Что такое жидкие кристаллы. Что такое жидкие кристаллы.

Рисунок 2. Тип первого LC-соединения (холестеарилбензоат), открытого австрийским ботаником Фридрихом Рейнитцером (1888). Выше температуры плавления соединения переходят в жидкокристаллическое состояние, а при дальнейшем нагревании превращаются в изотропный расплав.

Жидкие кристаллы 1: история и классификация

Василий Панюшкин

Жидкие кристаллы— Состояние вещества, характеризующееся одновременными свойствами жидких и кристаллических веществ, например, жидкие кристаллы подобны жидкостям, но сохраняют кристаллическую ориентацию своих молекул.

Жидкие кристаллы были открыты в 1888 году австрийским ботаником Ф. Рейнитцером. Он заметил, что кристаллы холестерилового эфира бензойной кислоты и холестерилацетата имеют две точки плавления и, соответственно, два различных жидких состояния — мутное и прозрачное.

Чтобы понять это явление, он обратился к физику Отто Леману. Он исследовал жидкость и определил ее кристаллическую структуру. На заседании Венского химического общества 3 мая 1888 года он представил свое открытие и описал три наиболее важных свойства жидких кристаллов: наличие двух точек плавления, отражение циркулярно поляризованного света и способность наклонять плоскость поляризации света.

Однако ученые не обращали особого внимания на необычные свойства этих жидкостей. Рейнитцер не стал продолжать свои исследования. Работа была продолжена Леманом, а затем Даниэлем Форландером, который синтезировал большинство известных сегодня жидкокристаллических материалов за свою карьеру, продолжавшуюся до 1935 года. В остальном популярность жидких кристаллов в научном сообществе была очень низкой, в основном потому, что для них не было практического применения.

После Второй мировой войны исследования продолжил Джордж Уильям Грей, который разработал общее представление о том, какую структуру должны иметь вещества, чтобы обладать свойствами ЖК. В 1965 году он организовал первую конференцию по ЛК, в которой приняли участие около 100 ведущих специалистов по ЛК со всего мира. Эта конференция положила начало международным исследованиям в этой области, которые привели к практическому применению ЛК.

Внедрение ЖК-дисплеев для электрических дисплеев началось в 1962 году в лабораториях RCA (Radio Corporation of America). Когда к слою нитевидного кристалла при температуре 125 С было приложено электрическое поле, химик-физик Ричард Уильямс наблюдал образование регулярной структуры, позже известной как домены Уильямса. Это позволило его коллеге Джорджу Хейлмейеру разработать первый ЖК-экран.

Дальнейшая работа была направлена на снижение температуры перехода веществ, используемых в жидкокристаллической фазе, поскольку нагрев дисплеев до температуры более 100 °C, вероятно, нецелесообразен. В 1969 году Гансу Келькеру удалось синтезировать соединение, образующее нитевидную ЖК-фазу при комнатной температуре, MBBA, которое стало одним из наиболее часто используемых веществ в ЖК-дисплеях.

Разработка этого и других стабильных жидких кристаллов с низкой температурой плавления привела к быстрой адаптации жидких кристаллов для небольших ЖК-дисплеев в различных электронных устройствах.

В 1991 году Пьер-Жиль де Жён из Университета Париж-Суд получил Нобелевскую премию по физике «за открытие того, что методы, разработанные для изучения явлений порядка в простых системах, могут быть обобщены на жидкие кристаллы и полимеры».

Классификация жидких кристаллов

Жидкие кристаллы классифицируются на термотропные, лиотропные и металлотропные в зависимости от условий перехода в жидкое состояние:

Термотропные:

Одной из наиболее распространенных фаз ЖК является нематическая фаза (от греческого nema — нить). Обычно органические молекулы, образующие нематические фазы, имеют вытянутую, похожую на стержень форму. Они не образуют кристаллической решетки даже в самых малых порядках, но расположены в ряд примерно в одном направлении. В результате молекулы могут скользить относительно друг друга. Они жидкие, как обычные жидкости, но могут легко менять свою ориентацию под воздействием внешнего магнитного или электрического поля. Это придает им оптические свойства, аналогичные одноосным кристаллам, что делает их очень подходящими для производства ЖК-дисплеев.

Смектические фазы, которые обычно существуют при более низких температурах, чем нитевидные фазы, образуют слои, которые могут скользить друг по другу, как мыло (отсюда и название, которое происходит от латинского слова smecticus, означающего «обладающий мылоподобными свойствами»). Внутри слоев молекулы ведут себя как жидкости.

На картинке на обложке показан переход от смектической фазы жидких кристаллов к нематической фазе.

Эта фаза, которую также можно назвать хиральной нитевидной фазой, может быть образована только молекулами с хиральностью (зеркальной симметрией). В этой фазе образуется спиральная закрутка в ориентации молекул, которые расположены перпендикулярно главной оси спирали. Такие кристаллы называют холестерическими, поскольку подобные структуры чаще всего образуются из производных холестерина.

