Регистрирующие среды на основе жидких кристаллов

РЕГИСТРИРУЮЩИЕ  СРЕДЫ НА ОСНОВЕ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ

 

За последние  два десятилетия жидкие кристаллы (ЖК) как регистрирующие среды стали широко применяться в устройствах отображения информации и их элементах, распространенных в оптике, радиоэлектронике, медицине. Это вызвано необходимостью управления оптическими характеристиками этих элементов, их низким потреблением энергии и малыми габаритами [338—340]. Эти достоинства полностью определяет носитель информации — ЖК, своеобразная регистрирующая среда (PC) с рядом необычных, часто уникальных характеристик, отсутствующих не только у классических, но и у многих несеребряных PC.

Из числа  требований, предъявляемых к современным PC со стороны голографии, телевидения, оптической обработки информации и  др., труднее всего удовлетворяются такие, как реверсивность, отображение информации в реальном масштабе времени, возможность управлять свойствами получаемых изображений. Все это в сочетании с необходимостью не уступать традиционным PC резко ограничивает круг приемлемых PC. Среди них ЖК занимают особое место, хотя применение их в качестве PC в прямом смысле слова только началось, а свойства до конца не изучены. Достаточно сказать, что для направленного синтеза ЖК с целью получения необходимых характеристик даже не сформулированы основные условия, а физические явления в ЖК, в частности на границе ЖК/твердое тело, исследованы весьма неполно. Имеются трудности и в установлении теоретических и экспериментальных связей между характеристиками получаемых изображений и оптико-физическими свойствами ЖК, конструкторско-технологическими параметрами PC и режимами их управления.

 

Жидкие кристаллы  обладают рядом особенностей, отличающих их от других PC [341]:

1) разнообразием  структур, физических свойств и  граничных условий, что позволяет получать оптические изображения внешних воздействий различной природы, включая неоптические, — температурных, электрических, магнитных, акустических полей, излучений различных длин волн, механических деформаций, межмолекулярных взаимодействий с подложкой и даже некоторых химических воздействий [342]; это свойство уникально и превосходит возможности всех известных PC;

2) разнообразием  оптических эффектов в оптически  анизотропных молекулах, что позволяет  при надлежащем выборе конструкторско-технологических параметров среды получать изображения многих классов — объемные или плоские, поли- или монохромные, в реальном масштабе времени или с памятью (кратковременной, долговременной, регулируемой) [343];

3) зависимостью  оптических свойств от управляющих воздействий, что позволяет осуществлять обработку изображений одновременно с их получением [344]; в большинстве случаев управляющее воздействие может изменять характер преобразования не только самих ЖК, но и дополнительных слоев, расширяя динамический диапазон преобразований и позволяя выбирать линейный или нелинейный участок преобразования, а значит, и получать различные оптические эффекты.

 

ФИЗИЧЕСКИЕ  ПРИНЦИПЫ СОЗДАНИЯ РЕГИСТРИРУЮЩИХ СРЕД НА ЖИДКИХ КРИСТАЛЛАХ

Для создания PC пригодны более 30 оптических эффектов в ЖК. Почти всегда используется ориентированный тонкий слой ЖК с большой оптической анизотропией . Для получения изображения слой ЖК под влиянием управляющих воздействий либо локально переориентируется с сохранением оптической упорядоченности, либо разориентируется, либо, наконец, в нем изменяется оптическая анизотропия при изменении температуры или конформационных преобразованиях. Эффекты, сопровождаемые разориентацией молекул ЖК, сводятся к управляемому изменению светорассеяния среды. Эффекты, основанные на изменении оптической анизотропии или переориентации молекул ЖК, требуют использования поляризационных пленок и сводятся к управляемому изменению светопропускания среды.

Жидкий кристалл - состояние вещества, промежуточное  между жидким и твердым состояниями. В жидкости молекулы могут свободно вращаться и перемещаться в любых направлениях. В кристаллическом твердом теле они расположены по узлам правильной геометрической сетки, называемой кристаллической решеткой, и могут лишь вращаться в своих фиксированных позициях. В жидком кристалле имеется некоторая степень геометрической упорядоченности в расположении молекул, но допускается и некоторая свобода перемещения.

 

Рисунок - Увеличенное изображение жидкого кристалла

 

Жидкие кристаллы (ЖК) – особое термодинамическое состояние вещества, промежуточное между кристаллическим твердым телом и аморфной жидкостью и характеризующееся определенным порядком в расположении молекул. В этом состоянии имеет место анизотропия механических, электрических, магнитных и оптических свойств. Способность целого ансамбля ЖК-молекул переориентироваться в магнитном поле была впервые изучена В. Фредериксом и В. И. Цветковым. Воздействие электрического поля при облучении ЖК когерентным излучением исследовалось С. А. Пикиным, Л. М. Блиновым, А. С. Сониным и рассмотрено в работах .Классификация ЖК была предложена О. Леманном, затем расширена М. Г. Фриделем.

