Жидкими кристаллами называют анизотропные жидкости, которые состоят
из молекул, сохраняющих определенный порядок в своем расположении
относительно друг друга. (Анизотропия - зависимость физических свойств
вещества от направления.) Например, атомы в молекулах могут
располагаться вдоль определенной оси, и такие продолговатые молекулы
ориентируются в жидком кристалле, как в твердом кристалле, вдоль особого
направления (рис. 1). Особые направления в жидких и твердых кристаллах
называются оптическими осями, так как с их существованием связаны
замечательные оптические свойства этих материалов (двойное
лучепреломление, поворот плоскости поляризации света и др.). В отличие
от твердых кристаллов, где оптические оси жестко закреплены, в жидких
кристаллах направления оптических осей можно легко изменять с помощью
электрического поля. Для управления оптическими свойствами жидких
кристаллов требуются весьма малые напряжения.
Механизм поворота продолговатой молекулы под действием электрического
поля Е показан на рис. 2. Нередко в такой молекулеэлектрическии диполь
возникает вдоль длинной оси гораздо легче, чем вдоль короткой оси, т.
е., другими словами, электронное облако легко смещается относительно
положительного ядра вдоль молекулы и с трудом - поперек нее. Если поле Е
и ось п составляют некоторый угол, то фактически заряды в молекуле
разводятся только составляющей поля Епвдоль оси п. Поле Е действует в
отдельности на каждый из разведенных зарядов +Q и -Q: с силойР=0Е по
направлению составляющей поля Е+ - на положительный заряд и с такой же
силой в противоположном направлении - на отрицательный заряд. Таким
образом, возникает пара сил, создающая крутящий момент, который и
поворачивает молекулу так, чтобы она своей длинной осью ориентировалась
вдоль поля Е.
Если бы жидкокристаллическая среда простиралась неограниченно по всем
направлениям, то оптическая ось поворачивалась бы сколь угодно слабым
полем. В действительности слой жидкого кристалла имеет конечную толщину
(около 0,01 мм) и относительно жесткую ориентацию молекул на твердой
поверхности, ограничивающей слой. Поэтому отклоняющее действие поля
вступает в противоборство со стабилизирующим действием упругих сил.
Фактически отклонение оптической оси в слое жидкого кристалла начинается
тогда, когда крутящий момент электрических сил станет больше
возвращающего момента упругих сил. Существует определенный порог
разности потенциалов (около 1 В), выше которого уже нетрудно управлять
оптической осью в разнообразных жидкокристаллических индикаторах.
Рис. 1. В результате взаимодействия молекул
жидких кристаллов друг с другом длинные оси молекул выстраиваются в
определенном направлении — вдоль оптической оси.
Рис. 2. Под действием
электрического поля в молекулах вдоль длинных осей возникают
электрические диполи, которые поворачиваются полем, что вызывает поворот
молекул и оптической оси. Рис. 3. Схематическое изображение
жидкокристаллического индикатора.
Это объясняется тем, что все молекулы жидких кристаллов взаимосвязаны
и ориентированы одинаково, и достаточно повернуть одну из них, чтобы
весь коллектив молекул изменил свою ориентацию.
Жидкокристаллические индикаторы находят широкое применение, например, в
циферблатах современных электронных часов. На рис. 3 показано, как
жидкокристаллический индикатор отображает ту или иную цифру, букву и т.
п. Здесь имеются два поляризатора, оси которых скрещены, и две
полированные стеклянные пластинки, задающие взаимно перпендикулярную
ориентацию молекул на противоположных границах слоя жидкого кристалла. В
слое жидкого кристалла оптическая ось постепенно изменяет свою
ориентацию в зависимости от расстояния до стекол, как бы образуя
винтовую лестницу; на стекла нанесены прозрачные электроды. Под нижним
поляризатором расположено зеркало. Нижний электрод сделан сплошным, а
верхний - фигурным, состоящим из нескольких сегментов, с помощью которых
можно составить любую цифру, букву, число и слово. Каждый сегмент имеет
собственный электрический контакт и включается в цепь со слабой
батарейкой (1,5 В) по специальной команде, которая подается миниатюрным
генератором (см. Генератор) .
(Падающий свет поляризуется верхним поляризатором, проходит стеклянную
пластинку и попадает в слой жидкого кристалла. Если электрическая цепь
разомкнута, как на пути левого пучка света (рис. 3), то в данном месте
винтовая ориентация оптической оси сохраняется. Поэтому по мере
прохождения левого пучка света его поляризация поворачивается в
соответствии с поворотом оптической оси. На выходе из слоя и нижней
стеклянной пластинки этот поворот составит 90°, причем поляризация света
совпадает с осью нижнего поляризатора. В результате левый пучок пройдет
поляризатор, отразится от зеркала и проделает весь путь в обратном
направлении. Этот участок индикатора выглядит для наблюдателя светлым.
На соседнем правом участке индикатора пучок света проходит в момент
замыкания цепи на цифру 8. Поляризованный свет, попав в слой жидкого
кристалла, встретит здесь вер-
тикально ориентированную оптическую ось. Именно так электрическое поле
поворачивает молекулы, хорошо поляризующиеся вдоль длинной оси. Поэтому
свет пройдет слой под сегментом цифры 8, не изменив своей поляризации, и
будет встречен нижним поляризатором, ось которого перпендикулярна
поляризации света. Следовательно, этот пучок света не дойдет до зеркала,
так как будет поглощен по пути, и не вернется к наблюдателю - цифра 8
будет выглядеть темной на светлом фоне.
Так устроены буквенно-цифровые индикаторы в калькуляторах, электронных
переводчиках, шкалах измерительных приборов и шкалах настройки,
разнообразных табло и т. п. Жидкокристаллические экраны (дисплеи) с
большим числом сегментов - электродов и сложной электронной схемой
управления служат в качестве телевизионных экранов, преобразователей
изображения (приборы ночного видения), средств управления световым лучом
в быстродействующих электронных вычислительных машинах.
Некоторые вещества в жидкокристаллическом состоянии способны смешиваться
между собой и образовывать жидкие кристаллы, обладающие различными
структурами и свойствами. Это расширяет диапазон их использования в
технике.