Совсем недавно были обнаружены так называемые столбчатые фазы, которые часто состоят из дискообразных молекул, наслоенных друг на друга в виде многослойных колонн с параллельными оптическими осями. Их часто называют «жидкими нитями», вдоль которых молекулы имеют трансляционные степени свободы. Этот класс соединений был предсказан ученым Ландау, но открыт Чандрасекаром только в 1977 году.

Лиотропные:

Лиотропные ЖК представляют собой смеси по крайней мере двух веществ — амфифильной фазы и растворителя. Растворитель заполняет большую часть пространства и тем самым обеспечивает текучесть. И амфифильные вещества, некоторые из которых растворимы в растворителе, а некоторые — нет. Поэтому они объединяются в молекулярные группы, называемые мицеллами, в которых части, не взаимодействующие с растворителем, группируются внутри, а взаимодействующие части — снаружи, что обеспечивает разделение несмешивающихся компонентов. Наиболее распространенным примером лиотропной ЖК является мыло.

Концентрация и состав растворителя напрямую влияют на формирование и структуру мицелл. В результате концентрация растворителя, как еще одна степень свободы системы, позволяет лиотропным кристаллам образовывать множество новых форм, недоступных обычным термотропным кристаллам. При увеличении концентрации амфифильных веществ мицеллы могут объединяться в структуры, напоминающие кристаллические решетки, и образовывать более кристаллические материалы.

Жидкие кристаллы были открыты в 1888 году австрийским ботаником Ф. Рейнитцером. Он заметил, что кристаллы холестерилбензоата и холестерилацетата имеют две точки плавления и, соответственно, два разных жидких состояния — мутное и прозрачное. Однако ученые не обращали особого внимания на необычные свойства этих жидкостей. Долгое время физики и химики принципиально не признавали жидкие кристаллы, поскольку их существование разрушало теорию о трех агрегатных состояниях твердом, жидком и газообразном. Ученые классифицировали жидкие кристаллы либо как коллоидные растворы, либо как эмульсии. Научное доказательство было предоставлено профессором Отто Леманом из Университета Карлсруэ после многолетних исследований, но открытие не могло быть применено даже после публикации его книги «Жидкие кристаллы» в 1904 году.

В 1940 году Виктор Николаевич Цветков сформулировал фундаментальные идеи современной физики жидких кристаллов, которые определяют применение мезоморфных жидкостей в технике. В.Х. Цветков объяснил природу ориентационного воздействия электромагнитных полей на образцы жидких кристаллов, связанную с их диэлектрической и диамагнитной анизотропией. Он разработал теоретические и экспериментальные методы исследования упругих деформаций нитевидных слоев в электромагнитных полях. Профессор Цветков открыл и объяснил явление динамического рассеяния света в жидких кристаллах в связи с анизотропией их электропроводящих, диэлектрических и вязких свойств. Оригинальный метод вращающегося магнитного поля позволил определить вращательную вязкость нитей и изучить макроскопическое время переориентации жидких кристаллов, что является фундаментальным для понимания динамических свойств мезофаз. Систематические исследования позволили В.Н. Цветкову сформулировать общую теорию мезоморфного состояния и ввести меру дальнего межмолекулярного ориентационного порядка в жидких кристаллах, а также разработать экспериментальные методы определения этого важнейшего свойства мезофаз.

В 1963 году американец Джеймс Фергасон использовал важнейшее свойство жидких кристаллов — менять цвет под воздействием температуры — для обнаружения тепловых полей, невидимых невооруженным глазом. После того, как он получил патент (патент США 3 114 836), интерес к жидким кристаллам быстро вырос.

В 1965 году в США состоялась первая международная конференция по жидким кристаллам. В 1968 году американские ученые разработали совершенно новые индикаторы для систем отображения информации. Принцип их работы был основан на том, что молекулы жидких кристаллов, вращающиеся в электрическом поле, по-разному отражают и излучают свет. Когда напряжение подавалось на проводники, приваренные к экрану, на экране появлялось изображение, состоящее из крошечных точек. Однако широкое применение в различных устройствах жидкие кристаллы получили только после 1973 года, когда группа британских химиков под руководством Джорджа Уильяма Грея произвела жидкие кристаллы из относительно дешевого и доступного сырья.

Группы жидких кристаллов

По своим общим свойствам СА можно разделить на две большие группы:

1. термотропные ЖК, образующиеся в результате нагревания твердого вещества и существующие в определенном интервале температур и давлений.
2. лиотропные ЖК, которые представляют собой двух- или более компонентные системы, образующиеся в смесях стержневидных молекул данного вещества и воды (или других полярных растворителей). Эти стержневидные молекулы имеют на одном конце полярную группу, а большая часть стержня представляет собой гибкую гидрофобную углеводородную цепь. Такие вещества называются амфифилами (амфи — по-гречески означает с двух концов, филос — любящий, благорасположенный). Примером амфифилов могут служить фосфолипиды.

