ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ это:

ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ
ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ

       
особое состояние нек-рых органич. в-в, в к-ром они обладают реологич. св-вами жидкости — текучестью, но сохраняют определ. упорядоченность в расположении молекул и анизотропию ряда физ. св-в, характерную для тв. кристаллов. Открыты в 1889 австр. ботаником Ф. Рейницером и нем. физиком О. Леманом. Ж. к. наз. также м е з о ф а з а м и. Число хим. соединений, для к-рых найдены Ж. к., составляет неск. тысяч. Ж. к. образуются при нагревании нек-рых тв. кристаллов (м е з о г е н н ы х): сначала происходит фазовый переход в Ж. к. (в одну или последовательно две или большее число модификаций, (см. ПОЛИМОРФИЗМ) и далее плавление Ж. к. в обычную изотропную жидкость. Каждая мезофаза существует в определ. температурном интервале (т е р м о т р о п н ы е Ж. к.). Теплоты перехода очень малы.
Ж. к. образуют в-ва, молекулы к-рых имеют удлинённую палочкообразную форму, часто с чередованием линейных и циклич. ат. группировок. Такая форма молекул определяет приблизит. параллельность их взаимной укладки, что является осн. признаком структуры Ж. к. Различают три осн. типа Ж. к.: смектические, нематические и холестерические (рис. 1). Наименьшую упорядоченность имеют н е м а т и ч е с к и е Ж. к. Молекулы их параллельны, но сдвинуты вдоль своих осей одна относительно другой на произвольные расстояния (рис. 1, вверху).
Сохраняется ближний порядок в «боковой» упаковке молекул (см. ДАЛЬНИЙ И БЛИЖНИЙ ПОРЯДОК). В смектических Ж. к. молекулы параллельны друг другу и расположены слоями (рис. 1, посредине). Структура холестерических Ж. к. похожа на структуру нематических, но отличается от них дополнит. закручиванием молекул в направлении, перпендикулярном их длинным осям (рис. 1, внизу). Шаг такой спиральной «сверхструктуры» может быть очень большим и достигать неск. мкм.
ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ1
Рис. 1. Типы жидкокрист. структур: вверху — нематических; посредине — смектических; внизу — холестерических.
Пример нематич. Ж. к.— параазоксианизол
ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ2
существующий в мезофазе в интервале 116—136°С. Обнаружены смектич. Ж. к. нек-рых соединений и их смесей в интервале от -40 до +80°С, что распшряет возможности практич. применения Ж. к.
Пример холестерич. Ж. к.— эфиры холестерина (рис. 2). Большую группу органич. молекул с общей ф-лой
ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ3
образуют смектич. фазы, иногда испытывающие полиморфные превращения в яематические. Известны соединения, к-рые образуют неск. смектич. мезофаз с разным взаимным расположением молекул в слоях. Оси молекул могут Сыть перпендикулярны плоскости слоев или наклонены к ней, могут образовывать бислой, гексагональную сетку и т. д. Так, бис-(4-Н-октилоксибензилиден)фенилендиамин
ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ4
имеет четыре смектические и одну нематич. модификации.
Обнаружен также новый тип Ж. к., образуемых дискообразными молекулами, к-рые укладываются в колонки.
Теория Ж. к. основывается на сочетании принципов симметрии кристаллов (в отношении ближайших соседей) с законами статистич. физики. Для описания Ж. к. используются статистич. ф-ции распределения молекул по расстояниям между их центрами масс и направлениям. Параметры распределений позволяют находить рентг. структурный анализ.
ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ5
Рис. 3, а. Смектич. палочки, выпадающие из изотропного расплава (тёмный фон) при его охлаждении (увеличение 100—200).
Жидкокрист. упорядоченность наблюдается в определ. областях — доменах, размеры к-рых =102—10-1 мм. Внеш. воздействиями, напр. электрич. или магн. полями, можно ориентировать домены и получать жидкие «монокристаллы». Каждому типу Ж. к. соответствует определ. текстура, причём для нематич. Ж. к. наиб. характерны нитеобразные, а для смектических — палочкообразные, конфокальные и ступенчатые текстуры (рис. 3, а, б, в, г, д).
ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ6
Рис. 3, б. Конфокальная смектич. текстура.
Нити в нематич. Ж. к. явл. линиями разрыва оптич. непрерывности. Они наз. д и с к л и н а ц и я м и; текстура Ж. к. определяется хар-ром расположения молекул вблизи дисклинаций.
Ж. к. обладают анизотропией упругости, электропроводности, магн. восприимчивости и диэлектрич. проницаемости, оптической анизотропией, сегнетоэлектрическими свойствами и др. Анизотропия магнитной восприимчивости и диэлектрической проницаемости приводит к переориентации оптич. оси однородно ориентированных Ж. к. в магн. и электрич. полях. Сочетание анизотропии электропроводности и диэлектрич. проницаемости в легированных Ж. к. приводит к возникновению в тонких слоях Ж. к., помещённых в электрич. поле, пространственно-периодич. структур — дифракц. решёток. При определ. условиях период структуры и интенсивность дифракц. максимумов
ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ7
Рис. 3, в. Смектич. ступенчатые капли (вид сверху; на каждой округлой ступеньке видны мелкие конфокальные домены).
зависят от напряжения на образце, что может быть использовано при создании управляемых дифракц. решёток. В достаточно сильных электрич. полях первоначально прозрачный образец Ж. к. может сильно рассеивать свет, становясь матово-непрозрачным. Все перечисл. эффекты обратимы — при снятии воздействия образец возвращается в исходное состояние. Исключение составляют смектич. Ж. к., обладающие большой вязкостью.
ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ8
Рис. 3, г. Нематич. текстура (чёрная S-образная нить — дисклинация).
ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ9
Рис. 3, д. Холестерич. текстура (в тонком слое в-ва начал расти тв. кристалл, к-рый расплавился при новом нагревании, но прямоугольные его контуры сохранились в текстуре).
Они «запоминают» воздействие надолго. Напр., сжатый (до 1 атм) однородно ориентиров. слой смектич. Ж. к. прозрачен; при сбросе давления он становится матово-непрозрачным и сохраняет это состояние. Прозрачность слоя восстанавливается при повторном сжатии образца. Этот эффект используется в пневмоавтоматике.
Холестерич. Ж. к. обладают большой оптической активностью (в 102 — 103 выше, чем у органич. жидкостей и тв. кристаллов). Они резко изменяют шаг спиральной структуры и окраску при изменении темп-ры среды на доли градуса, а также при изменении состава среды на доли %.
Кроме термотропных Ж. к., существуют лиотропные Ж. к., образуемые р-рами. Так, нек-рые полипептиды дают р-ры, имеющие винтовую холестерич. структуру. Наиболее сложно устроенные структуры (слоистые, дисковые, шариковые и др.) имеет система мыло — вода. Лиотропные Ж. к. образуют также липидосодержащие комплексы. Лиотропные Ж. к. системы встречаются в живых организмах — в биомембранах, миелине и т. п.
ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ10
Ж. к. имеют широкое практич. применение, особенно в системах обработки и отображения информации, в к-рых используются электрооптич. св-ва Ж. к. Они применяются также в буквенно-цифровых индикаторах (электронные часы, микрокалькуляторы и т. д.), в различного рода управляемых экранах и пространственно-временных транспарантах, в оптич. затворах и др. светоклапанных устройствах, в оптоэлектронных приборах. Разрабатываются плоские телевиз. экраны на Ж. к. Св-во холестерич. Ж. к. изменять цвет при изменении темп-ры используется в медицине (для определения участков тела с повышенной темп-рой) и в технике (визуализация ИК, СВЧ и др. излучения, контроль кач-ва микроэлектронных схем и т. д.).

