Смектическая жидкость

7.4. Смектическая жидкость.

 Строение особых молекул, описанных выше, объясняет большое разнообразие структуры жидких кристаллов-растворов. Например, при определённой концентрации таких молекул в воде могут получаться жидкие кристаллы, в которых молекулы не только одинаково ориентируется, но и образуют жесткую кристаллическую решетку. Только эта решетка лишь отчасти похожа на обычную решётку твёрдого тела, периодическую в трёх взаимно перпендикулярных направлениях. Таких направлений в особых жидких кристаллах может быть только два или даже одно.

На рисунке 58,б изображена стопка слоёв, образующихся при не очень малой концентрации молекул в воде. Хвосты молекул как бы «прячутся» от воды за оболочками из дипольных головок. Вода является прослойкой между двойными слоями молекул. Стопка таких слоёв образует кристаллическую решётку, периодическую только в одном направлении - вдоль оси Z. В этом направлении жесткость решётки почти такая же, как в твёрдом теле, в то время как в поперечных направлениях слои могут свободно скользить, то есть вдоль слоёв система ведёт себя как жидкость. Такая структура сродни мылу, поэтому такие жидкие кристаллы называются смектическими. Они похожи на холестерики своей слоистостью, но периоды решёток в этих двух случаях различны. В холестериках период составляет несколько тысяч ангстрем, а в смектиках - несколько десятков ангстрем (что соответствует длине молекулы).

При определенной концентрации раствора возникает кристаллическая решётка, периодическая в двух направлениях. При этом дипольные молекулы собираются в жидкие столбики или «нити», которые и образуют такую решётку, похожую на стопку карандашей (рис59,а). Подобные отчасти твёрдые кристаллы существуют не только в растворах. Ими могут быть и отдельные вещества, изменяющие своё состояние при изменении температуры. При этом обычно с понижением температуры состояния меняются в такой последовательности: обыкновенная жидкость – нематическая жидкость или холестерик - смектик - твёрдый кристалл. Долгое время не находили жидкокристаллических веществ с решётками, периодическими в двух направлениях, но недавно были обнаружены и они.

На рис 59,б такая решётка, образованная жидкими столбиками дискообразных молекул. Интересно, что в последнем случае существует и ориентационный порядок: плоскости дисков в столбике параллельны друг другу, хотя центры дисков располагаются хаотически вдоль оси жидкого столбика.

рис. 59

7.5.Эффект Фредерикса.

Наибольшее впечатление производят оптические свойства жидких кристаллов, сделавшие эти объекты столь популярными. В жидких кристаллах направление оптических осей можно изменять с помощью самых разных воздействий, в том числе электрическими или магнитными полями. Эффект изменения направления ориентации молекул в нематической жидкости под действием поля наблюдался ещё в предвоенные годы известным советским учёным В.Фредериксом и носит теперь его имя. Пользуясь популярными сейчас электронными часами и калькуляторами на жидких кристаллах, вы наблюдаете это явление - эффект Фредерикса.

Прежде чем описать эффект Фредерикса, необходимо напомним, что такое поляризованный свет. В луче поляризованного света вектор напряжённости электрического поля Е колеблется вдоль единственного направления. Обычный естественный свет не имеет такой определённой поляризации, так как он состоит из всевозможных волн, каждая из которых имеет произвольное направление колебаний вектора Е, а все вместе они составляют неполяризованный световой пучок. Особые кристаллы – поляризаторы - преобразуют неполяризованный свет в линейно поляризованный, поскольку они могут пропускать сквозь себя только волны, в которых вектор Е ориентирован совершенно определённо по отношению к оптической оси поляризатора. Например, кристалл турмалина пропускает сквозь себя лишь свет, поляризованный вдоль оптической оси этого кристалла, в то время как волны с перпендикулярной поляризацией им сильно поглощаются.

Если на пути светового пучка расположить два поляризатора, оси которых параллельны, то свет пройдёт сквозь оптическую систему, показанную на рис60а, а если оси поляризаторов скрещены, то свет сквозь эту систему пройти не сможет (рис60б).

рис.60

Поместим теперь между двумя скрещёнными поляризаторами два стекла, а между ними - нематическую жидкость, предварительно слегка пополировав стекла вдоль определённого направления. Такая полировка стёкол нужна для того, чтобы сориентировать в заданном направлении оптическую ось жидкого кристалла (n). Например, при параллельной полировке стёкол молекулы, прилипшие к стёклам параллельно микробороздам на стеклянной поверхности, задают благодаря описанным межмолекулярным взаимодействиям такую же ориентацию вектора n и в глубине слоя нематической жидкости (рис61а). Если неполированные стёкла предварительно обработать специальными химическими веществами, то можно добиться ориентации оси n перпендикулярно стеклянной поверхности (рис61б).

Наконец, если полированные стёкла развернуть перпендикулярно друг другу, то можно получить закрученную по толщине слоя ориентацию вектора n (рис61в).

