ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ
Сказать о каком-то веществе просто жидкий кристалл, это ещеслишком мало. И если неспециалистов вполне удовлетворяет общий термин жидкийкристалл, то специалисту требуется дать более детальную информацию. Здесьситуация похожа на ту, которая возникла бы с вами в столовой или ресторане,если бы вам в качестве третьего блюда предложили бы просто жидкость, неконкретизируя, что это такое. Несомненно, большинство из вас такое общееопределение третьего блюда не удовлетворило бы, и каждый в зависимости отсвоего вкуса потребовал бы что-либо более определенное — чай, кофе, молоко и т. д. Так же делообстоит для специалистов и с жидкими кристаллами, поскольку под этим термином,как уже бегло говорилось выше, скрывается большое количество весьмаотличающихся друг от друга жидкокристаллических фаз.ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ — НОВОЕСОСТОЯНИЕ ВЕЩЕСТВА
Все чаще на страницах научных, а последнее время и научно-популярныхжурналов появляется термин «жидкие кристаллы» (в аббревиатуре ЖК) и статьи,посвященные жидким кристаллам. В повседневной жизни мы сталкиваемся с часами,термометрами на жидких кристаллах. Что же это за вещества с такимпарадоксальным названием «жидкие кристаллы» и почему к ним проявляется стользначительный интерес? В наше время наука стала производительной силой, ипоэтому, как правило, повышенный научный интерес к тому или иному явлению илиобъекту означает, что это явление или объект представляет интерес дляматериального производства. В этом отношении не являются исключением и жидкиекристаллы. Интерес к ним, прежде всего, обусловлен возможностями ихэффективного применения в ряде отраслей производственной деятельности.Внедрение жидких кристаллов означает экономическую эффективность, простоту,удобство.
Прежде чем рассказывать о конкретных областях примененияжидких кристаллов, необходимо сказать несколько общих слов о том, что же этовсе-таки такое — жидкие кристаллы. Тем более, что в ближайшее время изделия,содержащие жидкокристаллические элементы, будут так же широко распространены,как в свое время были распространены устройства, содержащие электронные лампыили транзисторы.
Жидкий кристалл — это специфическое агрегатное состояние вещества,в котором оно проявляет одновременно свойства кристалла и жидкости. Сразу надооговориться, что далеко не все вещества могут находиться в жидкокристаллическомсостоянии. Большинство веществ может находиться только в трех, всем хорошоизвестных агрегатных состояниях: твердом или кристаллическом, жидком игазообразном. Оказывается, некоторые органические вещества, обладающие сложнымимолекулами, кроме трех названных состояний, могут образовывать четвертоеагрегатное состояние — жидкокристаллическое. Это состояние осуществляется приплавлении кристаллов некоторых веществ. При их плавлении образуетсяжидкокристаллическая фаза, отличающаяся от обычных жидкостей. Эта фазасуществует в интервале от температуры плавления кристалла до некоторой болеевысокой температуры, при нагреве до которой жидкий кристалл переходит в обычнуюжидкость. Чем же жидкий кристалл отличается от жидкости и обычного кристалла ичем похож на них? Подобно обычной жидкости, жидкий кристалл обладает текучестьюи принимает форму сосуда, в который он помещен. Этим он отличается от известныхвсем кристаллов. Однако, несмотря на это свойство, объединяющее его сжидкостью, он обладает свойством, характерным для кристаллов. Это —упорядочение в пространстве молекул, образующих кристалл. Правда, этоупорядочение не такое полное, как в обычных кристаллах, но, тем не менее, оносущественно влияет на свойства жидких кристаллов, чем и отличает их от обычныхжидкостей. Неполное пространственное упорядочение молекул, образующих жидкийкристалл, проявляется в том, что в жидких кристаллах нет полного порядка впространственном расположении центров тяжести молекул, хотя частичный порядокможет быть. Это означает, что у них нет жесткой кристаллической решетки.Поэтому жидкие кристаллы, подобно обычным жидкостям, обладают свойствомтекучести.
/>
Обязательнымсвойством жидких кристаллов, сближающим их с обычными кристаллами, являетсяналичие порядка пространственной ориентации молекул. Такой порядок в ориентацииможет проявляться, например, в том, что все длинные оси молекул вжидкокристаллическом образце ориентированы одинаково. Эти молекулы должныобладать вытянутой формой. Кроме простейшего названного упорядочения осеймолекул, в жидком кристалле может осуществляться более сложный ориентационныйпорядок молекул.
В зависимости от вида упорядочения осей молекул жидкиекристаллы разделяются на три разновидности: нематические, смектические ихолестерические.
Исследования по физике жидких кристаллов и их применениям внастоящее время ведутся широким фронтом во всех наиболее развитых странах мира.Отечественные исследования сосредоточены как вакадемических, так и отраслевых научно-исследовательских учреждениях иимеют давние традиции. Широкую известность и признание получили выполненные ещев тридцатые годы в Ленинграде работы В.К. Фредерикса к В.Н. Цветкова Впоследние годы бурного изучения жидких кристаллов отечественные исследователитакже вносят весомый вклад в развитие учения о жидких кристаллах в целом и, вчастности, об оптике жидких кристаллов. Так, работы И.Г. Чистякова, А.П.Капустина, С.А. Бразовского, С.А. Пикина, Л.М. Блинова и многих другихсоветских исследователей широко известны научной общественности и служатфундаментом ряда эффективных технических приложений жидких кристаллов.
Об успехах отечественной промышленности в освоении выпускапродукции, в которой существенным элементом являются жидкие кристаллы, говоритприсуждение в 1983 году Государственной премии СССР большой группе работниковнауки и техники за разработку и внедрение в народное хозяйство индикаторныхустройств. Основными элементами этих индикаторных устройств, совершенныетехнические характеристики которых послужили основанием для присуждения премии,являются жидкокристаллические вещества. Присуждение этой премии символизируетплодотворный союз науки и производства в деле технических приложений жидкихкристаллов. Тут же следует сказать, что среди лауреатов, представителей науки,— В.Н. Цветков, ветеран научных исследований жидких кристаллов.
Пока мы просто декларировали необычные свойства жидкихкристаллов. Как же они были обнаружены? Ведь, не обладая современной огромнойинформацией о строении материи, очень трудно поверить, что такие, казалось бы,взаимно исключающие друг друга свойства могут проявляться у одного вещества.Поэтому, вероятно, исследователи уже очень давно сталкивались сжидкокристаллическим состоянием, но не отдавали себе в этом отчета. Тем неменее, существование жидких кристаллов было установлено очень давно, почти столетиетому назад, а именно в 1888 году.
Первым, кто обнаружил жидкие кристаллы, был австрийскийученый-ботаник Рейнитцер. Исследуя новое синтезированное им веществохолестерилбензоат, он обнаружил, что при температуре 145° С кристаллы этоговещества плавятся, образуя мутную сильно рассеивающую свет жидкость. Припродолжении нагрева по достижении температуры 179°С жидкость просветляется, т.е. начинает вести себя в оптическом отношении, как обычная жидкость, напримервода. Неожиданные свойства холестерилбензоат обнаруживал в мутной фазе.Рассматривая эту фазу под поляризационным микроскопом, Рейнитцер обнаружил, чтоона обладает двупреломлением. Это означает, что показатель преломления света,т. е. скорость света в этой фазе, зависит от поляризации.
Напомним, что линейно поляризованным светом, или как частоговорят, поляризованным светом, называют свет (электромагнитную волну),электрическое поле которой в процессе распространения остается лежащим внекоторой неизменной в пространстве плоскости. Эту плоскость принято называтьплоскостью поляризации света. А указания ориентации в пространстве этойплоскости достаточно для описания линейной поляризации света. Поскольку вплоскости поляризации лежит и направление распространения волны, то для заданиялинейной поляризации достаточно одного параметра, а именно угла (р,определяющего ориентацию этой плоскости в пространстве (ее вращения вокругнаправления распространения волны).
