Типы и структура жидких кристаллов

В случае стержнеобразных молекул в зависимости от характера упорядо­чения длинных осей молекул в слое жидкие кристаллы разделяют на нематики, смектики и холестерики. Рассмотрим их внутреннюю структуру и простран­ственное упорядочение молекул. Для наглядности будем представлять молеку­лы жидких кристаллов в виде стержней, т.к. их длина во много раз больше толщины.

Нематики. Структура нематика будет представлять собой «жидкость одинаково ориентированных стержней» (см. рис. 52, а, б). В твердом состоянии молекулы кристалла строго ориентированы в пространстве (рис. 52, а). В жид­кокристаллическом состоянии эти молекулы разбросаны по жидкому кристаллу хаотически, они могут перемещаться под действием температуры в любую сто­рону. Относительный порядок существует только в ориентации длинных осей молекул. Эти стержни движутся хаотически в жидкости, но их преимуществен­ная ориентация не изменяется. Под действием температуры они совершают ориентационные (угловые) колебания, амплитуда которых возрастает при при­ближении к температуре фазового перехода (рис. 52, б). После точки фазового перехода ориентационное упорядочение исчезает, и ориентация молекул стано­вится полностью хаотической (рис. 52, в). В отношении оптических свойств нематики подобны одноосным кристаллам.

Для характеристики ориентационного поряд­ка вводится вектор единичной длины n, называе­мый директором, направление которого совпадает с направлением усредненной ориентации длинных осей молекул. По существу он представяет собой единичный вектор усредненного направления длинных осей молекул. Кроме того, вводится еще один параметр - скалярный параметр порядка Q, который характеризует степень ориентационного упорядочения молекул:

Q = 2 (^ -1),

где 0 - угол между направлением директора и

мгновенным направлением оси молекулы, а cos в - среднее значение по вре­мени. Значение Q = 1 соответствует полной ориентации всех молекул нематика в одном направлении, а Q = 0 - полному беспорядку в ориентации молекул. По физическому смыслу параметр порядка есть дисперсия случайной переменной - ориентации длинных осей молекул жидкого кристалла.

Рис. 52

До сих пор речь шла об однодоменном образце нематика, в котором ори­ентация директора одинакова во всех его точках. В реальности молекулы жид­кого кристалла могут изменять свою ориентацию по поверхности слоя жидкого кристалла, а также с его толщиной, образуя области одинаковой ориентации длинных осей молекул жидкого кристалла - домены. Причины такого деления нематика заключены в случайном характере внешних воздействий, способных задавать ориентацию молекул. Преимущественные ориентации длинных осей молекул в различных доменах никак не связаны между собой. Поэтому ориен­тация директоров в разных доменах хаотична, и, следовательно, оптические индикатрисы в доменах также разориентированы - в каждом домене ориента­ция индикатрисы своя. Значит и показатель преломления для света, падающего
на многодоменный жидкий кристалл, в каждом домене свой. На границе доме­нов имеет место скачок показателя преломления, который в поляризованном свете в скрещенных поляризаторах видится как светлая нить произвольной формы на темном фоне (нить по-гречески «нема», отсюда и название жидкого кристалла такого строения), которая указывает местоположение отдельных до­менов в слое нематика и их размеры. Поэтому, чтобы сделать его одномерным, говорят, «однодоменным», необходимы специальные меры. К ним относятся любые способы, задающие ориентацию длинных осей молекул: механическая полировка внутренних поверхностей стекол, между которыми помещается жидкий кристалл; задание ориентации с помощью внешних электрических или магнитных полей и т.д.

Смектики. В них степень упорядочения молекул выше, чем в нематиках (см. рис. 53): помимо ориентационной упорядоченности молекул, существует частичное упорядочение центров их тяжести. Таким образом, смектики органи­зованы в слои, расстояния между которыми фиксированы. Что же касается рас­положения центров тяжести молекул в пределах одного слоя, то оно хаотично, как в нематике. Поэтому для описания состояния смектика также используются

понятия директора n и параметра порядка Q.

Общим для всех смектиков является достаточно сильное взаимодействие

молекул в пределах выделенного слоя и слабое взаи­модействие между слоями. Поэтому слои легко

/mi /1 л __________ ^у...

В зависимости от расположения молекул в слое, а также общего поведе­ния директора по многим слоям смектики делятся на следующие типы: А, B, C, D, F, G и т.д. Так, в А-смектике оси молекул во всех его слоях перпендикуляр­ны поверхности слоя (см. рис. 53); в 5-смектике оси молекул находятся под не­большим углом к поверхности, одинаковым для всех слоев. В каждом слое D-
смектика отсутствует какое-либо упорядочение осей молекул - молекулы ори­ентированы хаотически.

Смектики обладают двулучепреломлением, но в исходном состоянии представляют собой совокупность хаотически ориентированных доменов.

Если растопить смектический кристалл, то сначала он дает жидкий смек- тик. При дальнейшем повышении температуры смектик переходит в нематик, а уже тот - в изотропную жидкость. Это и понятно: сравнительно слабое взаимо­действие между слоями с повышением температуры разру-шается раньше, чем взаимодействие молекул внутри каждого слоя - так появляется нематик. Впро­чем, у отдельных смектиков нематическая фаза отсутствует.

Холестерики. Они устроены более сложно, чем нематики и смектики. Локально холестерический кристалл устроен так же, как и нематик: в малом объеме упорядочение молекул холестерика можно охарактеризовать директо­ром и параметром порядка Q. Отличие холестерика от нематика проявляется в больших, по сравнению с молекулярными размерами, масштабах. Эти отличия связаны с тем, то в нем молекулы образуют холестерическую спираль: в не- матике существует направление, называемое холестерической осью, вдоль которого ориентация директора регулярным образом изменяется. Директор перпендикулярен этой оси и меняет свое положение вдоль холестерической оси по спирали, оставаясь неподвижным (см. рис. 54). Угол поворота директо­ра по мере удаления в объем холесте- рика линейно связан с расстоянием z вдоль холестерической оси и может быть представлен в виде: ф = (2ж/ Ро)• z. Расстояние p₀, на кото­ром директор поворачивается на 360⁰,

называется шагом холестерической нгакняя граница холестерика ^спир^али- Рис. 54

Холестерическая фаза может наблюдаться сразу после плавления кри­сталла или после смектической фазы. При дальнейшем повышении температу­ры холестерик переходит в неиатик, а затем в изотропную жидкость.