Амфифильные молекулы обычно плохо растворимы в воде и склонны к образованию агрегатов, так что их полярные группы направлены на границу раздела с жидкой фазой. При низких температурах смешивание жидких амфифилов с водой приводит к разделению системы на две фазы. Вариантом амфифилов со сложной структурой является система «мыло-вода». Здесь присутствует алифатический анион CH₃-(CH₂)_n-2-CO₂— (где n ~ 12-20) и положительные ионы Na+, K+, NH4+ и др. Полярная группа CO₂— группа стремится вступить в тесный контакт с молекулами воды, в то время как неполярная группа (амфифильная цепь) избегает контакта с водой. Это явление характерно для амфифилов.

Термотропные ЖК делятся на три широкие категории:

Схематическое изображение нитевидного жидкого кристалла.

1. Нематические жидкие кристаллы. В этих кристаллах отсутствует дальний порядок в расположении центров тяжести молекул, у них нет слоистой структуры, их молекулы скользят непрерывно в направлении своих длинных осей, вращаясь вокруг них, но при этом сохраняют ориентационный порядок: длинные оси направлены вдоль одного преимущественного направления. Они ведут себя подобно обычным жидкостям. Нематические фазы встречаются только в таких веществах, у молекул которых нет различия между правой и левой формами, их молекулы тождественны своему зеркальному изображению (ахиральны). Примером вещества, образующего нематический ЖК, может служить N-(пара-метоксибензилиден)-пара-бутиланилин.

Схематическое изображение жидкого кристалла в смешанной фазе.

Холестерины ярко окрашены, и малейшее изменение температуры (вплоть до нескольких миллиметров) приводит к изменению шага спирали и, следовательно, к изменению окраски ЖК.

Для всех типов ЖК, упомянутых выше, характерна ориентация дипольных молекул в определенном направлении, которое определяется единственным вектором — «директором».

Недавно были открыты так называемые столбчатые фазы, которые состоят только из дипольных молекул, наслоенных друг на друга в виде многослойных столбиков с параллельными оптическими осями. Их часто называют «жидкими нитями», вдоль которых молекулы имеют трансляционные степени свободы. Этот класс соединений был предсказан ученым Ландау, но открыт Чандрасекаром только в 1977 году. На рисунке схематично показано, как устроены жидкие кристаллы вышеперечисленных типов.

Применение жидких кристаллов

Одним из наиболее важных применений жидких кристаллов является термография. Подбирая состав жидкокристаллических веществ, получают индикаторы для различных температурных диапазонов и для различных рисунков. Жидкие кристаллы в виде фольги используются, например, на транзисторах, интегральных схемах и печатных платах электронных схем. Неисправные компоненты — слишком горячие, слишком холодные или неработающие — сразу же распознаются по ярким пятнам. Новые возможности для врачей: жидкокристаллический маркер на коже пациента может быстро диагностировать скрытое воспаление или даже опухоль.

Жидкие кристаллы используются для обнаружения паров опасных химических соединений, а также гамма- и ультрафиолетового излучения, которые могут нанести вред здоровью человека. На основе жидких кристаллов были разработаны датчики давления и ультразвуковые детекторы. Однако наиболее перспективным применением жидких кристаллов является применение в информационных технологиях. Прошло всего несколько лет от первых стрелок, которые все знают по электронным часам, до цветных телевизоров с жидкокристаллическими дисплеями размером с почтовую открытку. Эти телевизоры имеют очень высокое качество изображения и потребляют меньше энергии.

Группы жидких кристаллов и их свойства

Жидкие кристаллы обычно делятся на две группы:

Термотропный — образуется при нагревании твердого тела. Они способны существовать при определенной температуре и давлении. Они делятся на три типа в зависимости от расположения молекул:

Классы различных термотропных жидкостей

1. Смектические – такие ЖК имеют слоистую структуру, слои которой способны перемещаться друг относительно друга. Плотность слоя с приближением к поверхности может меняться. Кроме того, «смектики» обладают относительно высокой вязкостью. Наиболее обширный класс ЖК.
2. Нематические – не обладают слоистой структурой, а их вытянутые молекулы непрерывно скользят вдоль своих длинных осей, при этом вращаясь вокруг них. Такие ЖК подобны жидкостям. К этому агрегатному состоянию способны прийти только те вещества, молекулы которых имеют форму, при которой они не отличаются от своего зеркального отражения.
3. Холистерические – образовываются в соединениях различных стероидов, например, холестерина. Во многом схожи с нематическими ЖК, за исключением расположения молекул. Длинные оси молекул холистерических ЖК повернуты друг относительно друга таким образом, что молекулы образуют спирали. Основная особенность такого типа жидких кристаллов – его молекулы сверхчувствительны к любому изменению температуры и в зависимости от нее – меняют свою ориентацию, а значит и саму спираль. Примечательно, что в зависимости от шага спирали холистерических ЖК также меняют свой цвет. В связи с двумя указанными свойствами, такие жидкие кристаллы нашли широкое применение в различных сферах человеческой деятельности.

