны
ми за рассеяние света оказываются не флуктуации
плотности, а по-прежнему флуктуации ориентации
молекул.
Интенсивность же рассеяния света в изотропной
жидкости растет при приближении температуры Т к Тн
по закону 1/(Г—Гг*), становясь очень большой вблм
зи Тщ,
Рассматривая выше рассеяние света на флуктуация*
ориентации директора в нематике, мы совершенно на ин¬
тересовались спектральным составом рассеянного излу¬
чения, не учитывая движения флуктуаций и считая рп*«а
яние упругим. Здесь мы кратко остановимся на обсужда
104

i.ми mu информации о нематике, которая может быть
мимгшил путем изучения спектрального состава рассе-
111ИЙ! н I веге.
И« • ямим деле флуктуации в нематике хотя и доста-
tИ'ИIм мидисииые, но не статические, и вызываемое их
МММенимм изменение частоты света при рассеянии впол¬
не дм| (умни экспериментальному обнаружению при со-
■||»'ч»ми'1м уровне техники. Фактически динамический
1§р«ннр|| флуктуаций для нематиков обнаружили еще в
ВрНнм акспприментах по эффекту «мерцания» француз*
мм* мп лидователи Фридель, Гранжан и Моген. Эти за-
•1м ищи. .и времени флуктуации приводят к частотной
Мруняции рассеянного света, что и можно наблюдать
■ДОНриментально. Правда, соответствующее частотное
ЮИНрвнив линии невелико, всего порядка мегагерц или
ЦЙШЯ ННЛО|врЦ.
Г рмнвмика флуктуаций описывается совместно урав¬
нениями тории упругости и уравнениями гидродинамики
Р^ц^ммм кристаллов, связывающими изменения ориента-
цнч Директора с гидродинамическими потоками. Поэтому
0£4ШДпванио частотного уширения несет информацию
■Ц ft упругих константах, так и о гидродинамических
НЙМСтрвх, коэффициентах трения или вязкости, кото-
jifci* дни жидких кристаллов, как уже говорилось, гораздо
n.iMhiilfi, чем для изотропной жидкости.
?*имм образом, доминирующим механизмом рассея-
Ммв в нематиках как ниже температуры перехода в изо-
Миммую фазу, так и выше ее, является рассеяние на
■йун|уяциях ориентации директора. Эксперименты по
§М*вииию света (включающие поляризационные измере-
I...й I даюt существенную информацию о физике немати*
IKS.»...! фазы и природе фазовых переходов в ней. Так,
Вмрвние интенсивности рассеяния и ее угловой зависи¬
мом.. позволяет найти упругие модули нематика. Соот-
liii шуницис измерения в изотропной фазе вблизи точки
ЦВрсиода дают информацию о температурном ходе уп¬
руги* констант и могут быть интерпретированы в терми¬
на* тмморатурных зависимостей длин корреляции, т. е.
Вквмвров областей, в которых флуктуационно возникает
PfH фаза и которые существенно определяются лриро-
дня фяшвого перехода. Измерения частотной ширины
вннмн | .и. I пиния в нематической фазе дают сведения об
§|мишрнии упругих модулей к коэффициентам вязкости,
| юн"" точки перехода соответствующие температурные
105

зависимости, которые могут быть использованы для иэу-
чения характера фазового перехода.
Однако следует подчеркнуть сложность однозначной
интерпретации результатов частотных измерений, связей*
ную с большим числом недостаточно хорошо изученный
величин (коэффициентов вязкости, модулей упругости)*
В целом, как можно заключить на примере наиболее хО*
рошо изученной разновидности жидких кристаллов, не*
матиков, рассеяние света является чрезвычайно инфор»
мативным средством исследования жидких кристаллов и
их динамики. Рассеяние света в других, менее изученных,
жидкокристаллических фазах имеет много общего СО
случаем нематиков, однако каждая фаза проявляет,
кроме того, свои специфические особенности и открывает
интересные возможности для ее исследования оптичв*
скими методами.
Дискотики. Мы говорили о жидких кристаллах, моле
кулы которых имеют удлиненную форму. Пытливый чи*
татель может задать вопрос, а не могут ли жидкие кри*
сталлы быть образованы молекулами, имеющими дру«
гую форму? Из-за того что молекулы жидких кристаллов,
как мы видели, должны быть анизотропными, понятии,
что кандидатами здесь не могут быть вещества, молеку*
лы которых обладают сферической или близкой к ней
формой. Зато естественно в качестве кандидатов иссл#*
довать вещества, молекулы которых имеют сплюснутую
форму. Для наглядности эти молекулы удобно предст яв¬
лять себе в виде дисков. Так же, как и вытянутые моле*
кулы, такие дискообразные молекулы должны обладать
сильной анизотропией своих свойств. Так, например, по*
ляризуемость таких молекул в плоскости диска и в ИМ
правлении, перпендикулярном этой плоскости, могуУ
весьма существенно отличаться.
Такими или подобными соображениями руководство»
вался индийский ученый Чандрасекар, когда он сравни*
тельно недавно приступил к поискам жидкокристалличв»
ской фазы у веществ с дископодобными молекулами
(рис. 33). Его поиски увенчались успехом. В 1977 году
руководимая им группа исследователей получила жидио»
кристаллическую фазу вещества с дископодобными мо«
лекулами. Эту разновидность жидких кристаллов стали
называть дискотическими жидкими кристаллами, или ди<
скотиками.
По своим свойствам в первом приближении эта разно*
106
■

Риг, 33, Химическая формула и структура одно-
то И! соединений с дискообразными молекулами
Шйжн н. жидких кристаллов подобна нематикам (см.
ВЦ# 14, а), ■ частности, обладает двупреломлением, а
|МН|«ИД1 щгмнЫМИ в них являются плоскости молекуляр-
иы« Дисков. Поэтому так же, как нематики, дискотики
ПЙМСЬЖяются директором п и параметром порядка S.
Нй>'|и»»ТИЧ1И1) же директора в этом случае задается на-
ЦрМ линиям преимущественной ориентации нормалей к
ПрДцииулярным дискам.
Может реализоваться и более сложный порядок в
йин>н|нч1к них жидких кристаллах (рис. 34, б). Молекулы-
[ации Minyi образовывать столбики, создавая в преде-
м#«		 столбика как бы одномерный нематик. Это
[ЯЙвМй?, что положение центров тяжестей дисков в преде¬
ла# Иилбинл не упорядочено. Столбики же могут быть
М§^ядпчены относительно друг друга и образовывать
РрМипьную решетку.
Или вто нередко бывает, вскоре после открытия ди-
ВИИМ1ММН было обнаружено, что подобные системы были
IQ niniH ты человечеству. Более того, оказалось, что
107

Рис. 34. Две разновидности дискотиков: а) нема¬
тическая, б) столбчатая
они играют весьма существенную роль в используемых в
промышленных масштабах технологических процессах, I
связанных с получением кокса из угля и нефтяных остат- 1
ков, и имеют специальное название — пековые фазы.
Специалисты в области коксования поняли, что в
своем производстве на одном из его этапов они имеют ;
дело с жидкокристаллической фазой. А именно проме- 1
жуточным продуктом в процессе коксования является
пековая (жидкокристаллическая) фаза, характеристики |
которой и режим прохождения через которую сущест¬
венно определяют качество конечного продукта, кокса.
Так неожиданно выяснилось, что жидкокристалличе¬
ская фаза играет уже давно большую роль в важном
промышленном процессе производства кокса. Здесь же,.
108

однако, следует отметить и отличие пековых фаз от
обычных жидких кристаллов. Пековая фаза не является
равновесным термодинамическим состоянием системы;
Она характеризуется сложными химическими реакциями,
происходящими в ней в процессе коксования, и являет¬
ся одним из этапов эволюции в этом процессе. В практи¬
ческом отношении также очень важно, что пековые фа¬
зы — это высокотемпературные фазы. Они характеризу¬
ются температурами 500—800° С со всеми вытекающими
отсюда сложностями их исследования. В связи со сказан*
ным исследование свойств недавно открытых и сущест¬
вующих в области комнатных температур дискотиков
может оказаться полезным и повлиять на эффективность
давно известного и важного в металлургии процесса кок¬
сования.
Поскольку сейчас найдены дискотики, свойства и по¬
ведение которых можно изучать в лабораториях при ком¬
натной температуре, открываются перспективы активно¬
го воздействия на процессы коксования, влияния на ка¬
чество продуктов и изделий, для которых кокс служит
исходным продуктом.
Вот лишь два примера.
Графит обычно получают переработкой кокса. Ис¬
следования показали, что высокое качество графита за¬
кладывается как раз на тех стадиях технологического
процесса, в которых существует пековая фаза. Поэтому
теперь изделия формуют и прессуют именно в процессе
образования этой фазы, а уж затем графитизируют ма¬
териал.
Выяснилось также, что получить угольные нити не¬
обычно высокой прочности можно путем вытягивания их
из смеси пеков — остатков перегонки нефти или камен¬
ного угля — и пековой фазы. Молекулы последней за
счет сдвиговых напряжений определенным образом ори¬
ентируются, в результате чего предел прочности нити
достигает 400 кг/мм2. А это ведь почти вдвое больше,
чем у стали.
Несовершенства ЖК. До сих пор речь шла в основном
о совершенных образцах жидких кристаллов и их свой¬
ствах. На практике же исследователи всегда сначала стал¬
киваются с несовершенными образцами, не являющими¬
ся монодоменными и содержащими большое количест¬
во дефектов. Только в дальнейшем путем значительных
усилий им удается получить совершенные жидкие кри¬
109

сталлы. Поэтому можно сказать, что первые и, наверное,
самые сильные впечатления, возникающие у исследова¬
телей при знакомстве с жидкими кристаллами, связаны
именно с несовершенными их текстурами. И слова из¬
вестного французского физика-теоретика де Жена о
том, что жидкие кристаллы прекрасны и таинственны,
воспринимавшиеся ранее применительно к идеальным
жидкокристаллическим фазам, еще в большей степени
справедливы по отношению к несовершенным жидким
кристаллам. Взгляните еще раз на фотографии жидких
кристаллов, приведенные на обложке. Думаю, что редкий
человек не поддается обаянию загадочности этих при¬
чудливых картин и какой-то скрытой в них таинственной
гармонии. Если еще добавить, что при наблюдении по¬
добных картин исследователь может видеть, как они ви¬
доизменяются и как движутся отдельные элементы этих
картин относительно друг друга, то не так уж удивитель¬
ным покажется то, что упоминавшийся в этой книге один
из первых исследователей жидких кристаллов О. Леман
в конце прошлого века высказывал мнение, что жидкие
кристаллы — это проявление живой жизни. Конечно, это
заблуждение О. Лемана теперь никто не разделяет (хо¬
тя сейчас общепризнано, что изучение жидких кристал¬
лов представляет большой интерес для биологии), одна¬
ко оно упоминается здесь потому, что связано именно
со сложностью и изменчивостью дефектов в жидких кри¬
сталлах и показывает, сколь сильное впечатление это мо¬
жет произвести на исследователя. Также показательно,
что, например, само название «нематические жидкие кри¬
сталлы», как говорилось, связано с характерными дефек¬
тами (нитями), наблюдаемыми у этой разновидности жид¬
ких кристаллов. Из сказанного ясно, что дефекты в жид¬
ких кристаллах заслуживают того, чтобы о них расска¬
зать подробней, тем более, как мы увидим, что для
их описания и классифакации иногда приходится привле¬
кать самые современные методы математики, развивае¬
мые в ее разделе, называемом топологией.
Дефекты в нематике. Дефектами в жидких кристал¬
лах называют точки, линии или поверхности, на которых
не определено направление директора. В связи с этим,
чтобы подчеркнуть физическую сущность дефектов в
жидких кристаллах и их отличие от дефектов в твердых
телах, их называют термином «дисклинация», который
дословно означает прерывность в наклоне. Например,
ПО

хорошо известные в твердых телах дефекты,' назыьве-
мые вакансиями и порами, в жидких кристаллах не суще¬
ствуют. Действительно, термин, «вакансия» означает от¬
сутствие единичного атома в решетке, а пора — отсутст¬
вие большого количества атомов в каком-то месте ре¬
шетки. Такого в жидких кристаллах быть не может
в связи с их текучестью, которая не позволяет обра¬
зовываться пустотам в объеме жидкокристаллической
фазы.
Другое отличие дефектов жидких кристаллов от
дефектов твердого тела — в их размерах. Размеры, на
которых проявляется возмущение директора, связанное с
наличием дефекта, оказываются гораздо больше соот¬
ветствующих размеров в твердом теле, где они прости¬
раются лишь на расстояния в десятки или сотни меж¬
атомных расстояний (периодов решетки). Поэтому, если
в твердом теле из-за малости размеров дефектов их
Фудно визуализировать и для их выявления требуется
использовать коротковолновое электромагнитное излу¬
чение, т. е. рентгеновские лучи, то в случае жидких кри¬
сталлов дефекты легко визуализируются в оптическом
диапазоне длин волн. Это, означает, что они видны гла¬
зом, правда, глаз при этом, как правило, должен быть
вооружен микроскопом.
Наконец, третье отличие дефектов жидких кристал¬
лов проявляется в их динамике. В твердом теле дефект
почти «намертво» привязан к определенному месту в
кристаллической решетке, и, чтобы вызвать достаточно
быстрое движение, необходимо создать в кристалле эк¬
стремальные условия — предельно большие напряжения,
высокие температуры и т. д. В жидком кристалле дефек¬
ты несравненно более подвижны, и поэтому сравнитель¬
но легко наблюдать не только движение дефектов, но и
их взаимодействие друг с другом.
Наиболее характерными для нематика являются ли¬
нейные дисклинации. Чтобы разобраться в их структуре,
лучше всего проанализировать характер распределения
директора в плоскости, перпендикулярной линии дискли¬
нации. Оказывается, что в плоскости, проведенной пер¬
пендикулярно линии дисклинации, распределение дирек¬
тора может быть таким: касательная к линиям дает ло¬
кальное направление директора в точке касания. Ан¬
глийский ученый Франк, о котором говорилось в связи с
теорией упругости жидких кристаллов, ввел классифика¬
111

