1.8. Жидкие кристаллы

В ряде случаев дальний порядок наблюдается и в жидкой фазе. Это так называемое жидкокристаллическое, или мезоморфное, состояние. Структурные свойства жидких кристаллов являются промежуточными между свойствами твердого кристалла и жидкости (отсюда и название «мезофаза» - промежуточная фаза). В твердых кристаллах наблюдается дальний порядок по всем трем направлениям, в обычных (аморфных) жидкостях дальний порядок полностью отсутствует, а в жидких кристаллах имеет место одноосный дальний порядок. Это значит, что упорядоченное расположение молекул в жидких кристаллах наблюдается лишь по одному направлению, а по двум другим дальнего порядка нет.

Структура, соответствующая жидким кристаллам, возникает в органических веществах, молекулы которых имеют нитевидную вытянутую форму или же форму плоских пластин. В таких жидкостях наблюдаются как области аморфной жидкости, где обнаруживается лишь ближний порядок в ориентации молекул, так и области жидких кристаллов, где имеет место одноосный дальний порядок.

Различают два основных типа жидких кристаллов: «нематический» и «смектический» [55]. В нематических жидких кристаллах упорядоченность ориентации состоит в том, что в определенном объеме, соответствующем одному «кристаллическому зерну», продольные оси всех молекул параллельны (рис. 1.30, а).

Продольные оси всех молекул расположены вертикально, а какой-либо другой ближний порядок в расположении молекул отсутствует.

В смектических жидких кристаллах молекулы расположены слоями (рис. 1.30, б). Растворенное в воде мыло образует смектические жидкие кристаллы. Молекулы мыла имеют форму палочек (длина – 30−40 Å, в поперечнике – 4 Å) и обладают свойствами электрического диполя.

Тот конец молекулы, на котором проявляется отрицательный заряд, тяготеет к молекулам воды. Это и является причиной упорядоченной ориентации молекул мыла по отношению к воде. Мыльный раствор (в воде) состоит из большого числа двойных слоев молекул мыла, разделенных слоем воды (рис. 1.30). Отрицательно заряженный конец молекулы мыла изображен кружочком. Этими концами молекулы мыла закрепляются на слоях воды, а продольные оси молекул мыла ориентируются перпендикулярно к поверхности этих слоев. Внутри слоя молекулы мыла расположены тесно, но в ближнем порядке. Двойные слои, образующие жидкий смектический кристалл, обладают большой подвижностью, что в известной мере определяет моющие свойства мыла.

 

Рис. 1.30. Структура жидких кристаллов: а − нематического; б − смектического [51], в − мыльного раствора [55]

 

Жидкие кристаллы существуют в определенном интервале температур, различном для разных веществ. Для некоторых веществ область существования жидкокристаллического состояния ограничена температурным интервалом всего в , но встречаются и такие соединения, для которых температурный интервал области существования достаточно широк – .

Жидкие кристаллы, которые получаются в процессе нагревания твердого вещества или в процессе охлаждения изотропной жидкости, называются термотропными жидкими кристаллами. Но есть и другой способ получения жидких кристаллов – растворение твердых кристаллов в определенных растворителях.

Жидкие кристаллы, обладая упорядоченной ориентацией молекул в одном из направлений, проявляют анизотропию физических свойств. Она охватывает широкий ряд физических характеристик: вязкость, поверхностное натяжение, электропроводность, магнитные и диэлектрические свойства, скорость роста, показатель преломления (двойное лучепреломление). При всем этом в жидких кристаллах сохраняется свойство текучести; вязкость вещества в жидкокристаллическом состоянии мало отличается от его вязкости в аморфножидком состоянии.

Многие вещества в жидкокристаллическом состоянии обладают весьма ценным качеством: некоторые их свойства резко изменяются при сравнительно незначительной перемене внешних условий (температура, длина волны облучающего света, электрическое и магнитное поле и т. п.).

Свойство резкой зависимости оптических показателей жидких кристаллов от их ориентации используется в экранах жидкокристаллических дисплеев. На рис. 1.31 показан внешний вид монитора персонального компьютера с жидкокристаллическим экраном.

 

Рис. 1.31. Внешний вид монитора с жидкокристаллическим экраном