Жидкие кристаллы

Вы когда-нибудь пробовали измерить температуру маленькому ребенку, который и одной минуты не может посидеть спокойно? А ведь надо еще держать под мышкой хрупкий термометр! В 90-е годы ХХ века на радость мамам появились удивительные градусники, почти игрушки. Тонкую плотную полоску накладывали на лоб ребенка, и на ней высвечивалась цифра, соответствующая температуре тела, причем быстро и с высокой точностью. А для грубого определения температуры (ниже или выше 37°С) использовались полоски, на которых загорались или зеленая буква H (healthy — здоров), или красная T (treat — лечить).

Иллюстрация: Е. Силина

Жидкие кристаллы (ЖК) — прекрасные и удивительные вещества, которые ведут себя одновременно как жидкость (их можно налить в стакан) и как кристалл (образуют подобие одномерной или двумерной кристаллической структуры). Уже через 5–10 лет ЖК стали привычными: индикаторы на панелях микроволновых печей, холодильников, стиральных машин, будильников, наручных часов, плоские экраны телевизоров и мониторы, информационные табло в аэропортах — эти и многие другие устройства для отображения информации работают на жидких кристаллах.

ЖК были открыты более 100 лет назад. В 1888 году австрийский ученый-ботаник Ф. Рейнитцер изучал органическое вещество холестерилбензоат. Он обнаружил, что при температуре 145°С оно превращалось в мутную, сильно рассеивающую свет жидкость с необычным поведением. Под поляризационным микроскопом он наблюдал явление двупреломления (зависимость показателя преломления света от ориентации плоскости поляризации) — типично кристаллический эффект. Это не соответствовало существовавшим тогда представлениям о трех состояниях вещества: жидком, твердом и газообразном. Ведь любая жидкость изотропна — ее свойства не зависят от направлений. Впрочем, при дальнейшем нагреве до 179°C она опять становилась прозрачной и оптически вела себя как обычная вода. Немецкий физик О. Леманн, к которому Ф. Рейнитцер обратился за помощью и советом, назвал ее «жидким кристаллом». Но открытие не было признано ученым миром.

Шло время, и веществ, которые могли становиться жидкими кристаллами, появлялось все больше и больше: примерно пять из каждой тысячи вновь синтезируемых органических соединений. Оказалось, что ЖК-состояние возможно только у органических веществ, молекулы которых имеют удлиненную (например, сигарообразную) форму. Строение наиболее простого ЖК можно представить себе как набор одинаково ориентированных (параллельных друг другу) палочек-молекул, которые движутся хаотически (как в любой жидкости), однако направление остается неизменным. Так короткие карандаши в длинной плоской коробке могут вращаться, двигаться поступательно, но никогда не встанут поперек. В более сложных ЖК молекулы одного направления образуют тонкие слои, повернутые друг относительно друга, как стопка листов бумаги, уложенных со сдвигом, спиралью. Именно таким строением и объясняются удивительные свойства ЖК — сильная температурная зависимость, высокая чувствительность к внешним магнитным и электрическим полям, давлению, оптическая активность (способность вращать плоскость поляризации проходящего через них света). Но если ЖК нагреть (вспомним опыты Ф. Рейнитцера), то упорядоченное расположение молекул нарушается и получается обычная жидкость, а при достаточно низких температурах — обычное твердое тело. Поэтому ЖК еще называют мезоморфной фазой, или просто мезофазой, что буквально значит «промежуточная фаза».

Переломным моментом в истории ЖК стал 1963 год, когда предприимчивый американец Дж. Фергюсон получил патент на ЖК-пластинку для обнаружения тепловых полей, не видимых глазом. Он использовал свойство ЖК изменять цвет под воздействием температуры. А в 1968 году в США был продемонстрирован принципиально новый индикатор: к разным частям тонкой ЖК-пленки прикладывали электрическое поле, и на ней возникало изображение букв, цифр, геометрических фигур, образованное прозрачными и непрозрачными участками пленки. Возможность так просто управлять свойствами ЖК открыла поистине безграничные перспективы их применения.

Зависимость цвета ЖК от температуры используют в медицинской диагностике. Если больной орган выделяет даже незначительно повышенное количество тепла, его легко увидеть по изменению цвета ЖК-пленки, наложенной на тело пациента. Так же выявляются неисправные элементы интегральных схем и печатных плат: сильно нагретые или, наоборот, холодные, неработающие, они видны как яркие пятна.

Область применения ЖК, которая развивается наиболее активно, — это информационная техника: от простых одноцветных индикаторов электронных часов до LCD (liquid crystal display) телевизоров с изображением высокого качества. Основа любого ЖК-индикатора — электрооптическая ячейка: тонкий слой ЖК находится между двумя плоскими стеклянными

пластинками с нанесенным на них прозрачным проводящим слоем (окись олова или окись индия). Такая ячейка помещается между двумя поляризационными фильтрами. Поляризованный свет движется через слой ЖК. Его молекулы под действием напряжения меняют поляризацию света на определенный угол, и второй фильтр пропускает уже только часть света. Тем самым формируется изображение точки (ее называют пикселем) разной

степени яркости. Чтобы получить цветное изображение, на каждый пиксель надо брать не одну, а три ячейки с цветными светофильтрами основных цветов красного, зеленого и синего. Это немножко похоже на шторы-жалюзи. Когда створки повернуты от окна, весь свет попадает в комнату, когда закрыты, света нет, а если полуоткрыты, комната освещена частично. А теперь повесим на окно три жалюзи красного, зеленого и синего цветов. Открывая и закрывая их, можно (теоретически) на просвет увидеть разные цвета, а закрыв все сразу — черный цвет.

Мы только-только привыкли к плоским экранам, а уже разработаны ЖК-композиты (тонкие полимерные пленки с диспергированными в них каплями ЖК), которые позволят сделать телеэкран, сворачивающийся в трубку.