цию дисклинаций, в которой каждая линейная дисклина-
ция характеризуется положительным или отрицательным
целым или полуцелым числом, которое называется си¬
лой дисклинации.
Сила дисклинации имеет очень простой физический
смысл. Если особую точку на плоскости, секущей дискли-
нацию, окружить замкнутым контуром, то в каждой точ¬
ке контура направление директора будет определено.
При движении вдоль контура направление директора из¬
меняется. Если, двигаясь вдоль контура, обойти особую
точку и вернуться в исходную точку контура, то окажет¬
ся, во-первых, что направление директора также возвра¬
тится к исходному, а, во-вторых, директор совершит 2S
полуоборота. Если при вращении директора по часовой
стрелке приписывать 5 отрицательный знак, а при вра¬
щении против часовой стрелки положительный знак, то
величина S как раз и совпадет с силой дисклинации. Та¬
ким образом, физический смысл величины 2S — это чис¬
ло оборотов директора при обходе замкнутого контура.
То, что это число может быть полуцелым, связано с тем,
что направления по и против директора физически экви¬
валентны и поворот директора на пол-оборота (т. е. на
180°) является тождественным, т. е. ничего не изменяю¬
щим преобразованием.
Интересно, что поля искажения директора, возникаю¬
щие вокруг Дефектов с S и —S, таковы, что эти искаже¬
ния могут компенсировать друг друга. Так, если дефек¬
ты 5 и — 5 находятся вблизи друг друга, то поле иска¬
жений на расстоянии, большем, чем расстояние между
дефектами, отсутствует. Это означает, что при сближе¬
нии таких дефектов энергия деформации нематика будет
уменьшаться, а дефекты с противоположным знаком S
притягиваются друг к другу.
Очень поучительным оказалось применение к описа¬
нию дефектов в жидких кристаллах топологии, раздела
математики, изучающего общие свойства структуры про¬
странств. Топологический анализ показал, что «истинны¬
ми» дефектами в нематиках являются только дефекты
полуцелой силы. Это означает, что никакими непрерыв¬
ными деформациями ориентации директора их нельзя
свести к однородному распределению директора. Де¬
фекты же целой силы «могут вытечь в третье измере¬
ние». Это означает, что, выводя направление директора
из плоскости, перпендикулярной линии дисклинации, для
112

дефекта целой силы S можно получить однородное рас¬
пределение директора.
Другим классом дефектов, которые наблюдаются В
нематиках, являются точечные дефекты В этом случае
направление директора не определено лишь в единст¬
венной точке. Эти дефекты можно наблюдать в капилля¬
рах, когда граничные условия таковы, что на поверхно¬
сти капилляра круглого сечения директор направлен
вдоль радиуса капилляра, а на граничных сечениях ка¬
пилляра задана ориентация директора вдоль оси капил¬
ляра. Оказывается, что энергия деформации вокруг то¬
чечного дефекта пропорциональна размеру рассматри¬
ваемого объема. Это означает, что энергия взаимодейст¬
вия точечных дефектов разных знаков пропорциональна
расстоянию между ними.
Дефекты в смектике А. Характер структуры жидкого
кристалла оказывается непосредственно связанным с ви¬
дом несовершенств, наблюдаемых для жидкого кристал¬
ла. Так, если для нематика типичная структура дефек¬
тов — это нити — линейные дисклинации, то для смекти¬
ка Л — это конфокальная текстура. Различие в виде де¬
фектов смектика по сравнению с нематиком связано со
слоистой структурой смектика (рис. 19). Деформация
смектика, которая могла бы привести к изменению рас¬
стояния между его слоями, требует очень большой энер¬
гии. Это означает, что она практически запрещена, а до¬
пустимыми оказываются только такие деформации струк¬
туры, которые совместимы с неизменной величиной меж-
слоевого расстояния. Из требования постоянства межсло-
евого расстояния вытекает, что из трех рассмотренных
нами, деформаций в жидком кристалле — продольного
изгиба, кручения и поперечного изгиба, разрешенной в
смектике А оказывается только одна, деформация попе¬
речного изгиба. Она возникает, например, если смекти¬
ческие слои образуют концентрические цилиндры (рис.
35). В структуре, изображенной на рис. 35, а, линейным
дефектом является ось цилиндра, так как на ней направ¬
ление директора не определено. Если теперь цилиндр
замкнуть в тор и нарастить его дополнительными смек¬
тическими слоями так, чтобы полностью заполнить отвер¬
стие в торе, то, помимо линии дефектов, преобразовав¬
шейся из оси цилиндра в круговую ось тора, возникнет
еще одна линия дефектов (рис. 42, б). Эта линия совпа¬
дает с прямой, являющейся осью тора. Таким образом, в
8 В. А. Беляков
113

✓
s
Рис. 35. Структура линейных дефектов (пунктирная линия) , в
сметике: а — тор из смектических слоев/6 — простейшая конфигу¬
рация «дефектных» линий — окружность и прямая, лрохоДя-
щая через ее центр, в —-конфигурация линий дефектов в общем
случае	,	к #	»*■ ■■.. - я?
рассматриваемой нами структуре существуют две линии
дефектов. Одна — окружность и другая—прямая, пер- 1
пендикулярная плоскости этой окружности и проходящая
через ее центр. Рассмотренная нами система линейных	1
дефектов является частным вырожденным случаем В	]
общем случае вместо окружности замкнутым линейным
дефектом является эллипс, а прямая заменяется гипер-	1
болой, проходящей через фокус эллипса. Совокупность	{
многих таких-дефектов нРсит название конфокальной тек- 1
стуры.	я
Дефекты в холестериках. В связи со сложностью
структуры холестерика устройство дефектов в холесте¬
рике оказывается наиболее сложным. С одной стороны,
в связи с тем что локально холестерик подобен немати¬
ку, в нем возможны дефекты, аналогичные дефектам
1V4

Рис. 36. Фотография монопо¬
ля в капле холестерика а и
схема распределения холесте¬
рических слоев в монополе б
и буджуме в.
нематика, с другой стороны, в связи с его периодично¬
стью (периодичностью в ориентации молекул) в нем воз¬
можны дефекты, характерные для смектика. Это значит
что в холестерике существуют линейные дисклинации,
подобные нематическим, и может наблюдаться конфо¬
кальная текстура. Кроме того, в холестерике могут воз¬
никать дефекты структуры, не наблюдаемые в нематиках
и смектиках. Интересно, что некоторые из них по своей
структуре аналогичны объектам, интенсивно изучаемым
в теории элементарных частиц. Речь идет о монополе
Дирака и буджуме.
Монополь Дирака — это изолированный магнитный
заряд. Однако, согласно уравнениям Максвелла, сам по
себе изолированным магнитный заряд существовать не
может — от него идет трубка магнитных линий. В холе¬
стерике структура дефекта может быть аналогична мо¬
нополю Дирака — это точечный дефект, от которого от¬
ходит линейная дисклинация. Такие дефекты действи¬
тельно наблюдаются в холестериках и выглядят так, как
показано на рис. 36.
Другая предсказываемая теорией дефектная струк¬
тура— это точечный дефект буджум. Он является анало¬
гом «дефекта» магнитной структуры в сверхтекучем изо¬
топе гелия Не3. Сверхтекучесть изотопа гелия Не3 обна¬
ружена физиками сравнительно недавно, проявляется
при очень низких температурах порядка 10-2 К, т. е. вбли¬
зи самого абсолютного нуля температуры, а сам Не3 при
этом обладает совершенно необычными свойствами. В
частности, сверхтекучий Не3 обладает макроскопическим
магнитным моментом. Если в каждой точке объема, за¬
нимаемого сверхтекучим Не3, стрелкой изображать на¬
8*
its

правление потального магнитного момента, то получйн
ются картины распределения этого момента, похожие на
те, которые мы обсуждали для распределения директо¬
ра в жидких кристаллах. Отсюда и возникает возмож¬
ность существования дефекта в поле директора холесте¬
рика, такого же, как дефект в поле магнитного момента
сверхтекучего Не3.
Так, неожиданно причастными к изучению жидких кри¬
сталлов и, в частности, их дефектов оказались самые раз¬
личные и стоящие на передовом фронте науки дисципли¬
ны: физика элементарных частиц, физика сверхнизких
температур и топология. Топология выявила общие свой¬
ства структур, изучаемых различными дисциплинами: по¬
ля в физике элементарных частиц, поля магнитного по-
порядка в сверхтекучем Не3 и поля директора в жидких
кристаллах. Жидким кристаллам повезло. Аналог моно¬
поля Дирака, который пока что безуспешно разыскива¬
ется специалистами по элементарным частицам, обнару¬
жен как дефект в холестерике. Правда, у специалистов
по жидким кристаллам впереди еще поиски буджума, со¬
брата дефекта в сверхтекучем Не3. Понятно, что выявлен¬
ные аналогии разных дисциплин содействуют прогрессу
каждой из них, так как помогают методами одной науки
продвигаться в постижении закономерностей другой ее
отрасли и переносить известные результаты из одной
области в другую.
Лиотропные жидкие кристаллы. Загадочное слово
«лиотропные», вынесенное в подзаголовок, наверное
удивит читателя. Что это за разновидность жидких кри¬
сталлов, о которой так долго не говорилось в этой кни¬
ге? Еще более следует удивиться тому, что это не разно¬
видность жидких кристаллов, а целый новый их класс, о
котором пока что не рассказывалось в этой книге и о
котором, когда он будет изучен, можно будет рассказать
не меньше, а гораздо больше, чем о термотропных жид¬
ких кристаллах, которым посвящена эта книга.
Дело в том, что до сих пор говорилось о веществах,
переход в жидкокристаллическую фазу у которых на¬
блюдается при изменении температуры. Полное назва-
• ние соответствующих ЖК — термотропные жидкие кри¬
сталлы, однако слово «термотропные», как и делалось
выше, часто опускают. Оказывается также, что жидкие
кристаллы могут образовываться при растворении неко¬
торых веществ в воде или других растворителях, причем
116

жидкокристаллическая фа«.а (или фазы) в этом случае-
наблюдается в строго определенном интервале концен¬
траций растворяемого веш кгвп и растворителя Вот этот,
класс жидких кристаллов * называют лиотропными.
Сейчас лиотропные жидкие кристаллы привлекают кг
себе большое внимание к«к ученых, гак и специалистов
прикладников. Это объясняется тем, что лиотропными-
жидкокристаллическими фазами обладает большее чис¬
ло материалов, нежели термотропными фазами, и тем,,
что лиотропные жидкие кристаллы, по-видимому, игра¬
ют большую роль в биологии. Однако в связи с их отно¬
сительно слабой изученностью и ограниченным объемом-
книги здесь мы ограничимся только кратким изложение
ем основных сведений о лиотропных жидких кристаллах-..
Основные закономерности образования лиотропных
жидких кристаллов поясним на примере простого мыла,.
Н-октаноата калия, которое образует лиотропные жид-
кристаллические фазы. Молекула этого соединения име¬
ет углеводородную часть СНч(СН^)? умеренно раствори¬
мую в воде, и полярную «головку» — C.Og—К+ очень
хорошо растворимую в воде. При малой концентрации
молекул мыла в воде существует истинный раствор. При
повышении концентрации из-за различного сродства раз¬
личных частей молекул к воде они имеют тенденцию
объединяться в ассоциаты, так называемые мицеллы, в
которых углеводородные части молекул экранированы
от воды полярными головками. При дальнейшем повы¬
шении концентрации мицеллы могут упорядочиваться»
переходя еще при больших концентрациях в ламинар¬
ную (слоистую) фазу. Таким образом, как показано на
рис. 37, в разных интервалах концентрации осуществля¬
ются различные лиотропные жидкокристаллические
фазы.
Такого же типа жидкокристаллические фазы, как мы¬
ла, могут образовывать и некоторые другие вещества»
Причем в качестве растворителя вместо воды могут вы¬
ступать и другие жидкости. В частности, к подобному по¬
ведению склонны биологически активные молекулы, на¬
пример липиды, имеющие тенденцию в некоторых рас-
тпорителях образовывать мицеллярные и ламинарные
структуры. Такие жидкокристаллические фазы, представ¬
ляющие большой научный интерес и, в частности, инте¬
рес для биологии, пока что недостаточно изучены, и их
исследования только начинают разворачиваться. Тем не
1.17

300 -
Концентрация мыла (весовые проценты)
Рис. 37. Лиотропные жидкокристаллические фазы, существующие в
водном растворе мыла.
менее уже известны практические применения лиотроп*
ных жидких кристаллов. Например, в выработанных неф¬
тяных скважинах много нефти остается в пористых твер¬
дых породах, и ее можно извлечь оттуда, закачивая в
скважины образующую лиотропные фазы смесь с водой
поверхностно активных веществ (сурфакантов). В меди¬
цине материалы, образующие лиотропные ЖК, применя¬
ются для изготовления капсул, защищающих лекарства
от разрушения ферментами пищеварительного тракта.
Проглоченное лекарство остается в капсуле до тех пор,
пока оно не достигает предназначенного ему места, где
жидкий кристалл растворяется, а лекарство производит
лечебный эффект.
Полимерные жидкие кристаллы. Сравнительно недав¬
но выяснилось, что полимеры также могут образовывать
жидкокристаллические фазы. Началось интенсивное изу¬
чение этих жидкокристаллических фаз. Оказалось, htq
118