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. . 1983.

ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ

(мезофазы, мезоморфное состояние вещества, анизотропная жидкость) - вещества в состоянии, промежуточном между твёрдым кристаллическим и изотропным жидким. Ж. к., сохраняя осн. черты жидкости, напр., текучесть, обладают характерной особенностью твёрдых кристаллов - анизотропиейсвойств. В отсутствие внеш. воздействия в Ж. к. анизотропны диэлектрич. проницаемость (тензор eik), диамагн. восприимчивость (cik), электропроводность (sik) и теплопроводность ((ik). В Ж. к. наблюдаются двойное лучепреломление и дихроизм. Общие сведения. Ж. к. были открыты в 1888 Ф. Рейнитцером (F. Reinitzer), но долгое время оставались мало изученными. Вторично интерес к Ж. к. возник в связи с перспективами их использования (см. ниже). Ж. к. состоят из молекул удлинённой или дискообразной формы, взаимодействие между к-рыми стремится выстроить их в определ. порядке (см. Межмолекулярное взаимодействие). При высоких темп-pax тепловое движение препятствует этому и вещество представляет собой обычную жидкость. При темп-pax ниже критической в жидкости появляется выделенное направление, вдоль к-рого преим. ориентированы длинные или короткие оси молекул. В случае двуосных Ж. к. упорядочены ориентации как длинных, так и коротких осей молекул. Небольшие отклонения осей от выделенного направления обусловлены тепловыми колебаниями молекул. <По способу получения Ж. к. делятся на т е р м о т р о п н ы е и л и о т р о п н ы е. Термотропные Ж. к. образуются при нагревании твёрдых кристаллов пли охлаждении изотропной жидкости и существуют в определ. температурном интервале. Лиотропные Ж. к. образуются при растворении твёрдых органич. веществ в разл. растворителях, напр., в воде. И те и другие обычно имеют неск. модификаций - ж и д к о к р и с т а л л и ч. фаз, каждой из к-рых на фазовой диаграмме соответствует определ. область. Температурный интервал существования жидкокристаллич. фаз зависит от вещества и может находиться как при низких (до -60 °С), так и при высоких темп-pax (до 400 °С).Известно неск. тысяч органич. соединений, образующих Ж. к. Молекулы типичного термотропного Ж. к.- 4-метоксибензилиден-4'-бутиланилина (МББА) по форме похожи на стержни (рис. 1). Наличие 2 или 3 бензольных колец в молекуле типично для Ж. к. Если молекулы