Явление двупреломления — это типично кристаллический эффект, состоящий в том, чтоскорость света в кристалле зависит от ориентации плоскости поляризации света.Существенно, что она достигает экстремального максимального и минимальногозначений для двух взаимно ортогональных ориентаций плоскости поляризации.Разумеется, ориентации поляризации, соответствующие экстремальным значениямскорости свете в кристалле, определяются анизотропией свойств кристалла иоднозначно задаются ориентацией кристаллических осей относительно направленияраспространения света.
Поэтому сказанное поясняет, что существование двупреломленияв жидкости, которая должна быть изотропной, т. е. что ее свойства должны бытьнезависящими от направления, представлялось парадоксальным. Наиболееправдоподобным в то время могло казаться наличие в мутной фазе нерасплавившихся малых частичек кристалла, кристаллитов, которые и являлисьисточником двупреломления. Однако более детальные исследования, к которымРейнитцер привлек известного немецкого физика Лемана, показали, что мутная фазане является двухфазной системой, т. е. не содержит в обычной жидкостикристаллических включений, а является новым фазовым состоянием вещества. Этомуфазовому состоянию Леман дал название «жидкий кристалл» в связи с одновременнопроявляемыми им свойствами жидкости и кристалла. Употребляется также и другойтермин для названия жидких кристаллов. Это — «мезофаза», что буквально означает«промежуточная фаза».
В то время существование жидких кристаллов представлялоськаким-то курьезом, и никто не мог предположить, что их ожидает почти через столет большое будущее в технических приложениях. Поэтому после некоторогоинтереса к жидким кристаллам сразу после их открытия о них через некотороевремя практически забыли.
Тем не менее, уже в первые годы были выяснены многие другиеудивительные свойства жидких кристаллов. Так, некоторые виды жидких кристалловобладали необычно высокой оптической активностью
Оптической активностью называют способность некоторых веществ- вращать плоскость поляризации проходящего через них света. Это означает, чтолинейно поляризованный свет, распространяясь в таких средах, изменяеториентацию плоскости поляризации. Причем угол поворота плоскости поляризациипрямо пропорционален пути L,пройденному светом, т. е. определяет угол поворота на единичном пути иназывается удельной вращательной способностью.
Было удивительным не только то, что величина вращательнойспособности для жидких кристаллов могла в сотни и тысячи раз превосходить этувеличину для наиболее оптически активных кристаллов, таких, как, например,кварц, но и то, что зависимость вращения плоскости поляризации от длины волнысвета в жидких кристаллах была совершенно необычной.
Так, в твердых телах, как, впрочем, и в обычных жидкостях,удельная вращательная способность имеет вполне определенный, независящий отдлины волны света знак. Это означает, что вращение плоскости поляризации светав них происходит в определенном направлении. Против часовой стрелки приположительном фа и по часовой стрелке при отрицательном фа. При этомподразумевается, что наблюдение за вращением плоскости поляризацииосуществляется вдоль направления распространения света. Поэтому все оптическиактивные вещества подразделяются на правовращающие, если вращение происходит почасовой стрелке, и левовращающие — против часовой стрелки.
В случае оптически активных жидких кристаллов такаяклассификация сталкивалась с трудностями. Дело в том, что направление вращенияв жидких кристаллах зависело от длины волн света. Для коротких длин волнвеличина фа, например, могла быть положительной, а для более длинноволновогосвета — отрицательной.А могло быть и наоборот. Однако характерным для всех случаев было изменениезнака вращения плоскости поляризации в зависимости от длины волны света, или,как говорят, инверсия знака оптической активности. Такое поведение вращенияплоскости поляризации совершенно не укладывалось в рамки существовавшихпредставлений об оптической активности
Удивительными были также и другие свойства, такие, каксильная температурная зависимость названных характеристик, их очень высокаячувствительность к внешним магнитным и электрическим полям и т д. Но прежде чемпытаться объяснить перечисленные свойства, необходимо понять, как устроеныжидкие кристаллы, и, в частности, ознакомиться с их структурными свойствами,ибо в конечном итоге для объяснения описанных свойств наиболее существеннымиоказываются именно структурные характеристики жидких кристаллов.
Здесь следует сказать, что в конце девятнадцатого — началедвадцатого века многие очень авторитетные ученые весьма скептически относилиськ открытию Рейнитцера и Лемана. (Имя Лемана также можно по праву связывать соткрытием жидких кристаллов, поскольку он очень активно участвовал в первыхисследованиях жидких кристаллов, и даже самим термином «жидкие кристаллы» мыобязаны именно ему.) Дело в том, что не только описанные противоречивыесвойства жидких кристаллов представлялись многим авторитетам весьмасомнительными, но и в том, что свойства различных жидкокристаллических веществ(соединений, обладавших жидкокристаллической фазой) оказывались существенноразличными. Так, одни жидкие кристаллы обладали очень большой вязкостью, удругих вязкость была невелика. Одни жидкие кристаллы проявляли с изменениемтемпературы резкое изменение окраски, так что их цвет пробегал все тона радуги,другие жидкие кристаллы такого резкого изменения окраски не проявляли. Наконец,внешний вид образцов, или, как принято говорить, текстура, различных жидкихкристаллов при рассматривании их под микроскопом оказывался совсем различным. Водном случае в поле поляризационного микроскопа могли быть видны образования,похожие на нити, в другом — наблюдались изображения, похожие на горный рельеф,а в третьем — картина напоминала отпечатки пальцев. Стоял также вопрос, почемужидкокристаллическая фаза наблюдается при плавлении только некоторых веществ?
Вот в таких условиях скептицизма со стороны многихавторитетов и изобилия противоречивых фактов вели свои работы первые, тогданемногочисленные, исследователи жидких кристаллов, настоящие энтузиасты своегодела. К их числу следует отнести немецкого химика Д. Форлендера, который вначале двадцатого века в университетском городе Галле совместно со своимиучениками изучал химию жидких кристаллов. Он пытался ответить на вопрос, какимисвойствами должны обладать молекулы вещества, чтобы оно имело жидкокристаллическуюфазу. Форлендер нашел большое количество новых соединений, обладающихжидкокристаллической фазой, и внимательно исследовал свойства молекулсоответствующих соединений, в частности структурные. В результате его работстало ясно, что жидкие кристаллы образуют вещества, молекулы которых имеютудлиненную форму
Время шло, открытия о жидких кристаллах постепеннонакапливались, но не было общего принципа, который позволил бы установитькакую-то систему в представлениях о жидких кристаллах. Как говорят, настало времядля классификации предмета исследований. Заслуга в создании основ современнойклассификации жидких кристаллов принадлежит французскому ученому Ж. Фриделю. Вдвадцатые годы Фридель предложил разделить все жидкие кристаллы на две большиегруппы. Одну группу жидких кристаллов Фридель назвал нематическими, другуюсмектическими. (Почему такие на первый взгляд непонятные названия дал Фридельразновидностям жидких кристаллов, будет понятно несколько ниже.) Он жепредложил общий термин для жидких кристаллов — «мезоморфная фаза». Этот терминпроисходит от греческого слова «мезос» (промежуточный), а, вводя его, Фридельхотел подчеркнуть, что жидкие кристаллы занимают промежуточное положение междуистинными кристаллами и жидкостями, как по температуре, так и по своимфизическим свойствам. Нематические жидкие кристаллы в классификации Фриделявключали уже упоминавшиеся выше холестерические жидкие кристаллы как подкласс.Когда классификация жидких кристаллов была создана, более остро встал вопрос:почему в природе реализуется жидкокристаллическое состояние? Полным ответом наподобный вопрос принято считать создание микроскопической теории. Но в то времяна такую теорию не приходилось и надеяться (кстати, последовательноймикроскопической теории ЖК не существует и по сей день), поэтому большим шагомвперед было создание чешским ученым X. Цохером и голландцем С. Озерномфеноменологической теории жидких кристаллов, или, как ее принято называть,теории упругости ЖК. В 30-х годах в СССР В.К. Фредерике и В.Н. Цветков первымиизучили необычные электрические свойства жидких кристаллов. Можно условносчитать, что рассказанное выше относилось к предыстории жидких кристаллов, ковремени, когда исследования ЖК велись малочисленными коллективами. Современныйэтап изучения жидких кристаллов, который начался в 60-е годы и придал науке оЖК сегодняшние формы, методы исследований, широкий размах работ сформировалсяпод непосредственным влиянием успехов в технических приложениях жидкихкристаллов, особенно в системах отображения информации. В это время было понятои практически доказано, что в наш век микроэлектроники, характеризующийсявнедрением микроминиатюрных электронных устройств, потребляющих ничтожныемощности энергии для устройств индикации информации, т. е. связи прибора с человеком,наиболее подходящими оказываются индикаторы на ЖК. Дело в том, что такиеустройства отображения информации на ЖК естественным образом вписываются вэнергетику и габариты микроэлектронных схем. Они потребляют ничтожные мощностии могут быть выполнены в виде миниатюрных индикаторов или плоских экранов. Всеэто предопределяет массовое внедрение жидкокристаллических индикаторов всистемы отображения информации, свидетелями которого мы являемся » настоящеевремя. Чтобы осознать этот процесс, достаточно вспомнить о часах илимикрокалькуляторах с жидкокристаллическими индикаторами. Но это только начало.На смену традиционным и привычным устройствам идут жидкокристаллические системыотображения информации. Частобывает, технические потребности не только стимулируют разработку проблем,связанных с практическими приложениями, но и часто заставляют переосмыслитьобщее отношение к соответствующему разделу науки. Так произошло и с жидкимикристаллами. Сейчас понятно, что это важнейший раздел физики конденсированногосостояния.