Рис. 38. Структура полимерией молекул, содержащих
«жесткие» фрагмента и образующих жидкокристалли¬
ческие фазы: а — гребнеобразные полимеры, б — линей¬
ные полимеры, содержащие стержнеобразные фраг¬
менты
ЖК-фазы образуют как линейные полимеры, в которых
полимерная цепь образуется последовательным сшива¬
нием отдельных фрагментов, гак и гребнеобразные по¬
лимеры, в которых у основной длинной полимерной це¬
пи имеются регулярным образом расположенные боко¬
вые отростки (рис. 38).
В целом полимерные ЖК обладают основными ЖК-
фазами, о которых говорилось ранее. Однако их физи¬
ческие характеристики оказываются несколько иными,
чем у ЖК из «мономерных» молекул. В частности, поли¬
мерные ЖК-фазы, как правило, более вязкие и легко
допускают переохлаждение, переходя при этом в твер¬
дую фазу, но сохраняя ориентационный порядок моле¬
кул, характерный для жидкокристаллических фаз. Эти их
И9

свойства могут быть эффективно использованы в прило¬
жениях, которые, как известно, характеризуются рас¬
ширяющимися масштабами практических применений
полимерных материалов.
Если изделие из полимерного материала получать пу¬
тем быстрого охлаждения из жидкокристаллической фа¬
зы, то изделие может обладать улучшенными характе¬
ристиками или свойствами, отсутствующими при другой
технологии производства. Так, полимерные волокна, по¬
лученные через ЖК-фазу, оказываются более прочными,
чем при обычной технологии производства. Полимерные
пленки, полученные через ЖК-фазу, обладают полезны¬
ми оптическими свойствами. Например, пленка, получен¬
ная через холестерическую ЖК-фазу, будучи твердой,
обладает всеми удивительными оптическими свойствами
холестериков, т. е- селективным отражением одной из
круговых поляризаций и, как следствие, характерной ок¬
раской, вращением плоскости поляризации линейно по¬
ляризованного света и т. д.
Системы пониженной размерности — требование
практики. В наше время наука чутко реагирует на запро¬
сы жизни. Стала реально вырисовываться для человече¬
ства проблема нехватки энергии, поэтому усилия ученых
направлены на разработку новых видов источников энер¬
гии. В электронике наступил век микроминиатюризации,
и ученые интересуются физическими системами, «зани¬
мающими мало места». А занимают мало места объек¬
ты, не имеющие объема. Это — двумерные системы, эле¬
менты которых расположены на плоскости, и одномер¬
ные, элемента! которых образуют нити.
Примером физической двумерной системы может
служить моноатомный слой каких-либо атомов (напри¬
мер, гелия) на подложке. Размеры атома — порядка
10-8 см, а площадь слоя, т. е. линейные размеры сторон
слоя, могут быть порядка 1 см. Можно ожидать, что для
такой системы, отношение толщины которой к линейным
размерам порядка 10~3( математическая абстракция, дву¬
ГЛАВА IX
ДВУМЕРНЫЕ ЖК
И СВОЙСТВА
ПОВЕРХНОСТЕЙ
129

мерная система и ее свойства будут иметь отношение к
физическому объекту, монослою атомов. Аналогичные
слова можно сказать об одномерных системах, которые,
как верят ученые, являются математическими моделями
для описания атомных цепочек. Поэтому в настоящее
время учеными очень интенсивно и всесторонне изуча-
ются двумерные и одномерные физические модели или,
как их принято называть, системы пониженной размерно-
СТИ.
«При чем же здесь жидкие кристаллы»? — удивится
вдумчивый читатель. Оказывается, к системам понижен*
ной размерности они имеют самое непосредственное от¬
ношение. Дело в том, что, теоретически выявив и изучив
самые разнообразные свойства системы пониженной
размерности, ученые хотели бы обнаружить эти свойства
у реальных физических объектов. Например, повыше¬
ние температуры сверхпроводящего перехода у одно¬
мерного сверхпроводника по сравнению с массивным.
Но не все так просто, как хотелось бы. Например, в слу¬
чае мономолекулярного слоя, задавшись характером
взаимодействия между отдельными атомами этого слоя,
можно рассчитать его свойства. Однако эти рассчитан¬
ные свойства будут отличаться от наблюдаемых, если да¬
же решение двумерной задачи проведено безукориз¬
ненно. В чем дело? Мы забыли учесть влияние подложки,
которая может существенно повлиять как на взаимодей¬
ствие отдельных атомов монослоя, так и на наблюдаемые
свойства монослоя в целом.
Оказывается, избежать влияния подложек при изуче¬
нии двумерных систем можно, применяя жидкокристал¬
лические вещества. Как же это делается? А делается это
с помощью так называемых свободно подвешенных пле¬
нок. Еще в 20-е годы французский ученый Ж. Фридель
установил, что можно получить свободно подвешенные,
т. е. не опирающиеся на подложку, а граничащие с воз¬
духом или вакуумом пленки смектических жидких кри¬
сталлов. Такие пленки внешне похожи на мыльные, но
могут быть существенно тоньше их. Так, в конце 70-х го¬
дов исследователям удалось разработать методику, по¬
зволяющую получить стабильные смектические пленки
толщиной от двух до нескольких сот молекулярных сло¬
ев. Число слоев в пленке N можно определить, измеряя
отражающую способность пленки, которая при малом
числе слоев пропорциональна iV8, Таким образом, полу-
111

-яенные жидкокристаллические пленки с малым числом
« слоев N, позволяют экспериментально проверить теоре¬
тические выводы относительно свойств двумерных сп¬
летем.
О порядке в двумерных системах. Какие же предска-
-зания теории требуют экспериментальной проверки? Это
•а общих чёртах предсказания относительно тех свойств
• двумерных систем, которые отличаются от соответству-
■' ющих свойств трехмерны л объектов. Одно из порази-
! ИМММ отличий двумерного тела от трехмерного
; заключается в том, что в двумерном случае строгий даль-
1 нии ^порядок в расположении частиц не может реализо-
чва¥ься ни при какой конечной температуре. Другими сло-
1йми, это означает, что не может быть истинного
двумерного кристалла, т. е. кристалла со строго перио¬
дическим расположением частиц (атомов или молекул),
на плоскости. Причина этого заключается в том, что стро¬
гая периодичность, или, как говорят, строгий дальний по¬
рядок, в двумерной системе нарушается длинноволно¬
выми тепловыми флуктуациями. Хотя такие флуктуации
присутствуют в системах произвольной размерности, но
их влияние особенно существенно и приводит к появле¬
нию качественно новых свойств лишь в случае двумер¬
ных и одномерных систем, т. е. систем с размерностью
ниже трех. Здесь уместно задать вопрос, существует ли
в двумерных системах фаза, аналогичная трехмерному
кристаллу? А если существует, то что это такое? Ответ
на первый вопрос положительный — существует и носит
название «двумерный квазикристалл». Чтобы описать от¬
личие двумерного квазикристалла от обычного кристал¬
ла, т. е. ответить на второй вопрос, надо сравнить харак¬
тер корреляций в расположении частиц в одном и другом
случае. Наличие порядка в расположении частиц систе¬
мы, его отсутствие или частичное наличие порядка мож¬
но установить, изучая так называемую функцию двухча¬
стичных корреляций G(ri, г2), или, как часто просто гово¬
рят, корреляционную функцию.
Физический смысл корреляционной функции G очень
прост: она определяет вероятность найти в точке 2 (за¬
данной величиной радиус — вектора г2) какую-либо час¬
тицу системы, если известно, что в точке I (заданной Г\)
уже находится одна из частиц системы. В истинном кри¬
сталле корреляционная функция G(/y2) не затухает с
Щ

Рис. 39. Ориентационное и пози¬
ционное упорядочение в двумер¬
ной кристаллической решетке.
Ннерху: направления связей упо-
ридочены на больших расстоя¬
ниях, а положения молекул толь-
МО на малых. Внизу: ориентаци¬
онное упорядочение связей и
позиционный порядок только на
мялых расстояниях
расстоянием, т. е, не изменяется при увеличении рассто¬
яния между точками 1 и 2, если в качестве этих точек
борутся узлы кристаллической решетки. Для двумерного
нвазикристалла характер поведения с расстоянием кор¬
реляционной функции оказывается иной, она затухает
как | гi—А'г!-’!, где т]Х). Это означает, что истинно даль¬
него позиционного порядка в двумерном случае не су¬
ществует. Однако корреляции в расположении частиц в
двумерном случае спадают достаточно медленно и про¬
шляются на существенно больших расстояниях, чем в
жидкости, для которой закон убывания корреляций экс-
_ l~h - г21
£
ионенциальный е	(с	порядка	нескольких ангстрем),
откуда и происходит термин «квазикристаллический»
или «квазидальний» позиционный порядок (рис. 39).
Пока что мы говорили о позиционном порядке в
двумерном кристалле и его отличии от трехмерного кри¬
сталла.
Кроме этого, можно говорить об ориентационном
упорядочении в кристалле. Например, можно говорить,
если у частиц есть магнитные моменты, об упорядочении
магнитных моментов отдельных частиц в кристалле.
Можно также говорить об упорядочении направлений
Связей между частицами системы, или, что то же самое,
о корреляции между локальными кристаллографически¬

ми направлениями. Оказывается, что в двумерном слу¬
чае, несмотря на то что позиционный порядок может
быть только квазидальним, может осуществляться даль- 3
ний ориентационный порядок. Это означает, что корре- j
ляции в направлениях связей (или магнитных моментов)
могут не затухать с расстоянием, т. е. ориентации кри- >
сталлографических направлений неизменны в простран¬
стве.
Двумерный квазикристалл с квазидальним позицион-
ным порядком и истинным (дальним) ориентационным
порядком при повышении температуры может плавить¬
ся в две стадии, сначала переходя в промежуточную фа- I
зу с ближним (как в жидкости) позиционным порядком, j
но квазидальним порядком в ориентации связей, а за- j
тем, при более высокой температуре, в двумерную жид- '
кость, в которой проявляются только ближние как пози¬
ционные, так и ориентационные корреляции. Предска¬
занная теоретически промежуточная фаза с ближними
позиционными и квазидальними ориентационными кор- •
реляциями получила название гексатической.
Возвращаясь теперь к вопросу об экспериментальном
исследовании двумерных систем, следует сказать, что
свободно подвешенные жидкокристаллические пленки
представляются наиболее удобным объектом для экспе¬
риментального изучения описанных выше фазовых со- ]
стояний двумерных систем и переходов между ними.
Экспериментальные исследования на свободно под- i
вешенных пленках. Обратимся теперь к результатам, по- .
лученным при экспериментальном исследовании сво-
бодно подвешенных пленок. Основным методом иссле¬
дования обсуждавшихся выше двумерных структур и
фазовых переходов между ними является рассеяние
рентгеновских лучей. Сразу же отметим специфику ис¬
следования таких пленок. В связи с их малой толщиной
рассеивающая способность единицы площади такой
пленки также мала. Это фактор отрицательный.	'■
Как положительный фактор не только для обеспече¬
ния истинно двумерного взаимодействия молекул, но и
для экспериментов по рассеянию, выступает то обстоя¬
тельство, что свободно подвешенная пленка не соприка¬
сается с подложками. Для рассеяния это. означает чрез¬
вычайно существенное уменьшение фона, так как един¬
ственным объектом, рассеивающим излучение, в этом
случае является сама пленка. В случае такой же пленки
Щ

мл подложке фон, т. е. рассеяние от подложки, Значи¬
тельно превышал бы полезный сигнал.
Несмотря на последний положительный фактор, в
связи со слабой рассеивающей способностью пленки
для выполнения экспериментов на них, требуются очень
мощные источники рентгеновского излучения (рентгенов¬
ские трубки с вращающимся анодом). Еще более подхо¬
дящим источником для таких исследований является раз¬
виваемый в последнее время источник синхротронного
излучения в рентгеновском диапазоне длин волн. Не
имея возможности подробно останавливаться на описа¬
нии этих новых и перспективных источников излучения
(см.: например, Наука и жизнь, 1983, № 8, с. 44, статью
А. Скринского и Г. Кулипанова), скажем только, что ин-
стинсивность синхротронного излучения на несколько
порядков выше интенсивности самых мощных рентгенов¬
ских трубок, оно почти полностью поляризовано и име¬
ет острую направленность. Все это делает применение
синхротронного излучения наиболее эффективным при
изучении двумерных систем.
Помимо применения мощных источников излучения,
для увеличения полезного сигнала желательно использо¬
вать пленки по возможности с большей площадью по¬
верхности. Добиться максимальной площади пленки, од¬
нородной по толщине, удается путем отжига пленки вбли¬
зи температуры ее перехода из жидкокристаллического
состояния в изотропную жидкость. Под словом «отжиг»
|десь, разумеется, понимается не попытка нагреть плен¬
ку до белого каления, с чем обычно связывается пред¬
ставление об отжиге металлов, а просто ее достаточно
долгое выдерживание при температуре, близкой к точке
фазового перехода.
Чего же следует ожидать, исследуя рассеяние рент¬
геновского излучения от свободно подвешенной жид-
иокристаллической пленки? Ответ в общих чертах такой:
характер дифракции рентгеновского излучения на дву¬
мерной пленке будет различным в зависимости от того,
существует ли в ней истинный (дальний) позиционный по¬
рядок, квазидальний позиционный порядок или только
ближний позиционный порядок.
В первом случае дифракционная картина должна
Состоять из четких дифракционных максимумов, отра¬
жающих трансляционную и вращательную симметрию
Двумерной решетки. Во втором случае четкая дифракци-
I2S