Три типа термотропных жидких кристаллов

1. Лиотропные – образовываются в смесях, состоящих из стержневидных молекул данного вещества и полярных растворителей (например, воды).

Применение жидких кристаллов

ЖК-дисплеи

Прежде всего, следует отметить, что наиболее полезным, но и наиболее известным применением ЖК-дисплеев являются жидкокристаллические дисплеи. Иногда их называют ЖК-дисплеями, что является аббревиатурой от слова «жидкокристаллический дисплей». В наш век гаджетов такие дисплеи можно найти практически во всех электронных устройствах: Телевизоры, компьютерные мониторы, цифровые камеры, навигаторы, калькуляторы, электронные книги, планшеты, телефоны, электронные часы, музыкальные проигрыватели и т.д.

Конструкция ЖК-дисплеев довольно сложна, но в целом это набор стеклянных пластин с жидкими кристаллами (ЖК-матрица) и множеством источников света между ними. Пиксель ЖК-матрицы содержит пару прозрачных электродов, которые можно использовать для изменения ориентации молекул жидкого кристалла, и пару поляризационных фильтров, которые можно использовать для регулировки степени прозрачности и т.д.

Структура жидкокристаллического дисплея

Термография

Менее популярным, но более важным применением жидкокристаллического дисплея является термография. Термография позволяет получить тепловое изображение объекта путем обнаружения инфракрасного излучения — тепла. Инфракрасные приборы ночного видения используются пожарными для определения местонахождения жертв пожара при наличии дыма в помещении. Они также используются силами безопасности и военными.

Тепловидение используется для обнаружения горячих точек, поврежденной изоляции или других проблемных участков на линиях электропередачи во время технического обслуживания или строительных работ.

Применение термографии для обслуживания линий электропередач

Термография также используется в медицинской визуализации, особенно визуализации молочных желез. Это позволяет обнаружить различные виды рака, например, рак молочной железы.

Компьютерная термография в медицине

Электронные индикаторы

Электронные индикаторы, изготовленные с использованием жидких кристаллов, реагируют на различные температуры и, таким образом, могут предоставлять информацию о неполадках и ошибках в электронных системах. Например, ЖК-дисплеи используются в виде мембран на печатных платах и интегральных схемах, а также транзисторов. Неисправные электронные компоненты можно легко обнаружить по наличию такого индикатора.

Кроме того, ЖК-дисплеи на коже пациента позволяют выявлять воспаления и опухоли у людей.

Они также могут использоваться для обнаружения паров различных вредных химических соединений, а также ультрафиолетового и гамма-излучения. Ультразвуковые детекторы и устройства для измерения давления находятся в стадии разработки.

Жидкокристаллический детектор паров на основе спиртометра

Помимо непосредственного применения жидких кристаллов в вышеупомянутых областях, следует отметить, что жидкие кристаллы очень похожи на определенные клеточные структуры и иногда встречаются в них. Благодаря своим диэлектрическим свойствам жидкие кристаллы регулируют отношения внутри клетки, между клетками и тканями, а также между клеткой и окружающей средой. Таким образом, изучение природы и поведения жидких кристаллов может способствовать развитию молекулярной биологии.

На каких свойствах жидких кристаллов основано их применение?

Из списка применений жидких кристаллов, состоящих из множества компонентов, мы остановимся на цветопередаче, которая представляет наибольший интерес для всех, кто занимается компьютерной графикой. Для художников и дизайнеров очень полезно знать, как настроить монитор с помощью Adobe Gamma, и здесь я расскажу о физических принципах света и цвета в компьютерных мониторах.

Цвет на экране ЭЛТ отображается четко: Стекло экрана покрыто изнутри люминофором — специальными веществами, которые светятся разными цветами под воздействием электронного луча. Смесь красных, синих и зеленых люминесцентных веществ, которые постоянно бомбардируются электронами, позволяет нашему глазу видеть цветное изображение. Давайте разберемся, откуда берется цвет на ЖК-экране.

ЖК-дисплеи (жидкокристаллические экраны) состоят из пикселей. Каждый пиксель состоит из субпикселей красного, синего и зеленого цветов. Разумеется, каждый субпиксель представляет собой ячейку, состоящую из двух поляризационных фильтров, между которыми находится слой смеси жидкокристаллических веществ. Смесь веществ подобрана таким образом, чтобы дисплей функционировал в широком диапазоне температур. Это связано с тем, что, как уже говорилось, для каждого отдельного вещества существует только определенный период времени, в течение которого оно существует в жидкокристаллическом состоянии. Пиксель можно рассматривать как структурную и функциональную единицу экрана. Здесь нет необходимости углубляться в панели, потому что, во-первых, есть полные описания их структуры и функционирования, а во-вторых, через 50 лет никто не вспомнит об этих панелях, но оптические свойства жидких кристаллов не исчезнут.