По этой классификации  выделяют три типа жидких кристаллов – нематические, холестерические  и смектические. ЖК, входящие в каждую из групп, различаются физическими, прежде всего оптическими свойствами. Это различие следует из их структуры.

Нематическая  жидкость.

Жидкости сильно отличаются от газов и твёрдых  кристаллов. Атомы или молекулы, из которых состоит жидкость, не могут разойтись на сколь угодно большое расстояние друг от друга. Это означает, что в жидкости очень важны силы притяжения между атомами или молекулами. То же самое можно сказать и о твёрдом кристалле, но в кристалле эти силы настолько велики, что атомы вынуждены занимать в нём определённые места, образуя трёхмерную кристаллическую решётку. В такой решётке всегда имеются выделенные направления, называемые осями кристалла. Вдоль этих направлений атомы располагаются в строго периодическом порядке. В обычной жидкости нет никаких выделенных направлений, она не обладает собственной формой, потому что молекулы жидкости не столь прочно связаны друг с другом и могут перемещаться в пространстве – перескакивать с места на место.

Таким образом, в текучей жидкости молекулы только в среднем находятся на некотором характерном расстоянии друг от друга. Ответ на вопрос, как взаимодействуют между собой молекулы и чему равно среднее расстояние а между ними, дает квантовая механика. Оказывается, что на больших расстояниях между молекулами их взаимодействие определяется силами притяжения, а на очень малых расстояниях – силами отталкивания.

Следовательно, молекулы не могут сблизиться на сколь  угодно малое расстояние из-за очень  больших сил отталкивания - в этом случае говорят, что молекулы не могут проникать друг в друга.

На расстоянии а, примерно равном размеру молекул, сила, взаимодействующая между молекулами, становится равной нулю.

Так устроена обычная  жидкость, состоящая из относительно простых молекул или атомов. Однако нас поджидает замечательное открытие, если молекулы имеют ярко выраженную анизотропную форму, то есть если у молекул можно четко выделить какие-нибудь характерные оси.

Рис.1

Такие молекулы схематически изображены на рис1. В них атомы  располагаются не, как попало, а выстроены вдоль определённой линии (рис1,а) или лежат в выделенной плоскости (рис1,б).

Взаимодействие молекул  такой формы приводит к тому, что  в жидком состоянии они не только удерживаются на некотором среднем  расстоянии друг от друга, но могут  сохранять определённый порядок в своём относительном расположении – длинные оси молекул (рис2,а) или плоскости молекул (рис2,б) оказываются параллельными друг другу.

 

Рис. 2

В такой необычной жидкости появляется особое направление, как  в твёрдом кристалле, вдоль которого ориентируются выделенные оси молекул. Это сходство между кристаллом и описанной удивительной жидкостью и провело к соединению двух понятий в одно новое – «жидкий кристалл». А жидкое состояние (рис2) называют нематическим жидким кристаллом. Название «нематичекий» образовано от греческого слова νήμά - нить. В жидких кристаллах под микроскопом видны тонкие подвижные нити, которые представляют собой дефекты структуры. В идеальном жидком кристалле таких нитей нет.

Рассмотрим теперь силы, действующие в нематической жидкости. Эти силы - электрического происхождения. Интересно, что сила притяжения возникает между двумя атомами или молекулами, которые сами по себе являются электрически нейтральными. Посмотрим, как это получается.

Представим себе, что по какой-то причине в атоме произошло смещение отрицательно заряжённого электронного облака относительно положительно заряжённого ядра. Такой атом можно рассматривать как совокупность двух разноименных точечных зарядов, одинаковых по абсолютной величине, находящихся на некотором расстоянии друг от друга (3,а). Подобную систему зарядов называют электрическим диполем. В окрестности атома-диполя возникает электрическое поле. Напряжённость этого поля быстро убывает при удалении от атома, но вблизи атома поле достаточно велико. Если в окрестности атома I попадает нейтральный атом II (3,б), то электрическое поле атома I должно сместить заряды электронов и ядра атома II (3.б). Такое относительное смещение зарядов в атоме II должно в свою очередь, создавать электрическое поле, поддерживающее разделение зарядов в атоме I. Из рисунка 3 б видим, что разноименно заряжённые частицы атомов должны притягивать друг друга. При сближении атомов между ними начинают действовать силы отталкивания. На расстоянии, примерно равном размеру атомов, силы взаимодействия между атомами равны нулю. Точно такое же рассуждение мы можем провести и в отношении двух молекул, состоящих из нескольких десятков атомов. Нейтральные молекулы должны притягивать друг друга за счёт образования электрических диполей-атомов.

 

 

Рис 3

Действительно, молекулы должны притягиваться. Но как? Ясно, что по описанным выше причинам большая  часть атомов молекулы стремится  оказаться вблизи атомов другой молекулы, так как только в этом случае силы взаимодействия между молекулами обращаются в нуль. Но такая ситуация возможна только тогда, когда длинные оси молекул параллельны друг другу. Таким образом, возникает определённый порядок в ориентации молекул и появляется выделенное направление. Это направление можно характеризовать единичным вектором (рис1,2).