Рис. 40. Результаты дифракционного исследова¬
ния свободно подвешенных ЖК-пленок, выпол¬
ненного с помощью синхротроиного излучения.
Наблюдаемая угловая ширина дифракционного
максимума (точки) согласуется с теоретической
кривой (сплошная линия) для случая отсутствия
дальнего позиционного порядка. Заштрихован¬
ная часть графика показывает угловое разреше¬
ние аппаратуры
!онная картина, соответствующая первому случаю, не-
I сколько размывается. И наконец, в третьем случае, соот-
I ветствующем корреляциям молекул, характерным для
жидкости, система дифракционных пиков исчезает [7].
Рассеяние в этом случае не илле^т резких по углу
г пиков, а сосредоточено в основном внутри конуса, ось
* которого совпадает с направлением падающего пучка, а
® угловой раствор характеризует ближний порядок в жид-
\кости.
Исследования, выполненные американскими физиками
на стенфордском источнике синхротронного излучения,
показали, что в свободно подвешенных жидкокристал¬
лических пленках, как предсказывает теория, истинного
дальнего порядка нет, а реализуется только квазидаль-
ный порядок. Установить это удалось по эксперименталь¬
но наблюдаемой размытости дифракционных макси¬
мумов (рис. 40). В тех же пленках изучалось изменение
структуры при. нагревании. Экспериментально обнару¬
126

жить предсказанную теоретически гексатическую сразу с
ближним позиционным и квазидальным ориентационным'
порядком не удалось. При нагревании происходило плав*
Пение двумерного кристдлла-и картина рассеяния соответ¬
ствовала двумерной жидкости, для которой, как говори¬
лось выше, рассеяние, характеризуется некоторым ко¬
нусом.
В случае же гексатической фазы дифракционные мак¬
симумы хотя, сильно размываются и могут в некоторой”
• и пени перекрываться, но но исчезают вовсе. Поэтому ?
■ случае ее существования, следовало ожидать, что рас¬
сеяние, подобно жидкости, будет характеризоваться ко-'
нусом, однако интенсивность рассеяния не будет обла¬
дать вращательной симметрией относительно оси кону-'
се, а будет промодулирована по интенсивности в соот¬
ветствии с гексагональной симметрией связей в гексати--
ческой фазе. Этого в описываемых экспериментах на^
тонких пленках не видели.
Этот результат, полученный на одном веществе, нель-'
«и трактовать как опровержение предсказания теории о-*
существовании гексатической фазы. Предсказанная струк-*
тура может реализоваться, вообще говоря, на другом*'
веществе. Тем более что основания для такой надеждьи*
базируются не только на общих соображениях, но и на :
юм, что имеются косвенные экспериментальные указа-'"
ния на существование гексатической фазы. Эти указания ’
гвиз^нц} с рентгеновскими исследованиями толстых (бо-
л«е 100 слоев) пленок смектических жидких кристаллов,
которце показали,, что исследованное вещество образу- ■
•т трехмерную ф§зу, которую можно рассматривать как •'
Стопку двумерных гексатических слоев.
Ориентация ЖК поверхностями. Рассказывая о том, ,
чго жидкокристаллические пленки представляют из себя/
объекты, в которых, пожалуй, в наиболее чистом виде^
проявляются свойства двумерных систем, следует также*:
сказать, что с помощью жидких кристаллов могут быть-
изучены свойства других двумерных объектов. Например,,
свойства поверхностей твердых тел. Прежде чем гово¬
рить о том, как исследуется е помощью жидких кри¬
сталлов поверхность с неизвестными свойствами, остано¬
вимся сначала подробнее на том, как специально обра¬
ботанные поверхности применяются для воздействия*
на ЖК.
Знакомясь со способом получения монокристаллов:
1231

мезофаз, вы наверняка обратили внимание на го, что
ориентирующее воздействие на молекулы жидкого кри¬
сталла оказывает специальным ибразом обработанная
поверхность подложки. Даже не вдаваясь в физические
причины такого упорядочивающего воздействия поверх¬
ностей, ограничивающих жидкий кристалл, подчеркнем,
что способность жидких кристаллов реагировать на свой¬
ства поверхностей, на которые они нанесены, оказывает¬
ся очень полезной и важной. С одной стороны, это свой¬
ство, как мы видели, полезно и важно для исследований
и применений жидких кристаллов, а с другой стороны,
оно интересно и важно для исследования свойств поверх¬
ностей.
В наш век микроэлектроники, вызвавшей к жизни
новые технологии, связанные с производством совершен¬
ных монокристаллов и миниатюрных изделий из них,
умение изучать свойства веществ в тонких слоях, а также
их поверхностей стало практической необходимостью.
Чтобы проиллюстрировать это утверждение, достаточно
сказать, что, например, овладению методами промыш¬
ленного производства монокристаллов кремния и гер¬
мания высокой степени совершенства мы обязаны успе¬
хам микроэлектроники. Требования к совершенству этих
кристаллов настолько велики, что часто не поддающиеся
существующим оперативным методам контроля их не¬
совершенства приводят к недопустимому ухудшению
параметров готовых изделий. В таких условиях прихо¬
дится мириться с тем, что контроль элементов изделий,
проводимый на конечном этапе их производства, приво¬
дит к высокому проценту выбраковки. Естественно, очень
желательно иметь возможность осуществлять контроль
качества на более ранних этапах производства. И вот
здесь свойства ЖК реагировать на характеристики по¬
верхностей могут оказаться чрезвычайно полезными. По¬
этому остановимся подробнее на взаимодействии жид¬
ких кристаллов с поверхностями.
Простейший из упоминавшихся методов ориентации
ЖК поверхностью состоит в направленной полировке по¬
верхности. Физическая причина ориентации молекул
жидкого кристалла в этом случае состоит в том, что мо¬
лекулы жидкого кристалла укладываются в микробо¬
роздки, возникшие в результате полировки, своими длин¬
ными осями вдоль направления полировки, т. е. вдоль
бороздок (рис. 41). Так обстоит дело с ориентацией мо-
128

Гис. 41. Упорядочение молекул направленной полировкой по¬
верхности
Лекул, непосредственно соседствующих с поверхностью.
Ориентация же молекул, удаленных от поверхности, ин¬
дуцируется их межмолекулярным взаимодействием с
приповерхностными, уже ориентированными молекула¬
ми, которое ориентирует их также вдоль направления
полировки.
На языке теории упругости жидких кристаллов ориен¬
тирующие силы между молекулами — это силы упруго¬
сти. Поэтому если на какой-то поверхности (в нашем
случае на подложке) задана ориентация директора, то,
например, для нематика силы упругости будут стремить¬
ся точно так же сориентировать директор во всем объ¬
еме. В случае холестерика в той же ситуации силы упру¬
гости будут стремиться по мере удаления от подложки
однородно изменять ориентацию директора по закону
2те
<р - —z, где z — удаление от подложки, р — шаг холе-
Р
стерической спирали, <р — угол, описывающий отклоне¬
ние директора (длинных осей молекул) от направления
полировки. Однако надо заметить, будет ли таким про¬
стым способом ориентирован директор в объеме, за¬
висит от того, какие условия на ориентацию молекул су¬
ществуют на второй, если она есть, обкладке, ограничи¬
вающей жидкий кристалл. Например, как мы видели в
твист-текстуре нематика (см. рис. 8, в), требуется, чтобы
ориентация молекул на второй обкладке была перпенди¬
кулярна их ориентации на первой обкладке. В этом слу¬
чае те же силы упругости обеспечивают равномерное
вращение директора в объеме жидкого кристалла от
одного направления к другому.
Помимо ориентации длинных осей молекул вдоль по¬
верхности, удается молекулы жидкого кристалла ориен¬
тировать и перпендикулярно поверхности. В этом слу-
9 В. А. Беляков
129

С18Н37
СГ + N — (CHJ ,Si (ОСИ,) ,
,/ \
CH3 GH3
Подложка
1 H3C—«■ N —<СН2)3 Si(OCH3)3
Н
Рис. 42. Ориентация молекул у поверхности с помощью
молекул-ориентантов: а) перпендикулярно, б) параллельно
поверхности
чае обработка поверхности состоит в нанесении на нее
специальных веществ ориентантов. Способность этих
веществ ориентировать молекулы жидких кристаллов
связана со своеобразным устройством молекул этих ве¬
ществ. Их молекулы обладают «головкой», несущей
электрический дипольный момент, и длинным хвостом.
При нанесении таких молекул на поверхность они свои¬
ми дипольными головками притягиваются к поверхности.
Хвосты же оказываются ориентированными перпендику¬
лярно поверхности (рис. 42). Взаимодействуя с этими
хвостами, молекулы жидкого кристалла также ориенти¬
руются перпендикулярно поверхности. Дальше же, в
глубь объема жидкого кристалла, ориентация директора
обеспечивается точно так же, как говорилось выше, т. е.
упругостью самого жидкого кристалла. Таким образом,
130

с помощью таких ориентантов можно создавать упомй-
навшиеся ранее гомеотропные текстуры, т. е. слои жид-»
ких кристаллов с направлением директора, перпендику¬
лярным поверхности обкладок.
Здесь следует сказать, что существуют вещества-ори-
ентанты, которые способствуют ориентации молекул
жидкого кристалла длинными осями вдоль поверхности.
Поэтому полировка обкладок оптических ячеек — не
единственный способ обработки поверхностей для полу¬
чения планарных текстур. Правда, при получении с по¬
мощью ориентантов ориентации длинных осей молекул
жидкого кристалла, параллельной поверхности, сущест¬
вует еще проблема — обеспечить не только параллель¬
ность осей молекул по отношению к поверхности, но И
одинаковую ориентацию осей всех молекул. Если такие
ориентанты наносить на обкладки, не заботясь об этом,
на разных участках поверхности, длинные оси молекул
жидкого кристалла будут направлены по-разному. До¬
биться однородной ориентации директора на поверхно¬
сти удается специальной процедурой нанесения ориента¬
ции на поверхность, например косым напылением его
молекул.
Изучение свойств поверхностей. Мы говорили пока о
способах ориентации жидких кристаллов, так сказать, в
интересах самих жидких кристаллов, т. е. для получения
их слоев с заданной структурой путем использования по¬
верхностей с известными свойствами. Теперь, познако¬
мившись с примерами успешного решения этой задачи,
поставим вопрос так. А что можно сказать о свойствах
поверхности по наблюдаемой структуре тонкого жидко¬
кристаллического слоя, нанесенного на эту поверхность?
Следует отметить, что до недавнего времени влия¬
ние поверхности на свойства приповерхностного слоя
жидкого кристалла оставалось одним из наименее по¬
нятных аспектов поведения жидких кристаллов. И только
в последнее время наблюдается прогресс в этой обла¬
сти благодаря экспериментальным исследованиям. Что жё
касается теории этого вопроса, то здесь мы находимся
только в начале пути. Да это и понятно, так как вопрос
при внешней его простоте, по существу, очень сложный,
Действительно, при решении его надо учесть массу фак¬
торов. Характер ориентации жидких кристаллов подлож¬
кой зависит как от природы подложки, так и жидкого
кристалла и, в частности, от химических и водородных
131

"Связей, гдипольных бзаимбдёйствий, ван-Дер-ваалыft
вых сил (разновидности межмолекулярных сил), стери-
ческих факторов, упругой энергии и т. д. Поэтому нижн
расскажем о результатах некоторых недавних исследов*»
‘ний по изучению поверхностей и поверхностных явл#*
г ний с помощью жидких кристаллов.
Визуализация сегнетоэлектрических доменов. Читая
'о смектических жидких кристаллах (гл. V), вы познано»
мились с сегнетоэлектрическими жидкими кристаллами*
Теперь подчеркнем еще раз, что сегнетоэлектричество
-это типично твердотельное явление, а его изучение И
' многочисленные технические применения в подавляющая
• массе случаев связаны с обычными кристаллами. Так ж#
1 как и в рассмотренном нами случае жидких кристаллов
% твердые сегнетоэлектрики характеризуются прежде act*
' го тем, что они обладают макроскопическим электриче¬
ским дипольным моментом. Этот момент еще часто ив
зывают спонтанным, потому что он существует в сегнггО*
электриках в отсутствие внешнего электрического noiHk
• тогда как у большинства веществ макроскопически!*
I электрический дипольный момент возникает только при
I наложении внешнего поля. Так же как и в смектиках, I
'сегнетоэлектрических кристаллических образцах боль*
1 ших размеров наличие макроскопического дипольною
момента непосредственно не проявляется. Дело в том,
что образец разбивается на домены с различной орием
I тацией дипольных моментов отдельных доменов твИ|
‘ что суммарный дипольный момент достаточно большою
<>- образца оказывается равным нулю (рис, 43).
Тем не менее наличие дипольного момента у отдель*
t-ных доменов очень существенно и определяет мнении
свойства сегнетоэлектриков (например, диэлектрическую
i проницаемость), важные в применениях этих веществ |
1 частности, эти свойства оказываются зависящими от хв*
рактера доменной структуры сегнетоэлектрика и влии
ния на нее внешних воздействий, прежде всего электри
ческих полей. Поэтому изучение доменной структуры
сегнетоэлектриков очень существенно как для исследи
ваний физической сущности сегнетоэлектричества, ТМ
и для оптимального их использования в технических уст-
ройствах.
В изучении доменной структуры сегнетоэлектрино»
очень эффективным оказалось применение жидких мри
сталлов, особенно в случае коллинеарных сегнетоэлонт»
132