025_044-28.jpg

Ж. к. содержат 1 кольцо, то структурной единицей стержнеобразной формы оказываются 2 связанные молекулы. Вместо бензольных колец в молекулах Ж. к. встречаются циклогексановые, бициклооктановые и гетероциклич. фрагменты. Центр. мостики, связывающиекольца и концевые фрагменты, разнообразны. К лиотропным Ж: к. относятся системы мыло - вода, представляющие собой растворы т. н. амфифильных соединений.

025_044-29.jpg

Молекулы таких веществ состоят из двух частей, одна из к-рых (полярная головка) обладает дипольным электрич. моментом, растворима в воде, но нерастворима в углеводородах, а вторая (углеводороднаяцепочка), наоборот, нерастворима в воде. Такая избирательность приводит к возникновению л а м е л л я р н ы х (слоистых) фаз в водных растворах, в к-рых полярные головки амфифилей обращены к водным прослойкам, а углеводородные цепочки - друг к другу, образуя бислои (рис. 2).К веществам с дискообразными молекулами относятся, напр., бензол-гекса-н-алканоаты (рис. 3). В процессе карбонизации органич. веществ (коночные продукты - коксы и графит) вследствие термич. разрушения и хим. реакций образуются большие дискообразные молекулы и соответствующие углеродистые Ж. к. как промежуточные состояния. <Известны также полимерные Ж. к., в к-рых жидкокристаллич. структура образуется либо стержнеобразными фрагментами осн. цепей молекул (линейные полимеры), либо боковыми цепями, присоединёнными к осн. цепи гибкими связями (гребнеобразные полимеры).Структура и классификация фаз. Для описания дальнего ориентац. порядка молекулярных осей вводят единичный вектор L, наз. директором, указывающий направление, вдоль к-рого в среднем ориентированы выделенные молекулярные оси (см. Дальний и ближний порядок). В известных одноосных Ж. к. ориентац. порядок не является полярным, т. е. в таких Ж. к. направления L и - L эквивалентны, и все физ. свойства в них зависят только от квадратичных комбинаций компонент вектора L. Одноосные жидкокристаллич. структуры (фазы) принято классифицировать по виду ф-ции плотности вещества r(r)(r - пространств. координата) и их локальной ориентации L(r). Фаза с r=const и L=const наз. нематическим Ж. к.

025_044-30.jpg

Нематич. Ж. к., как и обычная жидкость, характеризуется хаотич. распределением центров тяжести молекул (рис. 4). Благодаря сильному рассеянию света на

025_044-31.jpg025_044-32.jpg

Рис. 5. Дисклинации в нематических жидких кристаллах: а - дисклинации (указаны стрелками), наблюдаемые в поляризационный микроскоп; жирные линии, напоминающие хвосты комет,- области, где директор плавно изменяет ориентацию: б - ориентация молекул в окрестностях точек выхода дисклинации на плоскость рис.

тепловых флуктуациях ориентации L(r )нематич. Ж. к. выглядит как мутная непрозрачная жидкость. В поляризац. микроскоп видны тонкие нити (отсюда назв., от греч. nеmа - нить), к-рые связаны с особенностямив ориентации молекул,- это особые линии, наз. дисклинацияма, на к-рых направление L не определено. Дисклинация характеризуется индексом (силой) m - числом, показывающим, что при обходе дисклинации по замкнутому контуру в перпендикулярной ей плоскости директор L поворачивается на угол 2p т (рис. 5, б). Особые точки на рис. 5, б являются выходом дисклинаций на плоскость рисунка. Число m может быть целым или полуцелым и сохраняется вдоль дисклинаций. <Смектические Ж. к. (от греч. smegma - мыло) характеризуются L=const, а r(r) периодична вдоль выделенной оси z и постоянна в плоскости ху (рис. 6).