Жидкокристаллические дисплеи основаны, в частности, на оптическом эффекте Фредерикса.

Эффект заключается в том, что молекулы жидких кристаллов вращаются под воздействием электрического поля (а где есть электрическое поле, там есть и магнитное поле). Направление их вращения совпадает с линиями электрического поля. Мы все убедились в реальности линий, когда в школе провели опыт с железными опилками.

Железные опилки выстраиваются вдоль линий электромагнитного поля, когда магнит находится под напряжением. Эксперимент демонстрирует физическую реальность поля.

Мы помещаем слой жидких кристаллов между двумя пластинами и освещаем одну сторону этого слоя. Если молекулы ЖК расположены вертикально, свет может беспрепятственно проходить через слой. Когда мы подаем напряжение на пластины (т.е. создаем электрическое поле), молекулы начинают двигаться: они выравниваются под определенным углом. Тогда часть света уже рассеивается, и мы больше не видим его на выходе или видим его в другой интенсивности. Изменяя напряжение поля, можно получить на выходе различный свет. Теперь представьте трио частичных пикселей: Например, красный цвет имеет интенсивность поля, зеленый — более низкую, а синий не имеет поля ни в какое время. Поэтому мы видим по одному пикселю за раз — немного красного, чуть больше зеленого и много синего (цвет субпикселя — это просто цветная пластина, через которую проходит свет). Но на экране два-три миллиона пикселей! Световые потоки от каждого из них смешиваются в определенных пропорциях и геометрии, и мы получаем цветное изображение.

Этой информации может быть достаточно для общего понимания происхождения цвета на ЖК-экране. Однако внимательный читатель не может не задаться вопросом о поляризационных фильтрах, упомянутых в субпиксельном описании. Почему? Это не обычный свет, проходящий через слой жидкого кристалла, а поляризованный свет. Неправильно говорить, что поляризованный свет — это свет, прошедший через поляризационный фильтр (поляризатор, поляроид). Также не будет ошибкой сказать, что мы никогда не видели чистого света. Он поляризуется облаками, водой в воздухе и пылью. Когда свет проходит через материальное тело, он неизбежно поляризуется.

Лирическое (теоретическое) отступление

Прежде всего, стоит уделить немного внимания теории (действительно немного, не волнуйтесь).

В предисловии я упомянул «фотонные кристаллы», но что это такое? Они представляют собой очень необычный материал, главной особенностью которого является периодичность изменения показателя преломления в его структуре. Более углубленно к этому тезису можно добавить тот факт, что фотонные кристаллы, благодаря своей специфике, позволяют обнаруживать разрешенные и запрещенные полосы для энергий фотонов. Мы знаем эти полосы по полупроводникам, где они уже «сотрудничают» с энергиями носителей заряда — частиц, несущих электрический заряд.

Фотонные кристаллы находятся в крыльях бабочки (дифракционная решетка).

В фотонных кристаллах все зависит от длины волны света. Если фотон с длиной волны, соответствующей запрещенной полосе, попадает в кристалл, он не распространяется и отражается обратно. Если, с другой стороны, энергия фотона, попадающего в кристалл, находится в запрещенной полосе, фотон распространяется через кристалл.

Оказывается, фотонный кристалл обладает нестандартными проводящими свойствами. И это подводит нас к еще одному понятию — топологическим изоляторам.

Такие изоляторы похожи на сэндвич (или сэндвичи, если вы предпочитаете англицизмы). То есть, внешняя структура такого материала является изолятором, а внутренняя — проводником. В классических топологических изоляторах одной из проблем является, в некотором смысле, рассеяние частиц. Частицы подвижны и немного капризны, поэтому при движении они любят сталкиваться друг с другом, изменяя свою первоначальную траекторию. Такие процессы приводят к некоторым потерям, что, конечно, плохо.

Зависимость энергии от импульса: a — обычный изолятор, b — топологический изолятор.

Ученые, о работе которых мы сегодня рассказываем, считают, что эти проблемы можно решить, объединив фотонные кристаллы и технологию кремниевой фотоники. Немного расплывчато, не находите? Однако ученые быстро уточняют, что именно они выбрали: Жидкие кристаллы. Это предложение действительно заставляет вас поднять брови. Как кристалл может быть жидким? Но, как это часто бывает в физике, мы не должны воспринимать все на 100% буквально. Жидкие кристаллы — это состояния, в которые переходят определенные вещества при экстремальных условиях. Эти вещества могут обладать свойствами как жидкостей, так и кристаллов (текучесть и анизотропия). Вероятно, в какой-то момент своей жизни вы сталкивались с жидкими кристаллами (электронные часы, ЖК-телевизоры, мобильные телефоны и т.д.).