Стекло
■ Жидкий кристалл
тгс
fill 41 Схеме изучения сегнетоэлектрических доменов в
•«»н‘«1ччп> шектрике с помощью жидких кристаллов
■рв!, Коплинеарными принято называть такие сегнето-
НВПрики, у которых доменная структура представляет
(игтему чередующихся антипараллельных доме-
pil (рж . 43), т. е. электрические дипольные моменты со-
НйЦМ1 доменов направлены в прямо противоположные*
нмн“ны Для изучения доменной структуры ее надо
#и*у янн тровать. Если для неколлинеарных доменных
визуализацию удавалось осуществить сравни-
нмьно просто, то для коллинеарных сегнетоэлектрикое
НрЦИЫ* методы визуализации не подходили. Дело в
1нм, что по своим оптическим свойствам домены с пря-
И( противоположными направлениями дипольного мо-
■Щтв совершенно эквивалентны. Поэтому несмотря на
ЧТО коллинеарный сегнетоэлектрик может быть раз-
•««ым ип множество доменов, в оптическом отношении
■р остается совершенно однородным, и обычные оптиче-
 - методы оказываются бессильными в выявлении его
рммеиной структуры.
выявить доменную структуру коллинеарных сегнето-
вйоитриков помогли тонкие пленки нематических кри-
Нрйлов, нанесенные на поверхность образца. Если такой
Нрвзец с нанесенной на его поверхность пленкой нема-
(иня | >.н сматривать в поляризационный микроскоп (т. е.
тмчцл», поляризованным светом и анализировать поля-
Мт«ацию прошедшего света, например, проводить на¬
вям» д^ни я при скрещенных поляроидах), то домены ока-
♦ымпкчея очень четко выявленными (см. рис- 44). Бо-
135

Рис. 44. Доменная структура триглицинсульфата (ТГС), выявленная
с помощью нематика
лее того, оказалось возможным наблюдать не только
статическую картину доменов, но и их развитие, движе¬
ние и исчезновение при наложении переменных электри¬
ческих полей. Исследователи из Института кристаллогра¬
фии АН СССР, которые предложили этот способ визуа¬
лизации доменов, даже засняли с помощью этой мето¬
дики кинофильм о динамике сегнетоэлектрических до¬
менов в кристалле триглицинсульфата.
Причина визуализации доменов заключается в том,
что на поверхности образца в областях доменов с про¬
тивоположным направлением дипольного момента воз¬
никают отличающиеся друг от друга электрические поля.
Это отличие в электрических полях приводит к различной
ориентации молекул в нематике над доменами с проти¬
воположной ориентацией дипольного момента, что, в
свою очередь, приводит к различию оптических характе¬
ристик нематика над соответствующими участками по¬
верхности образца и в конечном счете к визуализации
доменов.
Другой принцип визуализации сегнетоэлектрических
явлений с использованием жидких кристаллов связан с
тепловым воздействием на жидкий кристалл. Этот прин¬
цип удобно использовать для изучения явлений, связан¬
ных с фазовым переходом вещества в сегнетоэлектриче-
434

(нов состояние. Известно, что свойство сегнетоэлектри-
чегтва проявляется только в определенном (для каждого
вещества, обладающего сегнетоэлектричеством) темпе¬
ратурном интервале. При нагревании вещества до неко¬
торой температуры Тс сегнетоэлектрические свойства
исчезают, а эту температуру Те называют температурой
флзового перехода.
Оказывается, что при температуре сегнетоэлектрика
Несколько ниже Тс его свойства сильно зависят от тем¬
пературы. В частности, если на сегнетоэлектрик наложить
радиочастотное поле, то поглощение энергии этого поля
Сильно возрастает при приближении температуры сегне¬
тоэлектрика к 7С. Рост поглощения, в свою очередь, при¬
водит к дальнейшему нагреву образца. Используя это
обстоятельство, можно визуализировать динамику фазо¬
вого перехода сегнетоэлектрика при приложении радио¬
частотного поля, если нематическая пленка, нанесенная
на образец, обладает температурой перехода в изотроп¬
ную жидкость, несколько меньшей Гс. В этом случае те
участки образца, которые оказываются ближе по темпе¬
ратуре к Тс и интенсивней поглощают радиочастотное
поле, начинают нагреваться быстрей, чем области с более
низкой температурой, и нагревают в соответствующих
местах пленку нематика, переводя ее в изотропную жид¬
кость. Оптические свойства пленки жидкости резко от¬
личаются от свойства пленки нематика, что и приводит к
визуализации участков сегнетоэлектрика, температура
которых приближается к точке фазового перехода Тс.
Это позволяет в динамике наблюдать за распростране¬
нием температурных фронтов на поверхности сегнето¬
электрика в области фазового перехода и тем самым
выяснять тонкие детали сегнетоэлектрического фазового
перехода.
Исследование механических деформаций. Совершен¬
но неожиданным на первый взгляд кажется то, что тот
же принцип теплового Воздействия на жидкий кристалл
может быть использован для изучения деформаций кри¬
сталлов и связи процесса деформации с несовершенства¬
ми на поверхности кристалла.
Правда, сразу следует оговориться, что здесь речь
идет о сильных деформациях, величины которых пре¬
восходят предел упругих деформаций и граничат с раз¬
рушением образца, т. е. о так называемых пластических
деформациях.
135

Известно, что значительная часть работы, затрачива-
емой на пластическую деформацию и разрушение мате¬
риала, превращается в тепло. При этом важно, что теп¬
ловыделение происходит неравномерно по образцу.
Тепловыделение концентрируется вблизи микродефек¬
тов в так называемых полосах скольжения при пластиче¬
ской деформации и в целом на тех участках, где проис¬
ходят необратимые изменения структуры кристалла.
Однако надежных методов регистрации локализации те¬
пловыделения при деформациях пока что не разрабо¬
тано. И вот опять оказалось, что в качестве визуализато-
ров тонких деталей тепловыделения при деформациях
можно использовать жидкие кристаллы.
Расскажем, как это делается, на примере исследова¬
ний деформации монокристаллов поваренной соли, вы¬
полненных И. Г. Чистяковым с сотрудниками [8]. На по¬
верхность монокристаллика поваренной соли, подвергав¬
шейся пластической деформации, наносился тонкий слой
жидкого кристалла. В этом случае наносимым жидким
кристаллом был холестерик, подобранный так, что при
температуре проведения эксперимента из-за своих не¬
обычных оптических свойств (см. гл. IV) он был ярко ок¬
рашен. В момент развития пластической деформации в
кристаллике окраска холестерической пленки на образце
резко изменилась на участках, в точности соответство¬
вавших возникавшим полосам скольжения. Механизмом
изменения цвета холестерика является уже знакомое
нам явление “изменения шага холестерической спирали с
изменением температуры холестерика, которое проис¬
ходило за счет локального тепловыделения в полосах
скольжения. Изменение шага спирали приводило к из¬
менению длины волны селективно отражаемого холесте¬
риком света, т. е. к изменению окраски пленки. В отличие
от случая визуализации сегнетоэлектрических доменов,
для которой необходимо было использовать поляризо¬
ванный свет и анализировать поляризацию прошедшего
света, применение холестериков в этом случае визуали¬
зирует картину пластической деформации в естествен¬
ном, т. е. неполяризованном, свете.
В процессе описываемых исследований также выяс¬
нилось, что в области полос скольжения происходит не
только изменение окраски холестерика, но и возникают
гидродинамические потоки холестерика в пленке. Это
еще более повышает контраст наблюдаемой картины де¬
(36

формации. Природа же этих потоков оказалась очень
неожиданной и интересной. Локальный нагрев холесте¬
рика над полосой скольжения уменьшает поверхностное
натяжение в этом участке племш. Из-за того что в сосед¬
них участках поверхностное «®ИШ®ние оказывается боль¬
шим, чем в нагретых участквй, ©и© «стягивает» жидкость
С нагретых участков в область гЫЗ&ных. Это и вызывает
наблюдаемые потоки холесмцгш®. Такое явление извест¬
но и для обычных жидкостей^ м тт имени итальянского
учного, впервые исследовать© его, оно носит название
«конвенкция Марангони».
Жидкие кристаллы сегодня и завтра. Многие оптиче¬
ские эффекты в жидких кристаллах, о которых рассказы¬
валось выше, уже освоены техникой и используются в
изделиях массового производства. Например, всем из¬
вестны часы с индикатором на жидких кристаллах, но не
все еще знают, что те же жидкие кристаллы использу¬
ются для производства наручных часов, в которые встро¬
ен калькулятор. Тут уже даже трудно сказать, как на*
звать такое устройство, то ли часы, то ли компьютер. Но
это уже освоенные промышленностью изделия, хотя
всего десятилетия назад подобное казалось нереальным.
Перспективы же будущих массовых и эффективных при¬
менений жидких кристаллов еще более удивительны. По-г
этому стоит рассказать о нескольких технических идеях
применения жидких кристаллов, которые пока что не
реализованы, но, возможно, в ближайшие несколько лет
послужат основой создания устройств, 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
ГЛАВА X
О БУДУЩИХ
ПРИМЕНЕНИЯХ
ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ
137

плоских экранов на жидких кристаллах сталкивается (
трудностями не принципиального, а чисто технологии*» .
ского характера. Хотя принципиально возможность ctlfl
здания таких экранов продемонстрирована, однако М
связи со сложностью их производства при современной]
технологии их стоимость оказывается очень высокой. 11<>
этому возникла идея создания проекционных устройств ■
на жидких кристаллах, в которых изображение, получен-
ное на жидкокристаллическом экране малого размера
могло бы быть спроектировано в увеличенном виде мв|
обычный экран, подобно тому, как это происходит а
кинотеатре с кадрами кинопленки. Оказалось, что такие
устройства могут быть реализованы на жидких кристам
лах, если использовать сэндвичевые структуры, в кото»
рые наряду со слоем жидкого кристалла входит слой
фотополупроводника. Причем запись изображения а
жидком кристалле, осуществляемая с помощью фотопО»
лупроводника, производится лучом света. О подобном
проекторе уже рассказывалось в главе VII. Теперь ЖМ
познакомимся с физическими явлениями, положенными
в основу его работы.
Принцип записи изображения очень прост. В отсутст*
вие подсветки фотополупроводника его проводимость
очень мала, поэтому практически вся разность потенция*
лов, поданная на электроды оптической ячейки, в кото*
рую еще дополнительно введен слой фотополупровод-
ника, падает наЪтом слое фотополупроводника. При этом
состояние жидкокристаллического слоя соответствует
отсутствию напряжен .я на нем. При подсветке фотопо¬
лупроводника его проводимость резко возрастает, таи
как свет создает в нем дополнительные носители тока
(свободные электроны и дырки). В результате происхо¬
дит перераспределение электрических напряжений а
ячейке — теперь практически все напряжение падает нп
жидкокристаллическом слое, и состояние слоя, в частно
сти, его оптические характеристики изменяются соотвсн
ственно величине поданного напряжения. Таким образом
изменяются оптические характеристики жидкокристлл
лического слоя в результате действия света. Ясно, что
при этом в принципе может быть использован любой
электрооптический эффект из описанных выше. Практи¬
чески, конечно, выбор электрооптического эффекта в та¬
ком сэндвичевом устройстве, называемом электроопти-
ческим транспарантом, определяется наряду с требув-
138

■M Motнч*'1 ними характеристиками и чисто технологи-
НЦМм причинами [6].
L 1#«*нм что в описываемом транспаранте изменение
^■§§ИИХ характеристик жидкокристаллического слоя
^Н|ЙДИ1 локально — в точке засветки фотополупро-
Ммия MojtOMy такие транспаранты обладают очень вы-
MN ря »|ччшнощей способностью. Так, объем информа-
I, »нд«| ""'Чцейся на телевизионном экране, может быть
■Мн на 11миспаранте размерами менее 1X1 см2.
Рим» яннми способ записи изображения, помимо все-
■Мйчтн и, обладает большими достоинствами, так как
^Ндовет ненужной сложную систему коммутации, т. е.
Мвму подвода электрических сигналов, которая
ВйДйнмен н в матричных экранах на жидких кри-
If «нИв|,
НЬфвтранственно-временные модуляторы света. Уп-
рНлпямЫ" оптические транспаранты могут быть исполь-
Н|!Н<ы N1 только как элементы проекционного устрой-
flflt. ни и выполнять значительное число функций, свя-
1)ННы« t преобразованием, хранением и обработкой оп-
BttCiни» сигналов. В связи с тенденциями развития ме-
М£ня передачи и обработки информации с использова¬
ний* Йптичоских каналов связи, позволяющих увеличить
^ИВфДвйствие устройств и объем передаваемой инфор-
■бМнн, управляемые оптические транспаранты на жид-
■I ври( шллах представляют значительный интерес и с
Мни сочки зрения. В этом случае их еще принято назы-
Ц(й ирпсгранственно-време'нными модуляторами света
или световыми клапанами. Перспективы и мас-
МйЙы применения ПВМС в устройствах обработки опти-
ЯбВяни информации определяются тем, насколько се-
Вдиямгнии характеристики оптических транспарантов мо-
ЯМ Рыть улучшены в сторону достижения максимальной
Н|9*аительности к управляющему излучению, повыше-
Bg быстродействия и пространственного разрешения
■бУОяых сигналов, а также диапазона длин волн излуче¬
ния, п котором надежно работают эти устройства. Как
■§ отмечалось, одна из основных проблем — это проб-
ММ! быстродействия жидкокристаллических элементов,
Ийяно уже достигнутые характеристики модуляторов
■§fB позволяют совершенно определенно утверждать,
gfo они займут значительное место в системах обработ¬
ай оптической информации. Ниже рассказывается о ря¬
де возможных применений модуляторов света.
139