Кристаллы некоторых органическихвеществ при нагревании, прежде чем расплавиться и перейти в обычную жидкость,проходят при повышении температуры через стадию жидкокристаллической фазы. Какмы увидим ниже, жидкокристаллических фаз может быть у одного и того жесоединения несколько. Но сначала для того, чтобы не осложнять знакомство сжидкокристаллической фазой несущественными здесь подробностями, рассмотримнаиболее простую ситуацию, когда соединение обладает одной жидкокристаллическойфазой. В этом случае процесс плавления кристалла идет в две стадии. Сначала приповышении температуры кристалл испытывает «первое плавление», переходя в мутныйрасплав. Затем при дальнейшем нагреве до вполне определенной температурыпроисходит «просветление» расплава. «Просветленный расплав» обладает всемисвойствами жидкостей. Мутный расплав, который и представляет собойжидкокристаллическую фазу, по своим свойствам существенно отличается отжидкостей, хотя обладает наиболее характерным свойством жидкости — текучестью.Наиболее резкое отличие жидкокристаллической фазы от жидкости проявляется воптических свойствах. Жидкий кристалл, обладая текучестью жидкости, проявляетоптические свойства всем нам знакомых обычных кристаллов.
Чтобы схематично представить себеустройство нематика, удобно образующие его молекулы представить в виде палочек.Для такой идеализации есть физические основания. Молекулы, образующие жидкиекристаллы, как уже говорилось, представляют собой типичные для многихорганических веществ образования со сравнительно большим молекулярным весом,протяженности которых в одном направлении в 2—3 раза больше, чем в поперечном.Можно считать, что направление введенных нами палочек совпадает с длиннымиосями молекул. При введенной нами идеализации структуру нематика следуетпредставлять как «жидкость одинаково ориентированных палочек». Это означает,что центры тяжести палочек расположены и движутся хаотически, как в жидкости, аориентация при этом остается у всех палочек одинаковой и неизменной.
Напомним, что вобычной жидкости не только центры тяжести молекул движутся хаотически, но иориентации выделенных направлений молекул совершенно случайны и нескоррелированы между собой.
УПРУГОСТЬ ЖИДКОГО КРИСТАЛЛА
Выше в основном говорилось о наблюдениях, связанных спроявлением необычных оптических свойств жидких кристаллов. Первымисследователям бросались в глаза, естественно, свойства, наиболее доступныенаблюдению. А такими свойствами как раз и были оптические свойства. Техникаоптического эксперимента уже в девятнадцатом веке достигла высокого уровня, а,например, микроскоп, даже поляризационный, т. е. позволявший освещать объектисследования поляризованным светом и анализировать поляризацию прошедшегосвета, был вполне доступным прибором для многих лабораторий.
Оптические наблюдения дали значительное количество фактов освойствах жидкокристаллической фазы, которые необходимо было понять и описать.Одним из первых достижений в описании свойств жидких кристаллов, как ужеупоминалось во введении, было создание теории упругости жидких кристаллов. Всовременной форме она была в основном сформулирована английским ученым Ф.Франком в пятидесятые годы.
Постараемся проследить за ходом мысли и аргументамисоздателей теории упругости ЖК. Рассуждения были (или могли быть) приблизительнотакими. Установлено, что в жидком кристалле, конкретно нематике, существуеткорреляция (выстраивание) направлений ориентации длинных осей молекул. Этодолжно означать, что если по какой-то причине произошло небольшое нарушение всогласованной ориентации молекул в соседних точках нематика, то возникнут силы,которые будут стараться восстановить порядок, т. е. согласованную ориентациюмолекул. Конечно, исходной, микроскопической, причиной таких возвращающих силявляется взаимодействие между собой отдельных молекул. Однако надеяться набыстрый успех, стартуя от взаимодействия между собой отдельных молекул, да ещетаких сложных, как в жидких кристаллах, было трудно. Поэтому создание теориипошло по феноменологическому пути, в рамках которого вводятся некоторыепараметры (феноменологические), значение которых соответствующая теория неберется определить, а оставляет их неизвестными или извлекает их значения изсравнения с экспериментом. При этом теория не рассматривает молекулярныеаспекты строения жидких кристаллов, а описывает их как сплошную среду,обладающую упругими свойствами.
Для кристаллов существует хорошо развитая теория упругости.Еще в школе учат тому, что деформация твердого тела прямо пропорциональнаприложенной силе и обратно пропорциональна модулю упругости К. Возникает мысль,если оптические свойства жидких кристаллов подобны свойствам обычныхкристаллов, то, может быть, жидкий кристалл, подобно обычному кристаллу,обладает и упругими свойствами. Может показаться на первый взгляд, что этамысль совсем уж тривиальна. Однако не торопитесь с суждениями. Вспомните, чтожидкий кристалл течет, как обычная жидкость. А жидкость не проявляет свойствупругости, за исключением упругости по отношению к всестороннему сжатию, ипоэтому для нее модуль упругости по отношению к обычным деформациям строгоравен нулю. Казалось бы, налицо парадокс. Но его разрешение в том, что жидкийкристалл — это не обычная, а анизотропная жидкость, т. е. жидкость, свойства которойразличны в различных направлениях.
Таким образом, построение теории упругости для жидкихкристаллов было не таким уж простым делом и нельзя было теорию, развитую длякристаллов, непосредственно применить к жидким кристаллам. Во-первых,Существенно, что, когда говорят о деформации в жидких кристаллах, то имеют ввиду отклонения направления директора от равновесного направления. Длянематика, например, это означает, что речь идет об изменении от точки к точке вобразце под влиянием внешнего воздействия ориентации директора, который вравновесной ситуации, т. е. в отсутствии воздействия, во всем образцеориентирован одинаково. В обычной же теории упругости деформации описываютсмещение отдельных точек твердого тела относительно друг друга под влияниемприложенного воздействия. Таким образом, деформации в жидком кристалле — этосовсем не те привычные всем деформации, о которых говорят в случае твердоготела. Кроме того, упругие свойства жидкого кристалла в общем случае следуетрассматривать, учитывая его течение, что также вносит новый элемент и тем самымусложняет рассмотрение по сравнению с обычной теорией упругости. Поэтому здесьограничимся рассказом об упругости жидких кристаллов в отсутствие течений.