Типы жидких кристаллов по фазам: a — нематические, b — сальные, c — холестерические.

Для того чтобы жидкие кристаллы могли играть определенную роль, необходимо контролировать топологические экстремумы. Этого можно достичь, манипулируя показателем преломления жидкого кристалла.

Основа исследования

Созданная исследователями структура представляет собой фотонный кристалл из кремниевых столбиков, погруженных в жидкокристаллическую среду между проводящими электродами (Рисунок 1a ).

Рисунок 1

Структура состоит из двух основных областей: одна с усеченной топологией и другая с неусеченной топологией. Более мелкие регионы показаны в виде шестиугольных решеток, каждая из которых состоит из шести столбцов. Каждая из этих решеток представляет собой метамолекулу (гиперболическая: совокупность молекул), которая может иметь характеристики трехзонной или нетризонной топологии в зависимости от расстояния между колоннами.

Поскольку фотонный кристалл погружен в жидкокристаллическую среду, ученые могут манипулировать показателем преломления. Диапазон контролируемого изменения этого параметра может быть довольно большим. Управление и манипулирование достигается за счет внешнего электрического поля, исходящего от двух электродов, которые «привязывают» структуру снизу и сверху.

Средний жидкий кристалл имеет показатель преломления 1,5 и двулучепреломление (когда световой луч делится пополам) 0,2. В настоящем исследовании используется нитевидный жидкий кристалл E7: Абсолютный показатель преломления составляет 1,51, а чрезвычайный показатель преломления* — 1,69.

Необыкновенный показатель преломления* применяется, когда свет поляризован параллельно оптической оси.

На рисунке 1b показано, как молекулы жидкого кристалла выравниваются параллельно вдоль кремниевых столбов (режим ON), когда к структуре прикладывается внешнее электрическое поле. В этом случае свет идет по ромбовидному пути достаточно эффективно, а краевое состояние находится в запрещенной зоне (рис. 1c).

Вторым «режимом» структуры является OFF — состояние структуры без воздействия электрического поля. В этом случае молекулы расположены перпендикулярно кремниевым столбам (рис. 1d ), поэтому топологические особенности структуры не меняются, но меняется положение полосовой щели. Свет начинает распространяться через большую часть структуры. Это означает, что свет не проходит необходимый путь, что приводит к большой потере света. Это показано на рисунке 1e.

По мнению исследователей, перестраиваемые топологические краевые состояния являются перспективной основой для многих технологий. Именно манипулирование краевыми состояниями позволяет свету пройти определенный путь с минимальными потерями (в идеале, конечно, без потерь).

В исследуемой структуре между топологическими и тривиальными фотонными кристаллами образуются краевые состояния. Решетки обоих кристаллов независимо проявляют симметрию C6, которая нарушается в пространстве между двумя основаниями структуры. Нарушение симметрии приводит к вырождению между спиновыми состояниями, что позволяет им взаимодействовать вблизи точки C. Это взаимодействие приводит к образованию небольшой полосы («щели»), тогда как краевые состояния не имеют такой полосы, но позволяют без потерь пропускать свет по определенному пути.

Потери в тракте могут возникать по разным причинам: резкие изгибы в конкретном тракте, дефекты в структуре или, в частности, в кристалле. Поэтому конструкция должна работать таким образом, чтобы свет проходил путь без потерь, несмотря на эти препятствия. Прежде всего, необходимо, чтобы на определенной частоте существовали краевые состояния.

Эпилог

Исследователям удалось создать систему, в которой свет можно направлять по сложному (нелинейному) пути без потерь, манипулируя показателями преломления компонентов структуры. Было установлено, что необходимыми условиями для достижения такого результата являются наличие нетривиальных топологических граничных состояний и отсутствие объемных состояний. Исследователи также обнаружили, что разница в показателе преломления между усеченными и топологическими областями негативно влияет на пропускание света, что приводит к рассеиванию света и последующим потерям.

Использование жидких кристаллов в сочетании с кремнием позволяет контролировать, изменять и манипулировать определенными свойствами структуры, чтобы приспособить ее к желаемому эффекту.

Это исследование еще раз показывает невероятный потенциал жидких кристаллов как структурного элемента для улучшения технологии передачи и обработки данных. Технология не нова, но еще не все области ее применения открыты. Чем больше способов находят ученые, тем легче развивать технологию. И даже если обнаруженный путь не будет использован в будущем, он может послужить стимулом для других исследователей найти свой собственный путь. Конкуренция полезна не только в бизнесе, но и в научных исследованиях.

Спасибо, что остановились у нас. Вам нравятся наши статьи? Хотите увидеть больше интересных статей? Поддержите нас, сделав заказ или порекомендовав нас своим друзьям, 30% скидка для пользователей Хабры на один VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 ядер) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или Как разделить сервер? (доступны варианты RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40 ГБ DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 ядер) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps бесплатно до декабря при оплате раз в полгода, заказ здесь.