Как же проходит поляризованный свет сквозь ориентированный слой нематической жидкости и сквозь изображённые оптические системы вообще? Если поляризация света параллельна оси n, то свет проходит сквозь жидкий кристалл, не изменяя своей поляризации (61а). То же происходит и в случае, если поляризация света перпендикулярна оптической оси (рис61б). В случае закрученной ориентации n поляризация света также поворачивается вслед за осью n (рис61в).

Что же происходит в слое жидкого кристалла при прохождении через него света? В жидком кристалле, поле проходящей световой волны приводит к разделению зарядов в молекулах и возникновению дипольных колебаний.

Предположим, что в молекуле кристалла электроны легко смещаются вдоль длинной оси молекулы, то есть вдоль направления n. Тогда в случае, изображённом на рисунке 61а, по толщине слоя распространяются падающая волна и вторичные волны, причём векторы Е в волнах совпадают по направлению. В случае, изображённом на рисунке 61б диполи не образуются и вторичные волны не излучаются; значит, падающая волна проходит, не ослабляясь. Наконец, в случае 61в поляризация света изменяет своё направление в соответствии с поворотом оптической оси n по толщине слоя. Поворот вектора Е в такт с осью n обеспечивает излучение вторичных волн, не ослабляемое на любой глубине слоя. (это интерференционное явление возможно тогда, когда на пути светового луча находятся многочисленные диполи - источники вторичных волн, то есть когда толщина слоя намного больше длины волны света).

Так свет проходит сквозь слой нематической жидкости и доходит до второго поляризатора. И здесь возникает уже знакомая нам ситуация. В случаях а и б (рис61) свет сквозь оптическую систему пройти не может, а в случае в (рис61) он проходит беспрепятственно. А теперь представим себе промежуточный случай, когда оси n на стенках скрещены между собой, но в толще слоя, благодаря какому-то воздействию, они повернулись почти перпендикулярно стёклам. В этой ситуации свет практически не проходит сквозь второй поляризатор. Остался ещё один шаг до массового применения подобной системы. Надо научится управлять оптической осью нематической жидкости так, чтобы в отсутствии воздействия эта ось ориентировалась, как на рисунке 61в, а при включении воздействия она наклонялась на заметный угол, как на рисунках 61,б и г. После выключения воздействия, молекулы занимают свои прежние позиции, вследствие условий на стеклянных поверхностях и взаимодействий между собой.

Оказалось, что именно в нематическом жидком кристалле это очень просто сделать с помощью электрического поля, заключив слой между полированными стёклами, на которые нанесены прозрачные электроды.

рис.61

Подключив к этим электродам слабенькую батарейку и замкнув цепь, мы сделаем нашу оптическую систему светонепроницаемой, а разомкнув цепь – прозрачной, что и осуществил впервые Фредерикс.

Почему электрическое поле поворачивает молекулы так, как нам нужно, и сколь сильным оно при этом должно быть?

Ответ на первую часть вопроса легко дать с помощью рисунка 62.

Пусть молекула, у которой диполь легко образуется вдоль длинной оси, находится в электрическом поле и между векторами Е и n имеется некоторый угол. Тогда в образовавшемся диполе на заряды +Q и –Q действуют силы F+ =+QE и F- = -QE; таким образом, возникает пара сил, создающая крутящий момент.

Этот момент сил и поворачивает молекулу так, чтобы она своей длинной осью ориентировалась вдоль вектора Е.

рис.62

Здесь важно заметить, что на самом деле необходимо повернуть одновременно очень большое число таких молекул, но при этом нет необходимости поворачивать каждую молекулу в отдельности. Поскольку молекулы, взаимодействующие между собой, ориентированы одинаково, то достаточно толкнуть одну, чтобы другие дружно повернулись вслед за первой. Поэтому для осуществления описанного эффекта необходимое некоторое конечное значение разности потенциалов на электродах – пороговое напряжение. Это пороговое значение определяется из условия равенства моментов двух сил: силы, действующие со стороны электрического поля, и возвращающей силы взаимодействия между молекулами, которая стремится ориентировать молекулы так, как сориентированы молекулы, прилипшие к стеклу. Оказывается, что независимо от толщины слоя, пороговое напряжение может составлять доли вольта, причём толщина слоёв составляет сотую долю миллиметра. Это во много раз меньше, чем требуется для получения таких же оптических эффектов в твёрдых кристаллах, что и обусловило громадный практический интерес к жидким кристаллам при создании циферблатов всевозможных типов.

