Жидкие кристаллы — это органические вещества с анизотропными молекулами, имеющими одно- или двухмерный дальний порядок их расположения и, как следствие, анизотропию физических свойств. Определяющую роль в образовании жидкокристаллического состояния играют дисперсионные (ван-дер-ваальсовы) силы притяжения между молекулами. В жидкокристаллическом состоянии вещество может существовать лишь в определенном интервале температуры. Ниже этого интервала вещество находится в твердом кристаллическом состоянии, выше — переходит в изотропную жидкость.

По классификации, предложенной Ж. Фриделем, жидкие кристаллы разделяют на три типа: нематические, холестерические и смектические.

К нематическим (НЖК) относятся жидкие кристаллы, нитевидные молекулы которых имеют в своем расположении дальний ориентационный порядок, но не имеют трансляционного порядка (рис. 1, а). Текучесть НЖК обусловлена тем, что молекулы могут легко скользить относительно друг друга, сохраняя свою ориентацию.

Рис. 1. Структура нематического (а) и холестерического (б) жидкого кристалла.

Холестерические жидкие кристаллы (ХЖК) являются разновидностью НЖК. Отличие заключается в том, что они образованы оптически активными молекулами, в результате чего
структура жидкого кристалла приобретает слоистый характер и имеет винтовую ось симметрии, перпендикулярную направлению ориентации молекул и плоскости слоя (рис. 1, б).

Смектические жидкие кристаллы (СЖК) также имеют слоистую структуру, но при этом возможны различные виды упаковок молекул в слои. В смектике модификации А молекулы перпендикулярны плоскости слоя и внутри слоя не имеют трансляционного порядка (рис. 3). Смектик В отличается от смектика А тем, что молекулы в каждом слое, оставаясь параллельными друг другу и перпендикулярными плоскости слоя, образуют упаковку гексагонального типа. Смектик С — это наклонная форма смектика А. В этой упаковке существенно то, что толщина слоя меньше длины молекул, а угол наклона молекул может зависеть от температуры. Идентифицировано еще несколько смектических модификаций. Кроме того, к смектикам относят обычно любую модификацию, которую нельзя отнести к НЖК или ХЖК.

Рис. 3. Структуры смектических жидких кристаллов видов A, B, C.

Известно большое количество органических соединений, способных образовывать жидкие кристаллы. Наибольшее количество веществ, существующих в жидкокристаллическом состоянии, это ароматические соединения, содержащие бензольные кольца с заместителями в пара-положении

Анизотропные свойства жидких кристаллов полностью определяются степенью упорядоченности молекул, мерой которой может служить параметр ориентационного порядка S, введенный В. Н. Цветковым:

S = 0.5(3cos²θ—1) ,

где θ — угол между осью отдельной молекулы и преимущественным направлением ориентации молекул, а усреднение ведется и по ансамблю молекул, и по времени. Преимущественное направление совпадает с оптической осью жидкого кристалла и характеризуется единичным вектором, называемым «директором».

В соответствии с определением S=1 для твердого кристалла и S=0 для изотропной жидкости. В жидких кристаллах 0<S<1 и зависит от температуры. По мере ее увеличения S→0.

Вязкоупругие свойства. Если упругость твердых кристаллов и изотропных жидкостей связана только с изменением их плотности, то в жидких кристаллах основную роль играет упругость, обусловленная локальным изменением ориентации «директора».

Еще одним фактором, влияющим на динамику эффектов, является динамическая вязкость. В жидких кристаллах вязкость зависит не только от градиентов скорости течения, но и от направления молекулярных осей в соседних слоях. Поэтому она носит анизотропный характер.

Электропроводность. Жидкий кристалл — органический диэлектрик и в идеальном случае должен иметь очень низкую удельную электропроводность. Однако существующие методы очистки позволяют получить удельную электропроводность порядка 10¹¹ См/м. Основной вклад в электропроводность дают ионы, присутствующие в жидком кристалле или образующиеся вблизи электродов. В тех случаях, когда необходимо использовать жидкий кристалл с большими значениями электропроводности, обычно максимально очищенные смеси легируют специально подобранными примесями, молекулы которых либо непосредственно диссоциируют на ионы (ионные примеси), либо через промежуточную стадию образования молекулярных комплексов (донорные и акцепторные примеси).

Легирующие примеси влияют не только на значение электропроводности, но и на анизотропию проводимости, т.е. её значения вдоль и поперек «директора». При этом ионные примеси обеспечивают значительно большие значения анизотропии, чем донорные или акцепторные.

Диэлектрическая проницаемость. В большинстве электрооптических эффектов важную роль играет анизотропия диэлектрической проницаемости жидкого кристалла

Δε=ε//−εΤ

где ε//−εТ — относительная диэлектрическая проницаемость соответственно вдоль и поперек «директора». Значение и знак Δε определяются соотношением между анизотропией поляризуемости молекул и значением и направлением собственного дипольного момента.

Смешивая жидкие кристаллы, имеющие различные значения Δε, можно получать смеси, обладающие требуемой диэлектрической анизотропией.

Оптические свойства. На оптических частотах компонент ориентационной поляризации не дает вклада в общую поляризацию. Имеет значение лишь поляризуемость молекул, которая всегда выше в продольном направлении. Поэтому в жидких кристаллах оптическая анизотропия Δn=n//−nТ положительна. Обычно Δn=0,1—0,3. Исключение составляют жидкие кристаллы на основе алкилциклогексанкарбоновых кислот, для которых характерно малое значение оптической анизотропии: Δn = 0,04-0,08. Оптическая анизотропия Δn имеет большое значение в электрооптических эффектах, так как она определяет фазовую задержку между обыкновенным и необыкновенным лучами в ориентационных электрооптических эффектах, светорассеяние в гидродинамических эффектах, крутизну вольт-контрастных характеристик, индикатрисы пропускания или рассеяния. Смешивая жидкие кристаллы, имеющие различные значения Δn, можно получить материалы с различным Δn.

Сочетание в жидких кристаллах анизотропных свойств твердого тела и низкой вязкости жидкости приводит к некоторым электрооптическим эффектам, которые широко применяются в устройствах отображения и преобразования информации. Основой конструкции таких устройств является ячейка, представляющая собой две параллельных пластины, между которыми расположен тонкий слой (5...30 мкм) жидкого кристалла. На внутренних поверхностях пластин нанесены прозрачные электроды, на которые подается электрическое напряжение.

Важное значение имеет исходная ориентация молекул жидкого кристалла относительно плоскости подложек, задающаяся либо специальной обработкой подложек, либо поверхностно-активными добавками к жидким кристаллам.

Литература:

Справочник по электротехническим материалам/ Под ред. Ю. В. Корицкого, В. В. Пасынкова, Б. М. Тареева.—Т. 3.— 3-е изд., перераб.— Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1988.— 728 с.