Перспективы жидких кристаллов

Несомненно, открытие новых, уникальных свойств уже известных материалов позволило совершить множество прорывов в различных областях человеческой деятельности. Даже читая этот краткий отчет, можно предположить, что пользователь работает с жидкими кристаллами, не осознавая этого.

Несмотря на то, что физические свойства элементов широко изучены, ученые продолжают искать новые области применения этих элементов и совершенствовать приборы и технологии. Журналы и издания по химии, физике и другим физическим наукам публикуют все больше разработок в области материалов в двух состояниях вещества.

Супрамолекулярная спираль

Холестерины по структуре похожи на нематоды — молекулы расположены в тонких слоях так, что их главные оси параллельны друг другу — наблюдается ориентационный порядок (Рисунок 5). Однако наличие асимметричных (хиральных) атомов в молекулах жидкого кристалла заставляет молекулы в следующем слое поворачиваться на небольшой угол α. Этот угол очень мал (0,05-0,5°), но в результате получается спиральная структура, где расстояние между соседними слоями примерно равно толщине молекулы. Двигаясь вдоль оси спирали, ориентация молекул после определенного количества слоев становится такой же, как и в первом слое. Расстояние, на которое молекулы поворачиваются в пространстве на 360°, представляет собой так называемую P-нить холестериновой спирали и является одной из основных характеристик холестерина.

Рисунок 5. Упаковка палочковидных молекул в холестерине и спиральные лестницы \( \overrightarrow\).

Спиральная структура холестерина отвечает за его удивительные оптические свойства. Это определяет их уникальную способность избирательно отражать падающий свет. Если угол падения света постоянен, преломляется только определенная длина волны света, т.е. цвет. Слой или пленка холестерина окрашивается при этой длине волны. Какая длина волны отражается, зависит от шага спирали, который зависит от химической природы холестерина. Он может находиться в видимом, инфракрасном или ультрафиолетовом диапазоне спектра.

Поскольку видимая окраска холестерина также зависит от угла обзора образца, изменение окраски можно легко наблюдать, поворачивая образец. В этом смысле холестерины принципиально отличаются от обычных пигментов, цвет которых определяется длиной волны поглощенного света.

То, как расположены молекулы в жидком кристалле, его оптические свойства и макроскопическая структура взаимосвязаны. Макроструктура или «текстура» жидких кристаллов изучается с помощью оптического поляризационного микроскопа. Каждый тип жидкого кристалла спонтанно образует свою характерную текстуру, по которой его можно распознать. Как правило, текстуры жидких кристаллов настолько «фотогеничны», что их красивые микрофотографии часто можно увидеть на обложках научных и популярных журналов (рис. 6).

Рисунок 6. Расположение молекул и спиралей в холестерине для различных текстур: конфокальной ( a ), планарной ( b ), «отпечатков пальцев» ( c ). Z — ось холестериновой спирали. Ниже — визуальные образы, соответствующие текстурам.

Оптические свойства и управление спиралью

Поскольку шаг холестериновой спирали напрямую зависит от оптических свойств холестерина и его цвета, естественно возникает вопрос: какое влияние это оказывает на шаг спирали и, следовательно, на длину волны отраженного света? Как уже упоминалось, холестериновая фаза образуется только после добавления небольшого количества хироформных соединений, которые вызывают скручивание нити. Степень кручения зависит от геометрической формы и структуры добавки (допанта) и от того, как молекулы жидкого кристалла взаимодействуют друг с другом и с молекулами допанта. Прочность на скручивание добавки для губ обычно указывается в мкм-1 — она может принимать значения от нескольких единиц до сотен. Таким образом, можно контролировать шаг супрамолекулярной спирали и раскручивать или закручивать холестерин, как пружину.

Мы уже упоминали, что хиральные молекулы обладают оптической активностью и могут вращать плоскость поляризации света. Этот эффект оказывается очень сильным именно из-за их спиральной структуры. Например, растворы винной кислоты поворачивают плоскость поляризации света примерно на 1 градус/см образца; кристаллы кварца — на 300 градусов/см. А холестерические жидкие кристаллы на 105 град/см!

Холестерические жидкие кристаллы обладают еще одним впечатляющим оптическим свойством: круговым дихроизмом. Это означает, что свет, избирательно отраженный холестерином, циркулярно поляризован, и направление поляризации совпадает с направлением спирали холестерина. Свет той же длины волны, что и отраженный свет, но с противоположной круговой поляризацией, проходит через слой холестерического жидкого кристалла без изменений. Это свойство жидких кристаллов используется в различных устройствах (например, в циферблате электронных часов, о которых мы поговорим ниже).