Прежде всего отметим высокую чувствительность!
модуляторов света к управляющему световому потоку,
которая характеризуется интенсивностью светового по¬
тока всего 10-6—10~8 Вт/см2. Кроме того, достигнуто
высокое пространственное разрешение сигнала—около
300 линий на 1 мм. Спектральный диапазон работы мо¬
дуляторов, выполненных на различных полупроводнико-1
вых материалах, перекрывает длины волн от ультрафио-1
летового до ближнего инфракрасного излучения. Очень!
важно, что в связи с применением в модуляторах фото-1
полупроводников удается улучшить временные характе¬
ристики устройств по сравнению с быстродействием соб- :
ственно жидких кристаллов. Так, модуляторы света за
счет свойств фотополупроводника могут зарегистриро- I
вать оптический сигнал продолжительностью всего 10_6—
10-8 с. Разумеется, изменение оптических характеристик ■
жидкого кристалла в точке регистрации сигнала проис- ]
ходит с запаздыванием, т. е. более медленно, в соответ-
ствии с временем изменения оптических характеристик
жидкого кристалла при наложении на него (или снятии) '
электрического поля.
Какие же, кроме уже обсуждавшихся функций, могут
выполнять модуляторы света? При соответствующем под¬
боре режима работы модулятора они могут выделять
контур проектируемого на него изображения. Если кон¬
тур перемещается, то можно визуализировать его дви-
жение. При этом существенно, что длина волны записы- !
вающего изображения излучения и считывающего излу¬
чения могут отличаться. Поэтому модуляторы света по¬
зволяют, например, визуализировать инфракрасное из¬
лучение, или с помощью видимого света модулировать
пучки инфракрасного излучения, или создавать изобра¬
жения в инфракрасном диапазоне длин волн.
В другом режиме работы модуляторы света могут ]
выделять области, подвергнутые нестационарному осве¬
щению. В этом режиме работы из всего изображения
выделяются, например, только перемещающиеся по изо- j
бражению световые точки, или мерцающие его участки. |
Модуляторы света могут использоваться как усилители \
яркости света (в 102—105 раз и более) В связи же с их
высокой пространственной разрешающей способностью ]
Их использование оказывается эквивалентным усилителю
с очень большим (104—-108) числом каналов.
Перечисленные функциональные возможности опти¬
140

ческих модуляторов дают йснованиё использовать их в
многочисленных задачах обработки оптической инфор¬
мации, таких как распознавание образов, подавление по*
мех, спектральный и корреляционный анализ, интерфе¬
рометрия, в том числе запись голограмм в реальном мао-
пн абе времени, и т. д. Насколько широко перечислен¬
ные возможности жидкокристаллических Оптических мо¬
дуляторов реализуются в надежные технические устрой-
• та, покажет ближайшее будущее.
Оптический микрофон. Только что было рассказано
об управлении световыми потоками с помощью света.
Однако в системах оптической обработки информации и
| и язи 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 воз-
действий в оптический сигнал жидкокристаллические ус-
фойства оказываются опять-таки очень удобными и пер¬
спективными элементами оптических систем.
Конечно, существует масса методов преобразовывать
перечисленные воздействия в оптические сигналы, одна¬
ко подавляющее большинство этих методов связано сна¬
чала с преобразованием воздействия в электрический
сигнал, с помощью которого затем можно управлять
световым потоком. Таким образом, методы эти двусту-
пончатые и, следовательно, не такие уж простые и эко¬
номичные в реализации. Преимущество применения в
втих целях жидких кристаллов состоит в том, что с их
помощью самые разнообразные воздействия можно не¬
посредственно переводить в оптический сигнал, что уст¬
раняет промежуточное звено в цепи воздействие — све¬
товой сигнал, а значит, вносит принципиальное упроще¬
ние в управление световым потоком. Другое достоинст¬
во ЖК-элементов в том, что они легко совместимы с уз¬
лами волоконно-оптических устройств.
Чтобы проиллюстрировать возможности с помощью
ЖК управлять световыми сигналами, расскажем о прин¬
ципе работы «оптического микрофона» на ЖК — устрой¬
ства, предложенного для непосредственного перевода
акустического сигнала в оптический.
Принципиальная схема устройства оптического мик¬
рофона очень проста. Его активный элемент представляет
собой ориентированный слой нематика. Звуковые коле-
141

7
Ш
Подложка
Ёис. 45. Схема оптического во¬
локна а с резкой диэлектриче¬
ской границей, б с изменяющей¬
ся от центра к поверхности ди¬
электрической проницаемостью,
в волновода, образованного сло¬
ем ЖК
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 СССР,
показали, что по своим параметрам он не уступает су¬
ществующие образцам и может быть использован в оп¬
тических линиях связи, позволяя осуществлять непосред¬
ственное преобразование звуковых сигналов в оптиче¬
ские. Оказалось также, что почти во всем температурном
интервале существования нематической фазы его акусто-
оптические характеристики практически не изменяются
т
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 покры¬
тие, диэлектрическая проницаемость которого больше,
чем во внутренней части волокна, в результате чего про¬
исходит полное внутреннее отражение света на границе
внутренней части и внешнего покрытия. Волноводный ре¬
жим распространения света в волокне может быть также
достигнут не только за счет резкой диэлектрической гра¬
142

ницы, но и при плавном изменении показателя прелом¬
ления (диэлектрической проницаемости) от середины к
поверхности волновода (рис. 45).
По аналогии с оптическими волокнами в тонком слое
жидкого кристалла также может быть реализован волно¬
водный режим распространения света вдоль слоя, если
обеспечить соответствующее изменение диэлектриче¬
ской 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 холестерика можно, например, путем приложения
электрического поля обеспечить такой характер измене¬
ния ориентации директора по толщине, что для опреде¬
ленной поляризации света такой слой оказывается опти¬
ческим волноводом.
Каждый увидит здесь очевидную аналогию между оп¬
тическим волокном-волноводом и жидкокристалличе¬
ским волноводом. Но имеется здесь и очень существен¬
ная разница. Эта разница состоит в том, что если диэлек¬
трические характеристики оптического волокна, а следо¬
вательно, и его волноводные свойства, неизменны и фор¬
мируются при его изготовлении, то диэлектрические, а
следовательно, и волноводные свойства ЖК-волновода
легко изменять путем внешних воздействий.
Это значит, например, что если жидкокристалличе¬
ский волновод включен в канал волоконной связи, то
световой поток, идущий по этому каналу, можно моду¬
лировать, меняя характеристики ЖК-элемента. В про¬
стейшем случае это может быть просто прерывание све¬
тового 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
устроен так, что акустический сигнал вызывает в нем воз¬
мущение 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 особен¬
но заманчивым, такая система «стереотелевидения на
жидких кристаллах» может быть реализована ценой очень
143

Простой модификации передающей телекамеры и до¬
полнением обычных телевизионных приемников специ¬
альными очками, стекла которых снабжены жидкокри¬
сталлическими фильтрами.
Идея этой системы стереотелевидения чрезвычайно
проста. Если учесть, что кадр изображения на телеэкра¬
не формируется построчно, причем так, что сначала вы¬
свечиваются нечетные строчки, а потом четные, то с по¬
мощью очков с жидкокристаллическими фильтрами лег¬
ко сделать так, чтобы правый глаз, например, видел толь¬
ко четные строчки, а левый —нечетные. Для этого доста-
точно синхронизировать включение и выключение жидко¬
кристаллических фильтров, т. е. возможность восприни¬
мать изображение на экране попеременно то одним, то
Другим глазом, делая попеременно прозрачным то одно,
То другое стекло очков с высвечиванием четных и нечет¬
ных строк.
Теперь совершенно ясно, какое усложнение передаю¬
щей телекамеры даст стереоэффект, телезрителю. На¬
до, чтобы передающая телекамера была стерео, т. е.
чтобы она обладала двумя объективами, соответствую¬
щими восприятию объекта левым и правым глазом чело¬
века, четные строчки на экране формировались с по¬
мощью правого, а нечетные — с помощью левого объ¬
ектива передающей камеры.
Система очков с жидкокристаллическими фильтра¬
ми— затворами, синхронизированными с работой телеви¬
зора, может оказаться непрактичной для массового при¬
менения. Возможно, что более конкурентоспособной ока¬
жется стереосистема, в которой стекла очков снабжены
обычными поляроидами. При этом каждое из стекол оч¬
ков пропускает линейно-поляризованный свет, плоскость
поляризации которого перпендикулярна плоскости поля¬
ризации света, пропускаемого вторым стеклом. Стерео
же эффект в этом случае достигается с помощью жидко¬
кристаллической пленки, нанесенной на экран телевизо¬
ра и пропускающей от четных строк свет одной линей¬
ной поляриэ[ации, а от нечетных — другой линейной по¬
ляризации, перпендикулярной первой.
Какая из описанных систем стереотелевидения будет
реализована или выживет совсем другая система, пока¬
жет будущее.
Очки для космонавтов. Знакомясь ранее с маской для
электросварщика, а теперь с очками для стереотелеви-
144

линия, вы заметили, что в этих устройствах управляемый
Жидкокристаллический фильтр перекрывает сразу все
поле зрения одного или обоих глаз. Между тем сущест¬
вуют ситуации, когда нельзя перекрывать все поле зрения
человека и в то же время необходимо перекрыть от¬
дельные участки поля зрения.
Например, такая необходимость может возникнуть у
космонавтов в условиях, их работы в космосе при чрез¬
вычайно ярком солнечном освещении, не ослабленном
ни атмосферой, ни облачностью. Эту задачу как в случае
маски для электросварщика или очков для стереотеле¬
видения позволяют решить управляемые жидкокристал¬
лические фильтры.
Усложнение очков в этом случае состоит в том, что
поле зрения каждого глаза теперь должен перекрывать
не один фильтр, а несколько независимо управляемых
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 космонав¬
там, но и людям других профессий, работа которых мо¬
жет быть связана не только с ярким нерассеянным осве¬
щением, 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 использо¬
вание пилотом очков, ограничивающих поле зрения, мо¬
жет быть полезным и облегчающим его работу, так как
помогает сосредоточивать его внимание только на части
нужных в данный момент приборов и устраняет отвлека¬
ющее влияние не нужной в этот момент информации.
Конечно, в случае пилота можно пойти и по другому пу¬
ти— поставить ЖК-фильтры на индикаторы приборов,
чтобы иметь возможность экранировать их показания.
Подобные очки будут очень полезны также в биоме¬
дицинских исследованиях работы оператора, связанной
с восприятием большого количества зрительной инфор¬
мации. В результате таких исследований можно выявить
скорость реакции оператора на зрительные сигналы, оп¬
ределить наиболее трудные и утомительные этапы в его
работе и в конечном итоге найти способ оптимальной ор¬
Ю В. А. Беляков
145

ганизации его работы. Последнее значит Определить на¬
илучший способ расположения панелей приборов, тип
индикаторов приборов, цвет и характер сигналов различ¬
ной степени важности и т. д.
Фильтры подобного типа и индикаторы на жидких
кристаллах, несомненно, найдут (и уже находят) широкое
применение в кино-, фотоаппаратуре. В этих целях они
привлекательны тем, Что для управления ими требуется
ничтожное количество энергии, а в ряде случаев позво¬
ляют исключить из аппаратуры детали, совершающие
механические движения. А как известно, механические
системы часто оказываются наиболее громоздкими и не¬
надежными.
Какие механические детали кино-, фотоаппаратуры
имеются в виду? Это прежде всего диафрагмы, фильт¬
ры — ослабители светового потока, наконец, прерывате¬
ли светового потока в киносъемочной камере, синхрони¬
зованные с перемещением фотопленки и обеспечиваю¬
щие покадровое ее экспонирование.
Принципы устройства таких ЖК-элементОв ясны из
предыдущего. В качестве прерывателей и фильтров-ос¬
лабителей естественно использовать ЖК-ячейки, в кото¬
рых под действием электрического сигнала изменяется
пропускание света По всей их площади. Для диафрагм
без механических частей — системы ячеек в виде кон¬
центрических колец, которых могут под Действием элек¬
трического сигнала изменять площадь пропускающего
свет прозрачного окна. Следует также отметить, что сло¬
истые структуры, содержащие жидкий кристалл и фото¬
полупроводник, т. е. элементы типа управляемых оп¬
тических транспарантов, могут быть использованы не
только в качестве индикаторов, например, экспозиции, но
и для автоматической установки диафрагмы в кино-,
фотоаппаратуре.
При всей принципиальной простоте обсуждаемых
устройств 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, на¬
конец, конкуренции с традиционными и устоявшимися
техническими решениями и т. д. Однако решение всех
этих проблем —это только вопрос времени, и скоро, на¬
верное, трудно будет себе представить совершенный фо¬
тоаппарат, не содержащий ЖК-устройства,

Рентген без рентгеновских лучей. Ранее упоминалось
о том, что к числу воздействий, изменяющих оптические
свйства жидких кристаллов, относятся также и ультразву¬
ковые воздействия. Ультразвук может возмущать равно¬
весное распределение директора в жидком кристалле,
что, в свою очередь, приводит к изменению оптических
характеристик жидкого кристалла и, как следствие, воз¬
можности визуализировать акустические поля. Не вдава¬
ясь в детальное обсуждение физических причин воздей¬
ствия ультразвука на оптические характеристики, можно
констатировать, что уровень понимания связи ультразву¬
ковых полей с оптическими характеристиками гораздо
ниже, чем в случае электрооптики. Тем не менее уже
существуют устройства, которые на основе преобразо¬
вания акустического сигнала в оптический позволяют ви¬
зуализировать акустические изображения, выявлять соб¬
ственные колебательные моды технологических конст¬
рукций, осуществлять неразрушающий контроль изде¬
лий и проводить медицинскую диагностику.
Об эффективности подобных акустооптических систем
на жидких кристаллах можно судить по предложению
создать медицинские ультразвуковые установки для про¬
свечивания внутренних Органов пациентов, так сказать,
рентген без рентгена. Известно, что медики уже давно
изыскивают возможности наблюдения за деятельностью
внутренних органов человека, не подвергая его действию
рентгеновского излучения. Однако до сих пор практи¬
чески единственной удовлетворительной методикой с
точки зрения информативности остается рентгеноскопия
и рентгенография, а также способы, связанные с введе¬
нием в организм пациента радиоактивных изотопов. Ми¬
нус названных методик состоит в неизбежности облуче¬
ния пациентов и медицинского персонала в процессе
диагностики ионизирующим облучением. А ведь извест¬
но, что в результате облучения организма ионизирую¬
щим излучением в дозах, превышающих допустимые,
развиваются тяжелые заболевания и происходят генети¬
ческие изменения, отражающиеся в наследственности.
В связи с этим понятен тот интерес, который проявля¬
ется к методу исследования внутренних органов без при¬
менения ионизирующих излучений. Идея ультразвуково¬
го просвечивания внутренних органов сама по себе не
нова. Однако всегда возникали трудности с регистраци¬
ей ультразвукового потока, прошедшего тело пациента.
10*
147

