Регистрирующие среды на основе жидких кристаллов

В таких жидких кристаллах важную роль играют не только силы притяжения между молекулами, но и силы отталкивания молекул на близких расстояниях. Роль сил отталкивания можно наглядно представить себе следующим образом. В большом объёме при высокой температуре молекулы, например стержнеобразные, не подчиняются никакому ориентационному порядку, то есть поворачиваются в пространстве как угодно. Но чтобы при всевозможных поворотах молекулы не мешали друг другу, надо каждой молекуле отвести в жидкости определённый объём. Этот объём представляет собой кубик с размером ребра, примерно равным длине молекулы l; в пределах такого кубика с объёмом l3 молекула действительно может быть ориентирована как угодно.

Поместим теперь тоже число  молекул при той же температуре  в меньший объём, то есть повысим  плотность системы. В результате на каждую молекулу станет приходиться объём, меньший, чем l3. Как будут размещаться молекулы в этом случае? Естественно, они смогут разместиться в меньшем объёме, если не будут поворачиваться как угодно, задевая друг друга, а займут более или менее параллельные положения. Если размер поперечного сечения молекул а заметно меньше l и на каждую молекулу приходится объём ~а2l, то все молекулы должны быть ориентированы одинаково, так как только в этом случае они не задевают друг друга. Но это может лишь произойти в случае очень высокой плотности. При средней плотности, когда на каждую молекулу приходится объём, меньший, чем l3, но больший чем а2l, ориентационный порядок будет неполным, но заметным. И связан этот порядок с тем, что молекулы не могут из-за сильного отталкивания проникать друг в друга.

Плотность стержнеобразных  молекул можно изменять без заметного  изменения общего объёма жидкости, когда такие молекулы растворяются в каком-нибудь обычном растворителе, например в воде. Повышая содержание воды в соответствующем растворе, мы получаем обычную неориентированную жидкость. При очень малом же содержании растворителя образуется нематическая или холестерическая жидкость, в зависимости от деталей структуры молекул. Растворы полимерных молекул являются как раз нематическими жидкими кристаллами.

Работу клеток живого организма во многом определяют жидкие кристаллы-растворы, которые  образуются из специальных молекул. Эти молекулы устроены более сложно. Их взаимодействие друг с другом и с молекулами растворителя характеризуются силами отталкивания и силами электростатического притяжения. Она состоит из небольшой головки (рис6,а), представляющей собой электрический диполь, и длинного незаряжённого хвоста.

 

Рис.6

Напомним, что  молекулы воды - тоже электрические  диполи. Противоположно заряжённые концы  диполей притягиваются друг к  другу, и поэтому молекулярные головки  притягивают воду. В тоже время  хвосты молекул химически устроены так, что они отталкивают воду, как молекулы жиров или воска.[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 6,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 (рис7,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 7,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. 7

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 рис8,а, а если оси поляризаторов скрещены, то свет сквозь эту систему пройти не сможет (рис8,б).

 

 

 

 

Рис.8

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 (рис9,а). Если неполированные стёкла предварительно обработать специальными химическими веществами, то можно добиться ориентации оси n перпендикулярно стеклянной поверхности (рис9,б).

Наконец, если полированные стёкла развернуть перпендикулярно друг другу, то можно получить закрученную по толщине слоя ориентацию вектора n (рис9,в).

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 (9,а). То же происходит и в случае, если поляризация света перпендикулярна оптической оси (рис9,б). В случае закрученной ориентации n поляризация света также поворачивается вслед за осью n (рис9.в).

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 9 а, по толщине слоя распространяются падающая волна и вторичные волны, причём векторы Е в волнах совпадают по направлению. В случае, изображённом на рисунке 9 б диполи не образуются и вторичные волны не излучаются; значит, падающая волна проходит, не ослабляясь. Наконец, в случае 9 в 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 (рис9) свет сквозь оптическую систему пройти не может, а в случае в (рис9) 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 9 в, а при включении воздействия она наклонялась на заметный угол, как на рисунках 9,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.9

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 10. 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.10

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.

Физический  принцип действия устройств на ЖК

Жидкокристаллические  телевизоры.

Рассмотрим  пример достижения научных исследований в процессе создания жидкокристаллических экранов, отображения информации, в частности жидкокристаллических экранов телевизоров.

Жидкокристаллический  дисплей ( LCD – Liquid Crystal Display ).

Принцип работы жидкокристаллического дисплея  заключается в следующем –  свет от лампы подсветки проходит через первый поляризатор и стеклянную пластину, поляризуясь в вертикальной плоскости. Слой жидких кристаллов расположен между двумя прозрачными пластинами, на них нанесены прозрачные электроды, подводящие электричество к каждой ячейке матрицы. Пластины обработаны так, что жидкие кристаллы ориентируются между ними определенным образом. При прохождении через светофильтр луч окрашивается в один из трех цветов (красный, зеленый, синий). После светофильтра размещается второй поляризатор, развёрнутый на 90o относительно первого. Если на ячейку не подать напряжение, то свет при прохождении сквозь слой жидких кристаллов не меняет плоскости поляризации и не может пройти сквозь второй поляризатор. Эта ячейка будет выглядеть черной на экране. Если же, подать напряжение, то жидкие кристаллы повернутся и изменят плоскость поляризации луча, который в свою очередь беспрепятственно пройдёт сквозь второй поляризатор. Для повышения быстродействия применяется технология тонкопленочных транзисторов ( Thin Film Transistor ), суть этой технологии в том, что для управления каждой ячейкой применяется отдельный тонкопленочный транзистор, а не горизонтальный и вертикальный электрод.