Разумеется, такое параллельное расположение выделенных осей молекул  возможно только при достаточно низкой температуре, когда тепловые толчки не настолько сильны, чтобы разрушить  ориентационный порядок в системе  молекул. При повышении температуры обязательно наступает момент, когда хаотическое тепловое движение молекул становится преобладающим и нематический порядок разрушается.

Таким образом, система таких  особых молекул может иметь два  состояния: обычное (изотропное) жидкое - при высоких температурах и анизотропное жидкое – при низких температурах. Подчеркнём, что нематический жидкий кристалл может быть действительно жидким, как вода, то есть центры масс молекул не образует в данном случае какую-то правильную решётку, как в кристалле, а располагаются хаотично в пространстве и могут в нём свободно перемещаться. В то же время ориентация молекул в этой жидкости подчиняется строгому порядку. Интересно, что нематическая жидкость, образуемая молекулами вытянутой формы известна уже много десятков лет, в то время как нематическая жидкость из дискообразных молекул открыта только в 1979-1980 года.[9]

Холестерическая жидкость.

Структура холестерической  жидкости во многом сходна с нематической, но имеет одно существенное отличие. Можно сказать, что холестерик обладает нематическим состоянием послойно, то есть состоит из стопки нематических слоёв(рис4,а). но оси этих параллельных друг другу слоёв развёрнуты на некоторый угол, причём для двух соседних слоёв этот угол составляет малую величину α=0,5°. Расстояние между соседними слоями примерно равно поперечному размеру молекулы а. если двигаться вдоль оси Z, перпендикулярной плоскости слоёв, то через число слоёв N=π/а ориентация молекул станет такой же, как и в самом первом слое. Расстояние h=а*2π/а, через которое повторяется ориентация молекул в пространстве, представляет собой удвоенный период своеобразной решётки (рис4,б). Величину h принято называть шагом спирали, которую образуют в пространстве концы молекул, лежащих в последовательных слоях.

Описанная периодическая  решётка – её называют холестерической  спиралью - удивительна тем, что чёткая периодичность в ней касается только ориентации молекул. В то же время в каждом нематическом слое молекулы могут свободно перемещаться, меняться местами; словом, холестерическая жидкость свободно течёт вдоль таких плоскостей, но спираль при этом почти не нарушается.

 

Рис. 4

Молекулы могут перемещаться и из слоя в слой, поворачиваясь  при этом на угол α, но это даётся им не так легко. Всё это и определяет особые свойства холестерической жидкости, схожие за свойствами твёрдого кристалла. Особенности структуры холестерической жидкости наиболее сильно проявляются при изменении температуры вещества, и при различных внешних воздействиях. Холестерическая спираль обладает яркими оптическими свойствами, чувствительна к малейшим повреждениям столь своеобразной решётки. Всё это вызвало громадный интерес к изучению и применению холестерических жидких кристаллов. Чем вызвана такая структура холестерика?

Объяснения заключается в особенности строения молекул, из которых состоят эти вещества. Молекулы холестерика - почти такие же, как в нематической жидкости, но имеют на своём конце небольшой отросток (рис5,а). Этот отросток образуется обычно одним или несколькими атомами, которые выступают из основной плоскости, содержащей подавляющее большинство атомов молекулы. Симметрия молекулы нарушается из-за отростка и напоминает симметрию руки, которая бывает только правой и только левой.

Как сказывается такая  форма молекул на ориентационном порядке жидкости? Подобные молекулы можно расположить параллельно друг другу в определённой плоскости, например в плоскости, в которой лежат сами молекулы. Именно эти плоскости и образуют отдельные слои холестерика (рис5,б). А как могут быть «пристроены» друг к другу эти слои? Очевидно, что молекулы слоя 2 могут быть параллельны молекулам слоя 1, если слои расположены друг от друга на расстоянии, примерно равном высоте отростков. В этом случае отростки не мешают молекулам оставаться параллельными.

 

 

Рис. 5

Если расстояние между  слоями меньше высоты отростков, то векторы n1 и n2 не могут быть строго параллельны  – мешают отростки. Поэтому между  векторами n1 и n2 имеется малый угол α.

Таким образом, мы приходим к выводу, что несимметричные молекулы должны образовывать стопку нематических слоёв, причём от слоя к слою молекулы должны поворачиваться на определённый угол α. В зависимости от того, как изогнуты отростки отдельных молекул, холестерические спирали могут быть либо правыми, либо левыми.[8]

Жидкокристаллические растворы.

Жидкокристаллическое состояние  можно получить и при растворении  подходящих веществ в растворителе, например в воде, который сам по себе не образует жидкий кристалл. При  этом получается самые разные жидкие кристаллы. Если молекулы растворяемого вещества имеют форму стержня – получается нематическая жидкость; если у стержнеобразных молекул имеются отростки - холестерическая жидкость. Можно получить и более сложные состояния.