Оказывается, любую деформацию в жидком кристалле можнопредставить как одну из трех допустимых в ЖК видов изгибных деформаций либо каккомбинацию этих трех видов деформации. Такими главными деформациями являютсяпоперечный изгиб, кручение и продольный изгиб.
Коэффициенты пропорциональности между упругой энергиейжидкого кристалла и деформациями изгибов называют упругими модулями. Такихупругих модулей в жидких кристаллах по числу деформаций три —K1, К2 и К3. Численные значения этихмодулей несколько отличаются друг от друга. Так, модуль продольного изгиба К3обычно оказывается больше двух других модулей. Наименьшую упругость жидкийкристалл проявляет по отношению к кручению, т. е. модуль Кг, как правило,меньше остальных.
Такой результат качественно можно понять, вспоминаяобсуждавшуюся выше модель нематика как жидкости ориентированных палочек.Действительно, чтобы осуществить продольный изгиб, надо прикладывать усилия,которые стремятся изогнуть эти палочки (а они жесткие). В деформации жекручения, например, происходит просто поворот палочек-молекул относительно другдруга, при этом не возникает усилий, связанных с деформацией отдельнойпалочки-молекулы.
Поэтому и оказывается, что упругость по отношению кпродольному изгибу (модуль Кз), больше упругости по отношению к кручению(модуль К2).
Чтобы сравнить упругость жидкого кристалла с упругостьюобычного кристалла, надо сравнить их упругие энергии, приходящиеся на единицуобъема. При этом можно для качественной оценки пренебречь различием модулейпоперечного, продольного изгиба и кручения и, вычисляя упругую энергию жидкогокристалла, использовать их среднее значение. Сравнение показывает, что упругаяэнергия твердого тела в типичной ситуации оказывается по меньшей мере на десятьпорядков больше упругой энергии жидкого кристалла.
Таким образом, теория упругости жидких кристаллов,описывающая их как сплошную среду, т. е. претендующая только на описаниесвойств ЖК, усредненных по расстояниям больше межмолекулярных, приводит квыводу, что минимальная энергия жидкого кристалла соответствует отсутствиюдеформаций в нем. Для нематика таким состоянием с минимальной энергией или, какговорят, основным состоянием является конфигурация с одинаковой ориентациейдиректора во всем объеме образца. Любое отклонение распределения направленийдиректора от однородного (т. е. постоянного во всем объеме) связано с наличиемв нематике дополнительной упругой энергии, т. е. может быть реализовано толькоза счет приложения внешних воздействий, например, связанных с поверхностямиобразца, внешними электрическими и магнитными полями и т. д. В отсутствие этихвоздействий или при снятии их нематик стремится возвратиться в состояние соднородной ориентацией директора.
Континуальнаятеория применима для описания и других типов жидких кристаллов. Для них,однако, требуются определенные модификации теории. Но об этом речь пойдетдальше.
ГИДОРДИНАМИКА ЖК
Только что мы познакомились с упругими свойствами жидкогокристалла, сближающими его с твердыми телами. При этом обнаружилисьсущественные отличия его упругих свойств от свойств кристалла как вкачественном, так и количественном отношении. Теперь познакомимся детально сосвойством жидкого кристалла, типичным для жидкости, — текучестью, изучениемкоторой занимается наука гидродинамика.
Сразу следует сказать, что, несмотря на солидный возрастгидродинамики, одной из древнейших научных дисциплин, и большие достижения, вэтой науке существуют проблемы, не решенные до сих пор. К их числу относитсяпроблема турбулентного, т. е. сопровождающегося нерегулярными вихрями, как вбурном потоке, течения жидкости. Эта проблема, находящаяся, кстати сказать, сейчасв центре внимания специалистов, не решена еще для самых обычных жидкостей,таких, как вода. А о полном описании турбулентного течения таких сложных сред,как жидкие кристаллы, пока что не идет и речи. Поэтому, говоря здесь отекучести жидких кристаллов, мы будем иметь в виду их спокойное течение, вкотором нет нерегулярных вихрей, или, как принято называть его, «ламинарноетечение».
Ламинарное течение обычных жидкостей хорошо изучено. Основнойхарактеристикой, определяющей течение в этих условиях, является вязкость,свойство жидкостей, всем хорошо известное на практике. Так, каждый, незадумываясь, скажет, что у воды вязкость небольшая, у смазочных масел гораздобольше, а у смолы—очень большая.
Вязкость характеризуется количественно коэффициентом вязкости,который показывает, как сильно трение между соседними слоями текущей жидкости инасколько интенсивно передается движение жидкости от одной ее точки к другой.Именно из-за вязкости при течении жидкости по трубе ее скорость непосредственнона стенках трубы равна нулю, а в сечении трубы не постоянна, а возрастает помере удаления от стенок, достигая максимума в центре.
Типичными задачами в течении жидкостей являются течение жидкости по трубе (например,нефтепродуктов в трубопроводе) и движение тела (например, шарика под действиемсилы тяжести) в жидкости. Понятно, что оба эти примера имеют непосредственноеотношение к практическим задачам. Гидродинамика давно уже дала точное описаниетаких течений и, зная вязкость жидкости и давление, создаваемое насосными станциями,можно абсолютно точно рассчитать поток нефти в трубопроводе или скоростьдвижения тела в жидкости. Для нас здесь важно то, что именно в таких условияхвыполняют измерение вязкости жидкостей. В соответствующих экспериментах трубузаменяют капилляром, а движущееся тело шариком, падающим под действием силытяжести в жидкости.
Течение жидкости в капилляре описывается законом Пуазейля,названным так в честь французского ученого, открывшего эту закономерность. Всоответствии с этим законом количество жидкости, протекающей через трубу(капилляр), прямо пропорционально разности давлений на концах трубы, второйстепени площади сечения трубы и обратно пропорционально коэффициенту вязкости.Скорость движения шарика в жидкости описывается законом Стокса, названного такпо имени английского физика девятнадцатого века, современника Пуазейля. Этазакономерность гласит, что скорость движения шарика в жидкости прямопропорциональна приложенной к нему силе и обратно пропорциональна радиусушарика и вязкости жидкости.
Обратим здесь внимание читателя на то, что в девятнадцатомвеке и ранее было часто принято многим установленным учеными соотношениям, дажене очень важным, давать громкое имя «закон». В результате этой традициипоявились приведенные выше термины — закон Пуазейля, закон Стокса и многиедругие законы. Это не должно смущать читателя и вводить его в заблуждение приоценке значимости названных соотношений по сравнению со знакомыми ему сошкольной скамьи фундаментальными законами, например, законами механики Ньютонаили законами электромагнетизма Фарадея. Конечно, значимость соотношений,найденных Пуазейлем и Стоксом, несравнима со значимостью фундаментальныхзаконов Природы, а установившаяся здесь терминология—это просто дань времени.По современной практике вместо слова «закон» следовало бы употребить термин«формула», т. е. формула Пуазейля, формула Стокса.
Названные закономерности, как будем их называть, послесделанного отступления прекрасно зарекомендовали себя при определении вязкостижидкостей. В частности, экспериментально была подтверждена их справедливость ипоказано, что значение коэффициента вязкости т не зависит от скорости теченияжидкости (скорости шарика), пока выполняются условия ламинарного течения.