Молекулярная структура холестерина очень сбалансирована, но этот баланс можно легко нарушить. Любого небольшого возмущения — изменения температуры, давления, механического напряжения, электромагнитного поля — достаточно, чтобы нарушить слабые силы между молекулами и изменить наклон спиральной структуры. А это напрямую влияет на оптические свойства: Отражение света, оптическая активность, циклический дихроизм и окраска холестерина.

В основном, окраска изменяется под воздействием температуры. При высокой температуре, например, образец бесцветен, но после охлаждения он переходит в холестерическую фазу и становится бесцветным. При дальнейшем охлаждении образец проходит через все цвета спектра от синего и зеленого до желтого и красного (рис. 7). В результате получается идеально окрашенный термометр. Таким образом, осаждая холестерические жидкие кристаллы на поверхности различных объектов, можно получить топографию распределения температуры (рис. 7, цветная диаграмма).

Рис. 7. Цвет холестерического жидкого кристалла как функция температуры и «цветовая кривая» человеческой руки. Красный цвет соответствует более низкой температуре, а синий — более высокой.

Для простоты холестерины инкапсулируются в полимерные мембраны, в результате чего получаются так называемые инкапсулированные жидкие кристаллы. Они используются в качестве термометров, а также для просмотра и фотографирования тепловых полей. Когда такая мембрана прикладывается к телу человека, изменение цвета указывает на место локализации воспалительного процесса (аппендицит, перитонит, воспаление желчного пузыря и т.д.), что приводит к повышению температуры в месте его возникновения.

Полимерные холестерики

Кристаллы желчи в чистом виде не всегда практичны — ведь они напоминают вязкую жидкость, а значит, в большинстве случаев требуются специальные герметичные капсулы для придания им необходимой формы и защиты от внешних воздействий. Одним из решений этой проблемы являются инкапсулированные жидкие кристаллы, о которых мы уже упоминали. Другой подход основан на химическом присоединении низкомолекулярных молекул жидкого кристалла к полимерам.

Наиболее эффективным методом получения холестерических полимеров является сополимеризация двух мономеров с концевыми связями C=C. В этом случае один мономер должен быть мезогенным (т.е. способствовать образованию ЖК-фазы), а второй мономер должен содержать хиральный фрагмент, чтобы вся структура закрутилась и образовала супрамолекулярную спираль. В качестве хиральных фрагментов часто используются производные холестерина, ментола, изоамилового спирта и других оптически активных соединений. Такие ЖК-полимерные холестерины были впервые получены одновременно в России на химическом факультете Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова и в Германии в университете города Майнц (рис. 8). Ключевым элементом в структуре этих макромолекул является алифатический спейсер между полимерной основой и мезогенными группами, который обеспечивает достаточно автономное поведение боковых групп для образования ЖК-фазы. Из-за такой структуры эти полимеры также называют полимерами гребенчатой формы.

Рис. 8. Сополимеризация мезогенных и хиральных мономеров с образованием холестерических LC-сополимеров и их спиральной структуры.

Наиболее важной особенностью полимерных холестеринов является их двойственная природа. С одной стороны, основная цепь является носителем полимерных свойств, с другой стороны, боковые группы являются носителями мезоморфных свойств. Это означает, что LC-полимеры представляют собой вязкие жидкости, подобные низкомолекулярным жидким кристаллам в определенном температурном диапазоне, которые обладают всеми свойствами жидких кристаллов и могут управляться внешними полями. В отличие от низкомолекулярных жидких кристаллов, которые теряют все эти свойства при охлаждении и переходе в кристаллическое состояние, ЖК-полимеры сохраняют и структуру, и свойства ЖК-фазы. Поэтому можно «закрепить» ЖК-структуру в твердом теле с присущими ему свойствами. Таким образом, создаются новые материалы с «стеклоподобной» ЖК-структурой и уникальными оптическими свойствами, полученными из холестерина.

ЖК-полимеры открывают новые и чрезвычайно интересные горизонты для прикладной химии. Они включают в себя различные оптические компоненты — поляризаторы, круговые поляризаторы и отражатели для инфракрасного, видимого и ультрафиолетового излучения — и многое другое. Возможно, наиболее ярким примером использования полимерных холестеринов является производство светорегулируемых полимерных пленок для записи и хранения цветной информации, голографии и проекционной техники.

На химическом факультете Московского государственного университета мы получили холестерический полимер, состоящий из двух типов мономерных единиц, каждая из которых выполняет определенную функцию (рис. 9). Мезогенная группа обеспечивает образование ЖК-фазы, а другая группа содержит комбинированный хиральный и фотохромный фрагмент. Последний способен изменять свою геометрическую форму (изомеризация) при воздействии света, так что меняется вся группа и ее свойства. Облучая полимер светом определенной длины волны, можно локально изменить его цвет так, чтобы на цветном фоне появилось изображение нужного цвета. Такой обратимый процесс изменения цвета является типичным примером записи информации. Он может использоваться в телекоммуникационных системах, оптических накопителях и других информационных технологиях.