С применением жидкокристаллических визуализаторов
ультразвука, возможно, удастся получить удовлетвори¬
тельное решение проблемы диагностики внутренних ор¬
ганов без использования ионизирующих излучений. Од¬
нако окончательное суждение по этому вопросу выносить
еще рано, так как соответствующие исследования пока
что только начинаются (рис. 46).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Итак, вы подошли к концу книги. Если у вас сложи¬
лось мнение: «Жидкие кристаллы — это интересно и по¬
лезно», то автор будет считать, что цель книги достигну¬
та. Пусть при этом большинство читателей добавят:
«Правда, жаль, что не все ясно». Следует считать, что
такое добавление вполне естественно. И дело здесь не
только и не столько в возможных упущениях автора, а в
самом состоянии науки о жидких кристаллах и уровне
развития ее приложений. В этой науке и ее приложениях
еще много неясного. И сделать здесь предстоит гораздо
больше, чем сделано.
Прежде всего хотелось бы отметить лиотропные жид¬
кие кристаллы. Они изучены несравненно слабее термо¬
тропных, а их исключительно большая научная значи¬
мость, особенно в биологии, не вызывает сомнения. На¬
пример, проблемы изучения биологических мембран и
их функционирования связывают с успехами в изучении
лиотропных ЖК. Более того, высказывается мнение, что
148

происхождение жизни должно было идти через стадию
жидкокристаллической организации молекул. В целом
здесь область знаний выглядит всего лишь островом в
необъятном океане непознанного.
Существуют серьезные вопросы и в изучении более
привычных, термотропных, ЖК. Они относятся в первую
очередь к изучению физики поверхности и включают в
себя как проблемы поведения жидкокристаллических
веществ в мономолекулярных слоях, так и вопросы их
взаимодействия с поверхностями твердых тел и жидко¬
стей.
Еще мало сделано и много неясного в очень важных
для приложений полимерных и дискотических ЖК, с
изучением которых связывают разработку технологий
получения из полимеров и углерода изделий с рекорд¬
ными и необычными качествами (нитей более прочных,
чем сталь, материалов, способных противостоять агрес¬
сивным средам и высоким температурам, не теряя сво¬
ей высокой механической прочности, и поэтому пригод¬
ных для изготовления особо ответственных деталей, на¬
пример авиационной и космической техники) и т. д.
От решения этих сложных вопросов, требующих объе¬
динения усилий различных специалистов (физиков, хими¬
ков, механиков и инженеров), зависят успехи в приложе¬
ниях ЖК и отыскании оптимальных технических решений
в производстве того или иного изделия на ЖК.
Может быть, соответствующие исследования не толь¬
ко позволят совершенствовать известные принципы тех¬
нических приложений ЖК, но и откроют принципиально
новые пути в развитии техники? Например, не приведет
ли изучение мономолекулярных ЖК-слоев к возникнове¬
нию молекулярной электроники, т. е. к разработке уст¬
ройств, в которых функциональными элементами явля¬
ются отдельные молекулы или небольшие их группы?
Это позволило бы дальше продвинуться в процессе ми¬
ниатюризации электронных изделий, в которых пока еще
даже в самых совершенных полупроводниковых микро¬
схемах размер отдельного функционального элемента
несравненно больше молекулярных размеров [10].
Наконец, обратимся к традиционной для сегодняш¬
них приложений ЖК-области, области отображения ин¬
формации. И здесь еще много нерешенных как техниче¬
ских, так и принципиальных вопросов. Например, есть
уверенность, что не за горами то время, когда цветной
149

телевизор на ЖК будет таким же распространенным
предметом в нашем быту, как теперешние телевизоры.
Однако сейчас еще нельзя определенно сказать, какое
физическое явление будет положено в основу создания
экрана этого телевизора, то ли это эффект «гость-хозя¬
ин», то ли электрооптические свойства холестериков, а
может быть, что-нибудь совсем другое и еще неизвест¬
ное сейчас.
Таким образом, прочитав эту книгу, вы еще только
приоткрыли дверь в прекрасный и таинственный мир
жидких кристаллов. Кто захочет открыть эту дверь шире
и пойти по Пути дальнейшего познания жидких кристал¬
лов, с тем чтобы поставить их на службу человеку, не¬
сомненно, сможет найти себе дело по душе в этом ог¬
ромном и удивительном мире жидких кристаллов.
ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Де Жен П. Физика жидких кристаллов. М., Мир, 1977.
2. Б л и н о в Л. М. Электро- и магнитооптика жидких кристал¬
лов. М., Наука, 1978.
3. Беляков В. А., Сонин А. С. Оптика холестерических
жидких кристаллов. М., Наука, 1982.
4. П и кин С. А. Структурные превращения в жидких кристал¬
лах. М., Наука, 1981.
5. Колобков Н. С., Н е с р у л л а е в А. Н., Ш е л е м и н Е. Б.
Авторское свидетельство Госкомитета СССР по делам изобретений
и открытий № 854 368.
6. Физика за рубежом. Сборник научно-популярных статей.
М., Мир, 1983.
7. Современная кристаллография. Т. 4. М., Наука, 1981.
8. Свойства и применения жидкокристаллических термоинди¬
каторов (Сб. научных трудов под ред. Г. М, Жа р к о в о й), Ново¬
сибирск, 1980.
9. Тезисы докладов V Конференции социалистических стран
по жидким кристаллам. Одесса, 1983.
10. Р а м б и д и Н. Т., 3 а м а л и н В. М. Молекулярная микро¬
электроника: истоки и надежды. М., Знание, 1985, № 11.
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
С о н и н А, С. Кентавры природы. М., Атомиздат, 1980.
Пикин С. А., Блинов J1. М. Жидкие кристаллы, библиотеч¬
ка «Квант». М., Наука, 1982.
Физика за рубежом. Сборник научно-популярных статей. М.,
Мир, 1?83.

ПРИЛОЖЕНИЕ
ЖК-МОЗАИКА
Шутливый совет. Все знают, что многие дети не любят
умываться, а воспитание у них привычки мыть руки перед
едой часто превращается в проблему. Разрешить этот
вопрос родителям могут помочь холестерические жид¬
кие кристаллы и их загадочные свойства. Точнее сказать,
пленки, содержащиехолестерические ЖК, те пленки, о при¬
менении которых в медицине говорилось в главе IV. Ребе¬
нок садится за стол, скажем, ужинать. Вы говорите ему:
«Сейчас проверим, мыл ли ты руки», —■ и даете подержать
в руках тонкую пленочку, в которую капсулированы холе¬
стерические ЖК. Если на пленке появляются радужные
отпечатки пальцев ребенка, вы смело говорите: «Руки
перед едой надо мыть. Иди помой их». Когда ребенок
возвращается за стол после мытья рук, вы снова даете
ему подержать в руках пленку. На ней теперь никаких ра¬
дужных отпечатков не возникает. Это значит, что вы сме¬
ло можете похвалить ребенка за то, что он помыл руки.
Ребенок же окажется заинтригованным: как это пленка
помогает проверить, чистые у него руки или нет? Может
быть, как-нибудь при проверке чистоты рук он попробует
вернуться к столу, не помыв рук. И пленка сразу пока¬
жет, что руки не вымыты! Можно не сомневаться, что до
тех пор, пока свойство пленки угадывать, чистые руки или
нет, будет для ребенка загадочным, он будет охотно
мыть руки, чтобы проверять, как работает пленка, и что¬
бы разгадать ее секрет.
А как читатель уже догадался, секрет пленки тот же
самый, что и у перстня настроения: она реагирует ра¬
дужной расцветкой на определенную температуру кож¬
ных покровов Если руки помыты холодной водой, их тем¬
пература не вызывает реакции пленки, рассчитанной на
радужную окраску только при нормальной температуре
кожного покрова.
151

Трехмерное изображение с помощью ЖК. Канадские
исследователи недавно предложили использовать холе¬
стерики для создания объемного изображения. Их идея
несколько отличается от идеи стереотелевизора, о кото¬
рой говорилось в главе X, и рассчитана на объемное вос¬
произведение стереоскопических пар изображений, на¬
пример пары фотоснимков, полученных с помощью сте¬
реофотоаппарата. В отличие от обычных стереоскопов, в
которых рассматривается пара разнесенных в простран¬
стве изображений, предлагаемый метод позволяет полу¬
чить стереоэффект от совмещенных в пространстве сте¬
реопар. Результативно объемный эффект возникает как
бы при рассматривании одного плоского снимка, подобно
тому, как это происходит в стереооткрытках, производ¬
ство которых освоено отечественной промышленностью.
Конечно, принцип создания стереоэффекта с помощью
ЖК отличается от принципа его создания в упомянутых
открытках.
Как же можно добиться стереоэффекта с помощью
ЖК? Идея предложения состоит в следующем. Пара сте¬
реоизображений фиксируется на двух тонких планарных
холестерических слоях, разделенных еще одним прозрач¬
ным (но не ЖК) слоем, так что в целом «снимок» оказы¬
вается трехслойным. Промежуточный слой должен быть
не только прозрачным, но и обладать еще таким свойст¬
вом; левую круговую поляризацию света должен преоб¬
разовывать в правую круговую поляризацию и наоборот
(такие слои в оптике принято называть полуволновыми
пластинками). Теперь надо сказать, что изображение на
каждом из холестерических слоев фиксируется не совсем
обычным способом. Засвеченный участок холестерика от
незасвеченного отличается тем, что у засвеченного участ¬
ка коэффициент отражения света оказывается меньше по¬
тому, что область селективного отражения света (см,
рис. 22) смещается по частоте за пределы частот видимо¬
го света. Это происходит за счет изменения в соответст¬
вующем месте шага холестерической спирали. Конкрет¬
ный механизм изменения шага спирали может быть весь¬
ма различным. Это могут быть почти все механизмы из¬
менения шага спирали, обсуждавшиеся в главе IV: воз¬
действие температуры,, электрических полей, ультрафио¬
летового излучения и, т. д. Важно, что в конечном итоге
темные и светлые места изображения резко отличаются
коэффициентом селективного отражения. Теперь если
152

вспомнить, что селективное отражение в холестерике ис¬
пытывает свет только определенной круговой поляриза¬
ции; то станет понятно, что от холестерического слоя, на¬
ходящегося перед преобразующим поляризацию слоем,
изображение поступает в свете одной круговой поляри¬
зации, а от слоя холестерика, находящегося за слоем пре¬
образователя поляризации, — в свете противоположной
круговой поляризации. Поэтому для создания стереоэф¬
фекта достаточно сделать так, чтобы правый глаз вос¬
принимал свет только одной круговой поляризации, а ле¬
вый — только противоположной круговой поляризации.
Решить эту задачу совсем не сложно. Достаточно изобра¬
жение рассматривать в очках, стекла которых снабжены
поляризационными фильтрами, пропускающими свет од¬
ной круговой поляризации — для правого и противо¬
положной круговой поляризации — для левого глаза.
Кстати, подобные поляризационные фильтры, так уже
ясно читателю, можно изготовить из холестерических
ЖК, обладающих левой и правой холестерическими спи¬
ралями. О том, насколько практичной окажется описан¬
ная система получения стереоизображений и получит
ли она широкое распространение, конечно, судить еще
рано, но ясно, что в принципиальном отношении она об¬
ладает рядом достоинств. Например, на этом же прин¬
ципе можно представить себе работу стереотелевизора.
ЖК — преобразователи поляризации света. Выше при
описании получения стереоизображения говорилось, что
слой, преобразующий поляризацию, не является жидко¬
кристаллическим. Но это совсем не обязательно, так как
ЖК предоставляют прекрасные возможности управляе¬
мого преобразования поляризации света. Об этом свиде¬
тельствуют работы японских и итальянских исследовате¬
лей, запатентовавших устройство для преобразования по¬
ляризации света, основанное на применении холестери¬
ков. Запатентованное устройство преобразования линей¬
ной поляризации света в линейную, но с другой ориента¬
цией плоскости поляризации (см. рис. 1) «работает» на
эффекте изменения шага холестерической спирали при
приложении к холестерику электрического поля. Идея
работы устройства чрезвычайно проста. В ее основе ле¬
жит смещение по длине волны (частоте) света кривой
вращения плоскости поляризации света (см. рис. 2) при
изменении шага холестерической спирали, которое вызы¬
вается приложением к ЖК внешнего электрического поля.
153