Приступая к изучению гидродинамики жидких кристаллов,исследователи начали с того, что просто применили описанные методы измерениявязкости к жидким кристаллам. Такой подход ничего хорошего не дал. Результатыизмерений вязкости не воспроизводились и зависели, казалось бы, от случайныхпричин, таких, как предыстория образца, способа изготовления капилляров,применяемых в измерениях. Более того, некоторые измерения показывализависимость коэффициента вязкости от скорости течения жидкого кристалла. Этипервые результаты показали, что гидродинамика жидких кристаллов гораздо сложнейи интересней, чем гидродинамика обычных жидкостей. И конечно, надо сказать, чтоисследователи, начиная изучать гидродинамику жидких кристаллов, надеялисьобнаружить новые, не известные для обычных жидкостей свойства и были бы разочарованы,если бы течение жидких кристаллов описывалось простыми формулами Пуазейля иСтокса.
В чем же дело? Почему течение нематика оказывается болеесложным, чем течение обычной жидкости?
Дело в том, что течение жидкости вызывает переориентациюдлинных осей молекул. А на введенном выше языке описания жидкого кристалла, каксплошной среды, с помощью задания в каждой его точке направления директораозначает, что течение нематика, с одной стороны, может приводить кпереориентации директора, а с другой, к тому, что характеристики теченияоказываются различными при различной ориентации директора по отношению кнаправлению скорости течения жидкости. Эти результаты легко понять и намолекулярном уровне. При течении жидкости молекул-палочек по капиллярам, особенноузким, течение будет выстраивать палочки-молекулы вдоль оси капилляра. Есликаким-либо' образом заставлять оставаться ориентацию палочек неизменной, толегко сообразить, что течение жидкости в случаеориентации палочек поперек капилляра будет затруднено по сравнению с течениемпри их ориентации вдоль капилляра.
Эти интуитивные представления, которые мы черпаем изповседневного опыта, полностью подтверждаются на эксперименте. Еще в начале40-х годов В.Н. Цветков исследовал зависимость скорости протекания нематикачерез капилляры от ориентации директора. При ориентации директора попереккапилляра скорость протекания жидкого кристалла через капилляр оказаласьсущественно меньше, чем при ориентации директора вдоль оси капилляра.Ориентация директора поперек оси капилляра осуществлялась с помощьюприкладываемого перпендикулярно капилляру магнитного поля (о том, почему полеориентирует нематик, речь еще впереди). Результат опыта, интерпретация которогопроводилась с помощью формулы Пуазейля, показал, что при включенном магнитномполе наблюдаемая вязкость почти в 2 раза больше, чем в отсутствии магнитногополя.
Таким образом, опыт показал, что для жидких кристаллов надоразрабатывать свою, более сложную и общую, чем для обычных жидкостей, теориютекучести. Такая теория разрабатывается усилиями многих исследователей. Иоказалась она гораздо более сложной, чем обычная гидродинамика. Достаточносказать, что в общем случае жидкий кристалл описывается восьмью коэффициентамивязкости. И даже упрощенный вариант этой теории, пренебрегающий сжимаемостьюжидких кристаллов, содержит пять коэффициентов вязкости. Это определяет кактрудности теоретического описания течения жидких кристаллов, так и постановкуэкспериментов, допускающих однозначную интерпретацию результатов. Здесь надодобавить, что в экспериментальном отношении дополнительные трудности связаны стем, что в процессе течений в жидком кристалле могут возникать дефекты вориентации директора. Дефектами называют точки или линии в нематике, на которыхориентация директора не определена. Поведение течений при наличии такихдефектов особенно сложно, и, в частности, упоминавшуюся выше зависимостьвязкости нематика от скорости течения связывают с возникновением привозрастании скорости именно таких дефектов,
Таким образом, можно констатировать, что течение жидкихкристаллов — это весьма сложный процесс, а исследования гидродинамики ЖКнаходятся в начале своего пути. Облегчает исследование гидродинамики жидкихкристаллов их двулучепреломление, оно позволяет визуализировать наведенныетечением жидкого кристалла, изменения ориентации директора и, наоборот, поизменению двупреломления, т. е. оптических свойств нематика, судить о скоростяхи изменении скоростей в потоке. Электрические свойства. Забегая вперед, скажем,что большинство применений жидких кристаллов связано с управлением ихсвойствами путем приложения к ним! электрических воздействий. Податливость и«мягкость» жидких кристаллов по отношению к внешним воздействиям делают ихисключительно перспективными материалами для применения в устройствахмикроэлектроники, для которых характерны небольшие электрические напряжения,малые потребляемые мощности и малые габариты. Поэтому для обеспеченияоптимального режима функционирования ЖК элемента в каком-либо устройстве важнохорошо изучить электрические характеристики жидких кристаллов. Начнем описаниеэлектрических свойств с электропроводности жидких кристаллов.Электропроводность — это величина, характеризующая количественно способностьвещества проводить ток. Она является коэффициентом пропорциональности в формулеl=oU, устанавливающей связь между током и приложенным напряжениемU. Поскольку проводимость —характеристика вещества, то ее значение всегда приводится для единичного объемавещества с единичным сечением поверхностей. Такой «объемчик» можно представитьсебе в виде кубика или цилиндра. Напряжение прикладывается к противоположнымграням куба или сечениям цилиндра, а ток в приведенной формуле—это суммарныйток через грани куба, к которым приложено напряжение, или через сечение цилиндра.Вспомнив курс школьной физики, читатель скажет, что проводимость — этовеличина, обратная удельному сопротивлению (строго говоря, введенную намивеличину следует также называть удельной проводимостью, но слово «удельная»обычно опускают). Совершенно правильно, более того, проводимость измеряется втех же, что и сопротивление, единицах — в омах, точнее, обратных омах.
Другим важным обстоятельством является то, что проводимость вжидких кристаллах носит ионный характер. Это означает, что ответственными заперенос электрического тока в ЖК являются не электроны, как в металлах, агораздо более массивные частицы. Это положительно и отрицательно заряженныефрагменты молекул (или сами молекулы), отдавшие или захватившие избыточныйэлектрон. По этой причине электропроводность жидких кристаллов сильно зависитот количества и химической природы содержащихся в них примесей. В частности,электропроводность нематика можно целенаправленно изменять, добавляя в негоконтролируемо» количество ионных добавок, в качестве которых могут выступатьнекоторые соли.
Из сказанного понятно, что ток в жидком кристаллепредставляет собой направленное движение ионов в системе ориентированныхпалочек-молекул. Если ионы представить себе в виде шариков, то свойствонематика обладать проводимостью вдоль директора в р. больше, чему,представляется совершенно естественным и понятным. Действительно, при движениишариков вдоль директора они испытывают меньше помех от молекул-палочек, чем придвижении поперек молекул-палочек. В результате чего и следует ожидать, чтопродольная проводимость о, будет превосходить поперечную проводимость.
Более того, обсуждаемая модель шариков-ионов в системеориентированных палочек-молекул с необходимостью приводит к следующему важномузаключению. Двигаясь под действием электрического тока поперек направлениядиректора, ионы, сталкиваясь с молекулами-палочками, будут стремитьсяразвернуть их вдоль направления движения ионов, т. е. вдоль направленияэлектрического тока. Мы приходим к заключению, что электрический ток в жидкомкристалле должен приводить к переориентации директора.
Эксперимент подтверждает выводы рассмотренной выше простоймеханической модели прохождения тока в жидком кристалле. Однако во многихслучаях ситуация оказывается не такой простой, как может показаться на первыйвзгляд.
Часто постоянное напряжение, приложенное к слою нематика,вызывает в результате возникшего тока не однородное изменение ориентациимолекул, а периодическое в пространстве возмущение ориентации директора. Делоздесь в том, что, говоря об ориентирующем молекулы нематика воздействии ионовносителей тока, мы пока что пренебрегали тем, что ионы будут вовлекать в своедвижение также и молекулы нематика. В результате такого вовлечения прохождениетока в жидком кристалле может сопровождаться гидродинамическими потоками,вследствие чего может установиться периодическое в пространстве распределениескоростей течения жидкого кристалла. Вследствие же обсуждавшейся в предыдущемразделе связи потоков жидкого кристалла с ориентацией директора в слое нематикавозникнет периодическое возмущение распределения директора.