7.6.Избирательное отражение света холестериками

Важнейший оптический эффект, наблюдаемый в холестерической жидкости, заключается в избирательном отражении света слоем холестерика. Холестерические плоскости, как и обычные кристаллические плоскости, могут отражать падающие на них волны. Волны, отражённые разными плоскостями, могут при интерференции, и ослаблять, и усиливать друг друга. Если свет падает перпендикулярно плоскостям, то условие усиления таково: между соседними эквивалентными плоскостями должно укладываться строго пол волны падающего света. Мы хотим, чтобы колебания, отражённых от первой и второй плоскостей, проходили в одинаковых фазах, то есть значение электрического поля Е в каждой точке и в любое время были одинаковы. При этом амплитуда Ео обеих волн складываются - происходит усиления света. Так будет если волна 2 (рис64,б), вошедшая в кристалл, на пути от первой ко второй плоскости и обратно отстанет от волны 1 ровно на длину волны λ. Но в холестерике такие плоскости находятся на расстоянии h/2 друг от друга. Поэтому условие усиления в данном случае есть h/2=λ/2, или h=λ.

Свойство холестерика отражать свет с избранной длинной волны (h=λ) обуславливает соответствующую окраску вещества, которая зависит от шага холестерической спирали. А шаг спирали очень сильно зависит от температуры. Обычно вещество при высокой температуре (в изотропном состоянии) бесцветно, затем, в момент перехода в холестерик (при меньшей температуре), синеет и при дальнейшем понижении температуры последовательно приобретает все цвета спектра, от синего до красного. Это означает, что по мере охлаждения холестерической жидкости шаг спирали увеличивается, а при нагревании - уменьшается. Такое поведение холестерической спирали нетрудно объяснить.

В силу особенностей взаимодействия молекул с отростками оси n1 и n2 не могут образовать между собой слишком малый угол. Но с повышением температуры в результате тепловых колебаний молекул в каждом нематическом слое увеличивается разброс молекулярных ориентаций относительно выделенного направления n. Оси отдельных молекул в нематическом слое оказываются не параллельными выделенному направлению n. Поэтому при нагревании угол между осями n1 и n2 соседних слоёв должен увеличиваться, чтобы тепловые колебания не приводили к критическому угловому сближению молекул. Увеличение угла α, характеризующего закручивание осей n в пространстве, и вызывает уменьшение шага холестерической спирали по мере увеличения температуры.

Выше описанное явление лежит в основе широкого применения холестериков в качестве простых и эффективных термоиндикаторов для медицинской диагностики, отыскания повреждений в сложных электронных схемах, контроля температурного поля в лопатках турбин и т. п. Сейчас синтезированы холестерические вещества, в которых весь спектр цветов, от красного до синего, наблюдается при изменении температуры всего на 0,01 градуса, что говорит о большой чувствительности устройств на их основе. Шаг холестерической спирали также очень чувствителен к содержанию примесей в холестерике, и поэтому эти вещества могут служить надёжными индикаторами загрязнений в атмосфере.

Нематические жидкости нашли широкое применение и в совсем другом плане. Оказывается, полимерные нити, получаемые из хорошо ориентированного нематического раствора полимерных молекул, приобретают огромную прочность. Это объясняется тем, что в таких нитях практически все молекулы хорошо «подогнаны» друг к другу, то есть их главные оси параллельны между собой, а это многократно усиливает межмолекулярные сцепления. Такие полимерные нити служат прекрасным средством упрочнения самых ответственных узлов в механизмах, машинах и аэрокосмических конструкциях, работающие при очень высоких температурах и нагрузках.

Похожие работы

Кристаллы и их свойства

Скачать

75802

1

1

... и турмалина. Из многочисленных кристаллографических модификаций кварца в качестве пьезо-электрика используется чаще всего низкотемпературный а-кварц, устойчивый до температуры 573°С. Пьезоэлектрические и пироэлектрические свойства кристаллов используются в технике уже много лет. Одно из применений пьезо-электриков известно буквально каждому. Это звукосниматели в наших проигрывателях, которые ...

Твердые кристаллы

Скачать

61410

3

0

... , только если, например, нагреть кристалл так, чтобы он начал плавится. Порядок, закономерность, периодичность, симметрия расположения атомов - вот что характерно для кристаллов. Во всех кристаллах, во все твердых веществах частицы расположены правильным, четким строем, выстроены симметричным, правильным повторяющимся узором. Пока есть этот порядок существует твердое тело, кристалл. Нарушен ...

Кристаллогенезис - возникновение, рост и разрушение кристаллов

Скачать

13652

0

0

... температурные колебания, либо с повышением концентрации вещества в растворе или газе, что приводит к увеличению вероятности встречи частиц друг с другом, то есть к возникновению зародышей. Таким образом, рост кристаллов можно рассматривать как процесс, посредством которого мельчайшие кристаллические частицы – зародыши – достигают макроскопических размеров. Причем кристаллизация протекает не во ...

Оптическая спектроскопия кристаллов галита с природной синей окраской

Скачать

70444

0

0

... из этого можно заключить, что факт наличия коллоидных выделений в синей соли и их размеры, полученные методом оптической спектроскопии, подтверждены прямым наблюдением поверхности сколов в атомно-силовом микроскопе. Таким образом в результате изучения оптического поглощения галитов можно сделать следующие выводы. В бесцветных образцах какие-либо центры окраски отсутствуют. В синих окрашенных ...