2.2 Рідкі кристали

Деякі речовини при підвищенні температури переходять з твердого стану в рідкий не відразу, а через стан, в якому їх структура є проміжною між структурою рідини і кристала. В такому стані вони називаються рідкими кристалами (thin crystal).

Рідкі кристали можуть утворювати тільки речовини з сильно витягнутими негнучкими молекулами. Прикладом можуть служити невеликі органічні молекули із загальною формулою

R А=В R'₁

де і ' – короткі, частково гнучкі ланцюги; а зв'язок А – В – подвійний або потрійний. Такі «молекули-стрижні» завжди намагаються розташуватися уздовж одного напряму, тобто певною мірою впорядковано. У міру зростання температури ступінь впорядкованості зменшується і врешті-решт зникає повністю. Діапазон температур, в межах якого існує рідкокристалічна фаза, складає звичайно декілька десятків градусів. Відмінність у взаємному розташуванні молекул в кристалічній, рідкокристалічній і рідкій фазах показано на рис. 2.4. Як видно з цього рисунка, далекий порядок розташування, центрів молекул в рідкокристалічному стані відсутній, рідкі кристали текучі і утворюють краплі подібні звичайним рідинам. Є, проте, певний порядок у напрямі молекул, що приводить до анізотропії властивостей таких кристалів (оптичних, електричних, магнітних і ін.). Наприклад, різниця показників заломлення для світла, поляризованого паралельно і перпендикулярно орієнтації молекул, складає звичайно приблизно 0,2. Чудовою властивістю рідких кристалів, що зумовила їх широке застосування в сучасній електроніці для відображення інформації, є те, що завдяки низькій в'язкості рідких кристалічних тіл орієнтацію молекул в них можна змінювати порівняно невеликими електричними полями. Зміна ж орієнтації молекул приводить до зміни оптичних властивостей рідкого кристала. Як видно з рис. 2.4, б, молекули в кристалічній фазі орієнтовані уздовж одного напряму не строго, мають флуктуації в їх орієнтації. Це приводить до великої оптичної мікронеоднорідності середовища і сильному розсіюванню світла в ній. Достатньо сказати, що розсіювання світла типовими рідкими кристалами приблизно в 10 разів більше, ніж звичайними ізотропними рідинами. В зовнішньому електричному полі всі молекули намагаються розташуватися уподовж або упоперек напряму поля залежно від того, в якому напрямі їх поляризація вища, і пропускання світла різко зростає. Виявляється, проте, що якщо в рідкому кристалі присутні іони-домішки, здатні переміщатися в зовнішньому полі (електропровідність при цьому, як правило, складає всього лише 10^-9–10^-8 Ом^-1см), то в сильнішому полі впорядкованість в розташуванні молекул може бути порушена і кристал знову стане мутнішим.

Якщо молекули є не рівні, а злегка закручені стрижні, то вони укладаються один відносно одного в спіральні структури, схематично показані на рис 2.5, а. Така рідкокристалічна фаза спостерігається в чистому ефірі холестерину і тому називається холестеричною (holeyer phase) (на відміну від нематичної (nematik phase), поданої на рис. 2.4, б). Холестерична фаза виникає не тільки в чистих речовинах, але і в розчинах закручених молекул в нематичних рідинах. Холестерики мають ряд специфічних властивостей, зокрема оптичних, що становлять великий інтерес для електроніки. Структура холестерину періодична уздовж осі спіралі, що приводить до брегівського віддзеркалення світла на довжині хвилі, рівна кроку спіралі, поділеного на показник заломлення. При цьому брегівське віддзеркалення може відбуватися у видимому діапазоні довжин хвиль. Холестерик також повертає площину поляризації світла, розповсюдженого уздовж осі спіралі на кут, залежний від товщини середовища і кроку спіралі. За допомогою зовнішнього електричного поля можна змінювати крок спіралі, повертати її вісь, переводити кристал з холестеричної в нематичну фазу.

Рисунок 2.4 – Схематичне зображення розташування молекул в кристалічній (а), рідкокристалічній (нематичній) (б) і рідкій (в) фазах

Рисунок 2.5 – Схема розташування молекул в холестеричній (а) і смектичній (б) рідкокристалічних фазах

Тому якщо помістити холестерик між двома поляроїдами, то пропускання світла такою системою змінюватиметься з поданням на нього різниці потенціалів. На цьому принципі побудовані електричні знакові індикатори, використовувані в деяких типах електронного годинника, мікрокалькуляторів і под. Крок спіралі, а отже, довжина хвилі брегівського віддзеркалення і колір холестерину різко змінюються з температурою. Так, в холестерилнонаноаті довжина хвилі бреговського віддзеркалення змінюється від 450 до 600 нм при підвищенні його температури всього на 1°С. Це дозволяє застосовувати холестерики для візуального знаходження «гарячих» точок в мікросхемах, вигляду зображення в інфрачервоному промінні і т.д.

Дуже чутливими до теплових і механічних властивостей бувають також рідкі кристали в так званій смектичній (smektik phase) фазі, в якій молекули розподілені шарами з чітко визначеним періодом (рис. 2.5,б). Смектики більш впорядковані, ніж нематики, і для даної речовини смектична фаза виникає завжди при нижчій температурі, ніж нематична.

Рідкокристалічні елементи споживають малу потужність, їм можна надавати різні розміри і форми, варіювати колір індикаторів. Вони дешеві і порівняно прості у виготовленні. Їм властиві і деякі недоліки: обмежений температурний діапазон роботи, порівняно велика інерційність (одиниці – десятки мілісекунд), старіння і ін. Проте в останнє десятиліття ця область електроніки надзвичайно бурхливо розвивається, багато недоліків виявляються цілком переборними, відкриваються нові можливості і в наш час важко передбачити межі застосування рідких кристалів не тільки в дисплеях, але і в інших системах.