Подробней на этом интересном и важном в приложении жидкихкристаллов явлении мы остановимся ниже, рассказывая об электрооптике нематиков.
ФЛЕКСОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ
Говоря о форме молекул жидкого кристалла, мы покааппроксимировали ее жесткой палочкой. А всегда ли такая аппроксимация хороша?Рассматривая модели структур молекул, можно прийти к заключению, что не длявсех соединений приближение молекула-палочка наиболее адекватно их форме. Далеемы увидим, что с формой молекул связан ряд интересных, наблюдаемых на опыте,свойств жидких кристаллов. Сейчас мы остановимся на одном из таких свойствжидких кристаллов, связанном с отклонением ее формы от простейшеймолекулы-палочки, проявляющемся в существовании флексоэлектрического эффекта.
Интересно, что открытие флексоэлектрического эффекта, какиногда говорят о теоретических предсказаниях, было сделано на кончике пераамериканским физиком Р. Мейером в 1969 году.
Рассматривая модели жидких кристаллов, образованных немолекулами-палочками, а молекулами более сложной формы, он задал себе вопрос:«Как форма молекулы может обнаружить себя в макроскопических свойствах?» Дляконкретности Р. Мейер предположил, что молекулы имеют грушеобразную илибанановидную форму. Далее он предположил, что отклонение формы молекулы отпростейшей, рассматривавшейся ранее, сопровождается возникновением у нееэлектрического дипольного момента.
Возникновение дипольного момента у молекулы несимметричнойформы — типичное явление и связано оно с тем, что расположение «центра тяжести»отрицательного электрического заряда электронов в молекуле может быть несколькосмещено относительно «центра тяжести» положительных зарядов атомных ядермолекулы. Это относительное смещение отрицательных и положительных зарядовотносительно друг друга и приводит к возникновению электрического дипольногомомента молекулы. При этом в целом молекула остается нейтральной, так каквеличина отрицательного заряда электронов в точности равна положительномузаряду ядер. Величина дипольного момента равна произведению заряда одного иззнаков на величину их относительного смещения. Направлен дипольный момент вдольнаправления смещения от отрицательного заряда к положительному. Длягрушеобразной молекулы направление дипольного момента по симметричным соображениямдолжно совпадать с осью вращения, для банановидной молекулы — направленопоперек длинной оси.
Рассматривая жидкий кристалл таких молекул, легко понять, чтобез влияния на него внешних воздействий дипольный момент макроскопическималого, но, разумеется, содержащего большое число молекул объема жидкогокристалла, равен нулю. Это связано с тем, что направление директора в жидкомкристалле задается ориентацией длинных осей молекул, количество же молекул,дипольный момент которых направлен по директору в ту и другую сторону — длягрушеобразных молекул, или для банановидных молекул — поперек направлениядиректора в ту и другую сторону, одинаково. В результате дипольный моментлюбого макроскопического объема жидкого кристалла равен нулю, так как он равенсумме дипольных моментов отдельных молекул.
Так, однако, дело обстоит лишь в неискаженном образце. Стоитпутем внешнего воздействия, например механического, исказить, скажем, изогнутьего, как молекулы начнут выстраиваться, и распределение направлений дипольныхмоментов отдельных молекул вдоль директора для грушеподобных молекул и поперекдиректора для банановидных будет неравновероятным. Это означает, что возникаетпреимущественное направление ориентации дипольных моментов отдельных молекул и,как следствие, появляется макроскопический дипольный момент в объеме жидкогокристалла. Причиной такого выстраивания являются стерические факторы, т. е.факторы, обеспечивающие плотнейшую упаковку молекул. Плотнейшей упаковкемолекул именно и соответствует такое выстраивание молекул, при котором ихдипольные моменты «смотрят» преимущественно в одну сторону.
С макроскопической точки зрения рассмотренный эффектпроявляется в возникновении в слое жидкого кристалла электрического поля придеформации. Как видно из рисунка, это связано с тем, что при выстраиваниидиполей на одной поверхности деформированного кристалла оказывается избытокзарядов одного, а на противоположной поверхности — другого знака. Такимобрезом, наличие или отсутствие флексоэлектрического эффекта несет информацию оформе молекул и ее дипольном моменте. Для молекул-палочек такой эффектотсутствует. Для только что рассмотренных форм молекул эффект есть. Однако, длягрушеподобных и банановидных молекул для наблюдения возникновенияэлектрического поля в слое надо вызвать в нем различные деформации.Грушеподобные молекулы дают эффект при поперечном изгибе, а банановидные — припродольном изгибе жидкого кристалла
Предсказанный теоретически флексоэлектрический эффект вскоребыл обнаружен экспериментально. Причем на эксперименте можно было пользоватьсякак прямым, так и обратным эффектом. Это означает, что можно не только путемдеформации ЖК индуцировать в нем электрическое поле и макроскопическийдипольный момент (прямой эффект), но и, прикладывая к образцу внешнееэлектрическое поле, вызывать деформацию ориентации директора в жидкомкристалле.
О БУДУЩИХ ПРИМЕНЕНИЯХ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ
Многие оптические эффекты в жидких кристаллах, о которыхрассказывалось выше, уже освоены техникой и используются в изделиях массовогопроизводства. Например, всем известны часы с индикатором на жидких кристаллах,но не все еще знают, что те же жидкие кристаллы используются для производстванаручных часов, в которые встроен калькулятор. Тут уже даже трудно сказать, какназвать такое устройство, то ли часы, то ли компьютер. Но это уже освоенныепромышленностью изделия, хотя всего десятилетия назад подобное казалосьнереальным. Перспективы же будущих массовых и эффективных применений жидкихкристаллов еще более удивительны.
УПРАВЛЯЕМЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ТРАНСПОРАНТЫ
Рассмотрим пример достижения научных исследований в процессесоздания жидкокристаллических экранов, отображения информации, в частностижидкокристаллических экранов телевизоров. Известно, что массовое созданиебольших плоских экранов на жидких кристаллах сталкивается с трудностями непринципиального, а чисто технологического характера. Хотя принципиальновозможность создания таких экранов продемонстрирована, однако а связи сосложностью их производства при современной технологии их стоимость оказываетсяочень высокой. Поэтому возникла идея создания проекционных устройств на жидкихкристаллах, в которых изображение, полученное на жидкокристаллическом экранемалого размера могло бы быть спроектировано в увеличенном виде на обычныйэкран, подобно тому, как это происходит в кинотеатре с кадрами кинопленки.Оказалось, что такие устройства могут быть реализованы на жидких кристаллах,если использовать сэндвичевые структуры, в которые наряду со слоем жидкогокристалла входит слой фотополупроводника. Причем запись изображения в жидкомкристалле, осуществляемая с помощью фотополупроводника, производится лучомсвета. Теперь же познакомимся с физическими явлениями, положенными в основу егоработы.
Принцип записи изображения очень прост. В отсутствиеподсветки фотополупроводника его проводимость очень мала, поэтому практическився разность потенциалов, поданная на электроды оптической ячейки, в которуюеще дополнительно введен слой фотополупроводника, падает на этом слоефотополупроводника. При этом состояние жидкокристаллического слоя соответствуетотсутствию напряжен; я на нем. При подсветке фотополупроводника егопроводимость резко возрастает, так как свет создает в нем дополнительные носителитока (свободные электроны и дырки). В результате происходит перераспределениеэлектрических напряжений в ячейке — теперь практически все напряжение падает нажидкокристаллическом слое, и состояние слоя, в частности, его оптическиехарактеристики изменяются соответственно величине поданного напряжения. Такимобразом изменяются оптические характеристики жидкокристаллического слоя врезультате действия света. Ясно, что при этом в принципе может быть использованлюбой электрооптический эффект из описанных выше. Практически, конечно, выборэлектрооптического эффекта в таком сэндвичевом устройстве, называемомэлектрооптическим транспарантом, определяется наряду с требуемыми оптическимихарактеристиками и чисто технологическими причинами.