При этом смещении кривая как целое перемещается
вдоль абсцисс так, что точка инверсии знака враще¬
ния (нулевое значение вращения) совмещается с изме¬
нившимся значением шага спирали. Для света фиксиро¬
ванной частоты и при фиксированной толщине холесте¬
рического слоя угол поворота его плоскости поляриза¬
ции определяется кривой, подобной той, что избражена
на рис. 2. Поэтому, чтобы добиться поворота плоскости
поляризации света, прошедшего через слой, на требуемый
угол по отношению к ориентации плоскости поляризации
первичного пучка достаточно, пользуясь кривой рис. 2, най¬
ти то ее смещение вдоль оси абсцисс рисунка, которое
обеспечивает требуемую ориентацию плоскости поляри¬
зации света на выходе и соответствующее этому смеще¬
нию напряжение, прикладываемое к ЖК. Отградуировав
таким образом прибор, можно каждому углу поворота
плоскости поляризации поставить в соответствие напря¬
жение, которое необходимо подать на ЖК. Эго и есть ре¬
шение проблемы регулируемого преобразования линей¬
ной поляризации света.
Японские исследователи для преобразования линейной
поляризации света с помощью холестериков предложи¬
ли использовать не явление вращения плоскости поляри¬
зации при прохождении света через слой холестерика
(как это сделали итальянцы), а явление селективного от¬
ражения света от планарного холестерического слоя, о
котором рассказывалось в главе VI. Использование се¬
лективного рассеяния света позволяет повернуть плос¬
кость поляризации света на 90°. Однако для такого пре¬
образования поляризации необходимо, чтобы угол па¬
дения света на планарный холестерический слой отличал¬
ся от прямого угла и падение света на слой происходило
наклонно или (что то же самое) угол 0 в формуле (4)
отличался от 90°.
Новости о голубой фазе. В главе VI рассказывалось
уже об успехах в изучении загадочной и необычной раз¬
новидности жидких кристаллов, голубой фазы. Однако
исследования здесь развиваются столь стремительно и
достижения за последний год столь значительны, что за¬
служивают того, чтобы коротко рассказать о них.
Прежде всего отметим, что по своим внешним прояв¬
лениям свойства этой жидкокристаллической фазы ка¬
жутся наиболее близкими к свойствам обычных кристал¬
лов по сравнению со всеми другими разновидностями
154

ЖК. Выяснилось, что можно выращив^.ь монокристаллы
голубой фазы, которые имеют правильную огранку, по¬
добную огранке кристаллов горного хрусталя или алма¬
за. Удивительно существование ступенек роста у моно¬
кристаллов голубой фазы и дислокации в ее решетке,
т. е. дефектов, типичных именно для настоящих кристал¬
лов, совсем таких же на внешний вид, как в настоящих
кристаллах. А удивляться здесь есть чему: ведь размеры
элементарной ячейки голубой фазы, а следовательно,
масштабы ступенек роста и дислокаций у нее в тысячи раз
больше, чем у обычных кристаллов! Но и это еще не все.
Голубая фаза проявляет аналогию с упругими свойства¬
ми настоящих кристаллов, и ее решетка, как и у них, мо¬
жет испытывать упругие деформации и даже упругие ко¬
лебания.' Подчеркнем, что необычным свойством дляЖК
здесь являются упругие колебания голубой фазы. Дефор¬
мации структуры ЖК, как вы знаете, наблюдаются и у
других разновидностей ЖК. Однако у других их разновид¬
ностей при снятии сил, вызвавших деформацию, структу¬
ра ЖК возвращается в недеформированное состояние
релаксационным образом, не совершая колебаний отно¬
сительно равновесного состояния. И только у »олубой
фазы, как у настоящих кристаллов, проявляются упругие
колебания, т. е. колебания структуры около равновесного
положения.
Следует, однако, подчеркнуть и принципиальное от¬
личие голубых фаз от обычных кристаллов. Если в кри¬
сталлах решетку образуют атомы, строго периодически
расположенные в пространстве (каждый в своем узле
кристаллической решетки), то в голубой фазе трехмерно
периодической в пространстве оказывается только ори¬
ентация молекул, образующих ЖК. При этом сами мо¬
лекулы не закреплены в узлах решетки, а, как в обыч¬
ной жидкости, сравнительно свободно перемещаются в
пространстве относительно друг друга. Однако (что со¬
вершенно необычно) в процессе этого перемещения они
изменяют свою ориентацию согласованным образом так,
чтобы в результате сохранялась трехмерная периодич¬
ность их ориентаций в пространстве. Существенно также,
как уже отмечалось, что период этой решетки ориента¬
ций гораздо больше (приблизительно в тысячу раз), чем
период решетки обычных кристаллов.
Очевидно, с описанной выше решеткой ориентаций
связаны и наблюдаемые особенности вязкости веществ,
155

обладающих голубой фазой, по сравнению с вязкостью
близких по химическому строению ЖК-веществ, необлат
дающих голубой фазой. Дело в том, что первые в темпе*
ратурном интервале перехода из изотропной жидкости в
ЖК-состояние обнаруживают резкое увеличение вязко¬
сти, тогда как последние никаких аномалий в поведении
вязкости в соответствующем температурном интервале
не проявляют. Качественно такое поведение вязкости в
области температур существования голубых фаз и близ¬
ких к ним можно понять исходя из существования в го¬
лубых фазах решетки ориентации молекул. Действитель¬
но, вязкость характеризует, насколько в жидкости за¬
труднено движение соседних слоев относительно друг
друга. Вязкость является следствием взаимодействия
между отдельными молекулами жидкости, которое пре¬
пятствует их свободному перемещению относительно
друг друга. Теперь, если учесть, что в голубой фазе при
относительном движении молекул должна еще и согла¬
сованным образом изменяться их ориентация, в отличие
от обычных ситуаций, в которых этого не требуется, то
станет понятным возрастание вязкости у голубых фаз. Мо¬
лекулам двигаться, изменяя при этом требуемым обра¬
зом ориентацию, гораздо «труднее», чем двигаться от¬
носительно друг друга без соблюдения последнего усло¬
вия, как, например, это и происходит в обычной жидкости.
Значительныйтлрогресс в выяснении природы голубых
фаз связан с работами советского физика-теоретика С. А.
Бразовского и его соавторов. Ими была исследована про¬
блема голубых фаз в рамках теории фазовых переходов
Ландау и, в частности, представлены теоретические ос¬
нования для объяснения описанных свойств голубых фаз.
Было показано, что возможно существование голубых
фаз без дефектов ориентации молекул, а предложенная
А. Заупе модель голубой фазы как решетки дефектов (о
ней говорилось в главе VI) является одной, но далеко не
единственной возможностью строения голубых фаз.
Работы С. А. Бразовского стимулировали интенсивные
экспериментальные исследования голубых фаз. Их иссле¬
довали при наложении внешних электрических полей,
прикладывая давление и другие механические воздейст¬
вия. При этом применялись самые разнообразные физи¬
ческие методы исследований: тепловые измерения, ядер-
ный магнитный резонанс, механические измерения и т. д.
Но конечно, самыми информативными оказались оптиче¬
\56

ские методы ее исследования, в частности тот структур¬
ный оптический анализ, о котором говорилось в главе VI.
В результате в настоящее время известно следующее о
структуре голубых фаз. Существует три разновидности
голубых фаз, которые в порядке возрастания темпера¬
туры их существования в научной литературе принято обо¬
значать BP-1, BP-II и BP-III. Установлено, что фазы ВР-1 и
BP-II обладают дальним порядком в ориентации молекул
и их симметрия описывается кубическими пространствен¬
ными решетками. Однако симметрия этих решеток раз¬
лична и относится к различным федоровским пространст¬
венным группам. Напомним, что еще в XIX веке знамени¬
тый русский кристаллограф Е. С. Федоров показал, что
все возможные в природе кристаллы (их кристалличе¬
ские решетки) могут быть расклассифицированы всего по
230 различным группам в соответствии с названным чис¬
лом различных наборов симметричных свойств, которы¬
ми могут обладать кристаллические решетки. В честь их
открывателя эти группы принято называть федоровскими.
Оптические исследования с широким применением по¬
ляризационных измерений позволили установить, что низ¬
котемпературная фаза ВР-1 обладает объемно-центриро¬
ванной кубической решеткой, которая описывается од¬
ной из федоровских пространственных групп, обозначае¬
мой О8, а фаза BP-II обладает простой кубической ре¬
шеткой и относится к другой федоровской группе О2. Что
же касается фазы BP-III, которую еще называют фоговой
или туманной из-за очень сильного рассеяния света в ней
и которая непосредственно предшествует по температу¬
ре переходу в изотропную жидкость, то ее природа до
сих пор еще не ясна. В частности, в числе конкурирующих
рассматриваются возможности того, что она состоит из
очень малых, хаотично ориентированных относительно
друг друга областей с корреляцией ориентаций молекул,
или представляет собой фазу с очень сильно развитыми
флуктуациями направлений ориентации молекул. Выдви¬
нута также модель, по которой она предствляет собой
эмульсию мельчайших капелек холестерической фазы в
изотропной жидкости. Как видите, при всех достижениях
в изучении голубых фаз остается еще и немало вопросов,
на которые предстоит ответить исследователям.
Присуждение премий. Достижения отечественных
исследователей в области изучения и практического при¬
менения жидких кристаллов и признание большой науч¬
157

ной и государственной важности их работ нашли свое?
отражение в присуждении в 1985 году государственных
премий в области науки и техники двум большими группам '
ученых и инженерных работников за работы, а- области'
жидких кристаллов. Одна из государственных премий1
присуждена «За фундаментальные исследования фото-
рефрактивных и жидких кристаллов для оптических си¬
стем обработки информации», другая — «За цикл работ7
по физической химии жидкокристаллическихгполимеров»;.
Первая из названных групп лауреатов представлена-!
сотрудниками академических учреждений, в нее, в част-'
ности, входят упоминавшиеся во введении видные совет¬
ские ученые в области жидких кристаллов J1. М. Блинов и*
С. А. Пикин. В значительной степени благодаря работам*
лауреатов этой группы удалось добиться успехов в раз--
работке и применении пространственно-временных мое-
дуляторов света, о которых рассказывалось в главе X..
Вторая группа лауреатов представлена не только-со-г-
трудниками академических учреждений, но и представи¬
телями высшей школы и ведомств. Так, в ее состав входит7
директор одного из академических институтов член-кор¬
респондент АН СССР Н. А. Платэ и сотрудник МГУ про->-
фессор В. П. Шибаев, оба видные специалисты в области1
физической химии полимеров, работы которых хорошо^
известны как в нашей стране, так и за рубежом. Ее состав -
демонстрирует хороший пример тесного и плодотвОрно--
го взаимодействия академической, ведомственной и ву¬
зовской наук. Исследования, удостоенные премии, явля->-
ются пионерскими в области полимерных жидких кристал--
лов. В значительной степени в результате этих исследо--
ваний были открыты различные разновидности полимер--
ных жидких кристаллов, проведено изучение физических^
свойств полимерных ЖК, показано, что полимерные ЖК*
обладают всеми основными жидкокристаллическими фа¬
зами, присущими низкомолекулярным ЖК, о которых в ос¬
новном шла речь в настоящий книге. Более того, эти работы*
показали, что ЖК-полимеры во многих случаях облада¬
ют свойствами, в прикладных отношениях более ценными,
чем низкомолекулярные ЖК, и, несомненно, найдут ши¬
рокое применение во многих технологических процес¬
сах и промышленных изделиях. Коротко О полимерных
ЖК рассказывалось в главе VIII, в которой отчасти отра--
жены и результаты исследований, удостоенных Государ¬
ственной премии 1985 года, однако, к сожалению, объем
Ш

••«стоящей книги не позволил сделать это полнее. Одна¬
ко думается, что читателю еще доведется узнать новое
о полимерных ЖК не только из будущих публикаций на
ну тему, но и из непосредственного соприкосновения с
изделиями, содержащими ЖК-полимеры, либо произве¬
денными с применением ЖК-технологии.
В заключение настоящего раздела хочется пожелать
лауреатам новых успехов в изучении и применениях жид¬
ких кристаллов.
В самое последнее время отечественными исследо¬
вателями обнаружены в холестерических ЖК буджу-
мы — точечные дефекты, о возможности существова¬
ния и поисках которых рассказывалось в главе VIII, а
предсказанная структура которых изображена на
рис. 36 в.

СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие .	...	...•••	3
От автора	5
Глава I. Введение	 6
Глава II. Жидкие кристаллы — новое состоя¬
ние вещества ......	16
Глава III. Нематики .......	35
Глава IV. Холестерические жидкие кристаллы	51
Глава V. Смектики — наименее изученная
разновидность жидких кристаллов	64
Глава VI. Новые загадки холестериков ,	.	75
Глава VII. Жидкие кристаллы — наши спут¬
ники	........	88
Глава VIII. В лабораториях ученых ....	100
Глава IX. Двумерные ЖК и свойства поверх¬
ностей ........	120
Глава X. О будущих применениях жидких
кристаллов .......	137
Заключение ..........	148
Использованная литература .	'.	.	,	,	150
Рекомендуемая литература	 150
Приложение
ЖК-мозаика , .............	151
Владимир Алексеевич Беляков
ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ
Главный отраслевой редактор А. А. Нелюбов
Редактор Н. И. Феоктистова
Мл. редактор Н. Т. Карячкина
Художественный редактор М. А. Бабичева
Технический редактор Л. А. Солнцева
Корректор Л. В. Иванова
ИБ № 7984
Сдано в набор 27.06.85. Подписано к печати 24.0t3.86. А01008.
Формат бумаги 84X1087я1!. Бумага кн.-жури. Гарнитура жур¬
нально-рубленая. Печать высокая. Уел. печ. л. 8,40. Уел. кр.-отт.
8,42. Уч.-изд. л. 8,65. Тираж 32000 экз. Заказ 10758. Цеиа
50 коп. Издательство «Знание». 101835, ГСП, Москва, Центр,
проезд Серова, д. 4. Индекс заказа 866715.
Типография издательства «Коммунист», 410002, г, Саратов, ул.
Волжская, 28,

В КНИГ Я pftGGHA (МИНИН И н !иМ 'НИ
нрисгкллы, (ifi к» уДИММНицнЫ * н§1
О IIIHpoKDM llpfiliflKKii'ИМИ применим
0(41 (>ЛНП И ММ|ИН1ИК1КН> Hi • . ч iffcl
ятятгога

гг m га народный университет
LlJ LU Lf5 естественно»
естественнонаучный факультет
В. А. БЕЛЯКОВ
КРИСТАЛЛЫ