Важно, что в описываемом транспаранте изменение оптическиххарактеристик жидкокристаллического слоя происходит локально — в точке засветкифотополупроводника. Поэтому такие транспаранты обладают очень высокойразрешающей способностью. Так, объем информации, содержащейся на телевизионномэкране, может быть записан на транспаранте размерами менее 1Х1 см2.
Описанный способ записи изображения, помимо всего прочего,обладает большими достоинствами, так как он делает ненужной сложную системукоммутации, т. е. систему подвода электрических сигналов, которая применяется вматричных экранах на жидких кристаллах.
ПРОСТАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫЕ МОДУЛЯТОРЫ СВЕТА
Управляемые оптические транспаранты могут быть использованыне только как элементы проекционного устройства, но и выполнять значительноечисло функций, связанных с преобразованием, хранением и обработкой оптическихсигналов. В связи с тенденциями развития методов передачи и обработкиинформации с использованием оптических каналов связи, позволяющих увеличитьбыстродействие устройств и объем передаваемой информации, управляемыеоптические транспаранты на жидких кристаллах представляют значительный интереси с этой точки зрения. В этом случае их еще принято называтьпространственно-временными модуляторами света (ПВМС), или световыми клапанами.Перспективы и масштабы применения ПВМС в устройствах обработки оптическойинформации определяются тем, насколько сегодняшние характеристики оптическихтранспарантов могут быть улучшены в сторону достижения максимальнойчувствительности к управляющему излучению, повышения быстродействия ипространственного разрешения световых сигналов, а также диапазона длин волнизлучения, в котором надежно работают эти устройства. Как уже отмечалось, однаиз основных проблем — это проблема быстродействия жидкокристаллическихэлементов, однако уже достигнутые характеристики модуляторов света позволяютсовершенно определенно утверждать, что они займут значительное место в системахобработки оптической информации. Ниже рассказывается о ряде возможныхприменений модуляторов света.
Прежде всего отметим высокую чувствительность модуляторовсвета к управляющему световому потоку, которая характеризуется интенсивностьюсветового потока. Спектральный диапазон работы модуляторов, выполненных наразличных полупроводниковых материалах, перекрывает длины волн отультрафиолетового до ближнего инфракрасного излучения. Очень важно, что в связис применением в модуляторах фотополупроводников удается улучшить временныехарактеристики устройств по сравнению с быстродействием собственно жидкихкристаллов. Разумеется, изменение оптических характеристик жидкого кристалла вточке регистрации сигнала происходит с запаздыванием, т. е. более медленно, всоответствии с временем изменения оптических характеристик жидкого кристаллапри наложении на него (или снятии) электрического поля.
Какие же, кроме уже обсуждавшихся функций, могут выполнятьмодуляторы света? При соответствующем подборе режима работы модулятора онимогут выделять контур проектируемого на него изображения. Если контурперемещается, то можно визуализировать его движение. При этом существенно, чтодлина волны записывающего изображения излучения и считывающего излучения могутотличаться. Поэтому модуляторы света позволяют, например, визуализироватьинфракрасное излучение, или с помощью видимого света модулировать пучкиинфракрасного излучения, или создавать изображения в инфракрасном диапазонедлин волн.
В другом режиме работы модуляторы света могут выделятьобласти, подвергнутые нестационарному освещению. В этом режиме работы из всегоизображения выделяются, например, только перемещающиеся по изображению световыеточки, или мерцающие его участки. Модуляторы света могут использоваться какусилители яркости света. В связи же с их высокой пространственной разрешающейспособностью их использование оказывается эквивалентным усилителю с оченьбольшим числом каналов. Перечисленные функциональные возможности оптическихмодуляторов дают основание использовать их 6 многочисленных задач обработкиоптической информации, таких как распознавание образов, подавление помех,спектральный и корреляционный анализ, интерферометрия, в том числе записьголограмм в реальном масштабе времени, и т. д. Насколько широко перечисленныевозможности жидкокристаллических оптических модуляторов реализуются в надежныетехнические устройства, покажет ближайшее будущее.ОПТИЧЕСКИЙ МИКРОФОН
Только что было рассказано об управлении световыми потоками спомощью света. Однако в системах оптической обработки информации и связивозникает необходимость преобразовывать не только световые сигналы в световые,но и другие самые разнообразные воздействия в световые сигналы. Такимивоздействиями могут быть давление, звук, температура, деформация и т. д. И вотдля преобразования этих воздействий в оптический сигнал жидкокристаллические устройстваоказываются опять-таки очень удобными и перспективными элементами оптическихсистем.
Конечно, существует масса методов преобразовыватьперечисленные воздействия в оптические сигналы, однако подавляющее большинствоэтих методов связано сначала с преобразованием воздействия в электрическийсигнал, с помощью которого затем можно управлять световым потоком. Такимобразом, методы эти двуступенчатые и, следовательно, не такие уж простые иэкономичные в реализации. Преимущество применения в этих целях жидкихкристаллов состоит в том, что с их помощью самые разнообразные воздействияможно непосредственно переводить в оптический сигнал, что устраняетпромежуточное звено в цепи воздействие—световой сигнал, а значит, вноситпринципиальное упрощение в управление световым потоком. Другое достоинствоЖК-элементов в том, что они легко совместимы с узлами волоконно-оптическихустройств.
Чтобы проиллюстрировать возможности с помощью ЖК управлятьсветовыми сигналами, расскажем о принципе работы «оптического микрофона» на ЖК-устройства,предложенного для непосредственного перевода акустического сигнала воптический.
Принципиальная схема устройства оптического микрофона оченьпроста. Его активный элемент представляет собой ориентированный слой нематика.Звуковые колебания создают периодические во времени деформации слоя, вызывающиетакже переориентации молекул и модуляцию поляризации (интенсивности)проходящего поляризованного светового потока.
Исследования характеристик оптического микрофона на ЖК,выполненные в Акустическом институте АН СССР, показали, что по своим параметрамон не уступает существующим образцам и может быть использован в оптическихлиниях связи, позволяя осуществлять непосредственное преобразование звуковыхсигналов в оптические. Оказалось также, что почти во всем температурноминтервале существования нематической фазы его акусто-оптические характеристикипрактически не изменяются.
Прежде чем перейти к другому примеру возможного
применения ЖК в оптических линиях связи, напомним, чтооптическое волокно представляет собой оптический волновод. Свет из этоговолновода не выходит наружу по той причине, что снаружи на волокно нанесенопокрытие, диэлектрическая проницаемость которого больше, чем во внутреннейчасти волокна, в результате чего происходит полное внутреннее отражение светана границе внутренней части и внешнего покрытия. Волноводный режимраспространения света в волокне может быть также достигнут не только за счетрезкой диэлектрической границы, но и при плавном изменении показателяпреломления (диэлектрической проницаемости) от середины к поверхностиволновода.
По аналогии с оптическими волокнами в тонком слое жидкогокристалла также может быть реализован волноводный режим распространения светавдоль слоя, если обеспечить соответствующее изменение диэлектрическойпроницаемости в пределах толщины слоя. А как мы знаем, изменениядиэлектрических характеристик в ЖК можно добиться изменением ориентациидиректора (длинных осей молекул). Оказывается, в слое нематика или холестеринаможно, например, путем приложения электрического поля обеспечить такой характеризменения ориентации директора по толщине, что для определенной поляризациисвета такой слой оказывается оптическим волноводом.
Каждый увидит здесь очевидную аналогию между оптическимволокном-волноводом и жидкокристаллическим волноводом. Но имеется здесь и оченьсущественная разница. Эта разница состоит в том, что если диэлектрическиехарактеристики оптического волокна, а следовательно, и его волноводныесвойства, неизменны и формируются при его изготовлении, то диэлектрические, аследовательно, и волноводные свойства ЖК-волновода легко изменять путем внешнихвоздействий.
Это значит, например, что если жидкокристаллический волноводвключен в канал волоконной связи, то световой поток, идущий по этому каналу,можно модулировать, меняя характеристики ЖК-элемента. В простейшем случае этоможет быть просто прерывание светового потока, которое может происходить вЖК-элементе при таком переключении электрического сигнала на нем, котороеприводит к исчезновению его волноводных свойств. Кстати сказать, этот жеЖК-элемент может выполнять и функции оптического микрофона, если он устроентак, что акустический сигнал вызывает в нем возмущение ориентации директора.
СТЕРЕОТЕЛИВИЗОР
В качестве еще одного заманчивого, неожиданного и касающегосяпрактически всех применений жидких кристаллов стоит назвать идею созданиясистемы стереотелевидения с применением жидких кристаллов. Причем, чтопредставляется особенно заманчивым, такая система «стереотелевидения на жидкихкристаллах» может быть реализована ценой очень простой модификации передающейтелекамеры и дополнением обычных телевизионных приемников специальными очками,стекла которых снабжены жидкокристаллическими фильтрами.
Идея этой системы стереотелевидения чрезвычайно проста. Еслиучесть, что кадр изображения на телеэкране формируется построчно, причем так,что сначала высвечиваются нечетные строчки, а потом четные, то с помощью очковс жидкокристаллическими фильтрами легко сделать так, чтобы правый глаз,например, видел только четные строчки, а левый — нечетные. Для этого достаточносинхронизировать включение и выключение жидкокристаллических фильтров, т. е.возможность воспринимать изображение на экране попеременно то одним, то другимглазом, делая попеременно прозрачным то одно, то другое стекло очков свысвечиванием четных и нечетных строк.
Теперь совершенно ясно, какое усложнение передающейтелекамеры даст стереоэффект телезрителю. Надо, чтобы передающая телекамерабыла стерео, т. е. чтобы она обладала двумя объективами, соответствующимивосприятию объекта левым и правым глазом человека, четные строчки на экранеформировались с помощью правого, а нечетные с помощью левого объективапередающей камеры.
Система очков с жидкокристаллическими фильтрами — затворами, синхронизированными сработой телевизора, может оказаться непрактичной для массового применения.Возможно, что более конкурентоспособной окажется стереосистема, в которойстекла очков, снабжены обычными поляроидами. При этом каждое из стекол очковпропускает линейно-поляризованный свет, плоскость поляризации которогоперпендикулярна плоскости поляризации света, пропускаемого вторым стеклом.Стерео же эффект в этом случае достигается с помощью жидкокристаллическойпленки, нанесенной на экран телевизора и пропускающей от четных строк светодной линейной поляризации, а от нечетных — другой линейной поляризации, перпендикулярной первой.
Какая из описанных систем стереотелевидения будет реализованаили выживет совсем другая система, покажет будущее.
ОЧКИ ДЛЯ КОСМОНАВТОВ
Знакомясь с маской для электросварщика, а теперь с очками длястереотелевидения, мы бы заметили, что в этих устройствах управляемыйжидкокристаллический фильтр перекрывает сразу все поле зрения одного или обоихглаз. Между тем существуют ситуации, когда нельзя перекрывать все поле зрениячеловека и в то же время необходимо перекрыть отдельные участки поля зрения.
Например, такая необходимость может возникнуть у космонавтовв условиях их работы в космосе при чрезвычайно ярком солнечном освещении, неослабленном ни атмосферой, ни облачностью. Эту задачу как в случае маски дляэлектросварщика или очков для стереотелевидения позволяют решить управляемыежидкокристаллические фильтры.
Усложнение очков в этом случае состоит в том, что поле зрениякаждого глаза теперь должен перекрывать не один фильтр, а несколько независимоуправляемых фильтров. Например, фильтры могут быть выполнены в видеконцентрических колец с центром в центре стекол очков или в виде полосок настекле очков, каждая из которых при включении перекрывает только часть полязрения глаза.
Такие очки могут быть полезны не только космонавтам, но илюдям других профессий, работа которых может быть связана не только с яркимнерассеянным освещением, но и с необходимостью воспринимать большой объемзрительной информации.
Например, в кабине пилота современного самолета огромноеколичество панелей приборов. Однако не все из них нужны пилоту одновременно.Поэтому использование пилотом очков, ограничивающих поле зрения, может бытьполезным и облегчающим его работу, так как помогает сосредоточивать еговнимание только на части нужных в данный момент приборов и устраняетотвлекающее влияние не нужной в этот момент информации. Конечно, в случаепилота можно пойти и по другому пути — поставить ЖК-фильтры на индикаторы приборов, чтобы иметьвозможность экранировать их показания.
Подобные очки будут очень полезны также в биомедицинскихисследованиях работы оператора, связанной с восприятием большого количествазрительной информации. В результате таких исследований можно выявить скоростьреакции оператора на зрительные сигналы, определить наиболее трудные иутомительные этапы в его работе и в конечном итоге найти способ оптимальнойорганизации его работы. Последнее значит определить наилучший способрасположения панелей приборов, тип индикаторов приборов, цвет и характерсигналов различной степени важности и т. д.
Фильтры подобного типа и индикаторы на жидких кристаллах,несомненно, найдут (и уже находят) широкое применение в кино-, фотоаппаратуре.В этих целях они привлекательны тем, что для управления ими требуется ничтожноеколичество энергии, а в ряде случаев позволяют исключить из аппаратуры детали,совершающие механические движения. А как известно, механические системы частооказываются наиболее громоздкими и ненадежными.
Какие механические детали кино-, фотоаппаратуры имеются ввиду? Это, прежде всего диафрагмы, фильтры — ослабители светового потока,наконец, прерыватели светового потока в киносъемочной камере, синхронизованныес перемещением фотопленки и обеспечивающие покадровое ее экспонирование.
Принципы устройства таких ЖК-элементов ясны из предыдущего. Вкачестве прерывателей и фильтров-ослабителей естественно использоватьЖК-ячейки, в которых под действием электрического сигнала изменяетсяпропускание света по всей их площади. Для диафрагм без механическихчастей—системы ячеек в виде концентрических колец, которых могут под действиемэлектрического сигнала изменять площадь пропускающего свет прозрачного окна.Следует также отметить, что слоистые структуры, содержащие жидкий кристалл ифотополупроводник, т. е. элементы типа управляемых оптических транспарантов,могут быть использованы не только в качестве индикаторов, например, экспозиции,но и для автоматической установки диафрагмы в кино-, фотоаппаратуре.
При всей принципиальной простоте обсуждаемых устройств ихширокое внедрение в массовую продукцию зависит от ряда технологическихвопросов, связанных с обеспечением длительного срока работы ЖК-элементов, ихработы в широком температурном интервале, наконец, конкуренции с традиционнымии устоявшимися техническими решениями и т. д. Однако решение всех этих проблем— это только вопрос времени, и скоро, наверное, трудно будет себе представитьсовершенный фотоаппарат, не содержащий ЖК-устройства.
ЛИТЕРАТУРА
1.В. де Же. Физические свойства жидкокристаллических веществ.
2.П. де Жен «Физика жидких кристаллов»,
3.С. Чандрасекар «Жидкиекристаллы».
4.Ландау Л.Д., Лифшиц Б.М. Теоретическая физика. Т.5. Статистическая физика.
5.Гросберг А.Ю., Хохлов А.Р. Статистическая физика макромолекул М.