025_044-33.jpg

Молекулы расположены слоями, к-рые могут скользить относительно друг друга, обусловливая текучесть таких Ж. к. вдоль слоев. Относительно нагружения перпендикулярно этим слоям (оси z )они ведут себя как твёрдое тело. <Холестерические Ж. к. характеризуются r(r)=const и макроскопич. модулированной структурой, причём концы векторов L образуют в пространстве спираль (рис. 7). В плоскости ху холестерич. Ж. к. обладают такой же текучестью, как нематич. Ж. к., а вдоль оси спирали (оси z) их механич. свойства сходны со свойствами смектич. Ж. к. <Макроскопич. описание с помощью директора Lотражает анизотропию взаимной корреляции между положениями разл. атомов в Ж. к. Всё многообразие жидкокристаллич. структур и возможных структурных превращений в Ж. к. описывается с помощью многочастичных корреляций в расположении атомов. В случае структур, обладающих центром симметрии, исследуется парная межатомная корреляц. ф-ция r12(r12), где r12 - расстояние между атомами 1 и 2, a r12dV2 вероятность найти атом 2 в объёме dV2 при заданном положении атома 1. Экспериментально ф-ция r12(r12) находится по её фурье-образу r12 (q )в обратном пространстве q методами рентгеновского структурного анализа. Используя распределение интенсивностей в разл. рефлексах, получают ряд характеристик жидкокристаллич. фаз: ф-цию распределения проекций осей молекул на плоскость ху, перпендикулярную директору L; ф-цию угл. распределения осей молекул D(q), описывающую статистику угл. разброса длинных молекулярных осей около гл. оси L; ф-цию поворотов f(j), характеризующую статистику поворотов коротких молекулярных осей в плоскости ху. В нематич. фазе ф-ция r12(r12) экспоненциально спадает на больших расстояниях. Для описания хиральных структур (см. Хиральная симметрия молекул), напр., холестерич. Ж. к., не имеющих плоскостей симметрии, необходимы более сложные корреляц. ф-ции, напр., четырёхчастичные корреляции между положениями атомов. <Смектич. Ж. к. имеют большое число модификаций (смектич. фаз, А, В, С,...), различающихся симметрией и особенностями корреляц. ф-ций. В фазе А (рис. 6)ф-ция r12(r12) имеет сложную степенную зависимость, что обусловлено неидеальностью дальнего трансляц. порядка вдоль единств. направления z в неогранич. трёхмерном теле (по двум направлениям в плоскости ху есть только ближний трансляц. порядок). В слоях конечной толщины тепловые флуктуации не могут нарушить трансляц. порядок фазы А вдоль выделенной оси z. Смектич. фаза С (рис. 8) имеет такую же слоистую структуру, что и фаза А, однако преимуществ. направление длинных осей палочкообразных молекул составляет нек-рый угол q с нормалью к смектич. плоскостям. Если молекулы хиральны, то они поворачиваются от слоя к слою относительно z, образуя спиральную структуру

025_044-34.jpg

(фаза 025_044-35.jpg). Шаг спирали h=2pt/a, где t - толщина слоя, a - угол поворота молекул в двух соседних слоях. <Фаза В, в отличие от фаз А и С, обладает гексагональной упорядоченностью в плоскости ху, если образец имеет толщину, много большую длины молекулы (рис. 9). При этом различают 2 типа фаз В:1) с d-функционной зависимостью r12(q), что соответствует трёхмерному упорядочению центров масс молекул, степень к-рого зависит от величины межплоскостного взаимодействия; 2) с зависимостью r12(q)~r20[1+r20(q-k)]-1, где r0 - корреляц. радиус, k - вектор обратной решётки, что соответствует дальнему ориентац. порядку межмолекулярных связей и ближнему трансляц. порядку центров масс молекул в плоскости ху. Возможно, что нек-рые низкосимметричные смектич. Ж. к., существующие при более низких темп-pax, являются, как и фаза В типа 1, пластичными трёхмерными кристаллами. <Если толщина смектич. Ж. к. сравнима с длиной молекулы, дальний трансляц. и ориентац. порядок невозможен вследствие сильных тепловых флуктуации положения центра масс и ориентации молекул. Однако в этом случае при понижении темп-ры происходит фазовый переход в состояние, к-рое характеризуется степенной зависимостью корреляций в положении центров масс и ориентации молекул, пропорциональной |q-k|-2+2h, где h - критич. индекс (см. Фазовый переход). Фазовые превращения. Фазовые переходы между жидкокристаллич. модификациями трактуются как точки изменения симметрии вещества и описываются феноменологич. теорией Ландау. Параметрами порядка в Ж. к., характеризующими нарушение симметрии, являются разл. величины. Напр., в одноосном нематич. Ж. к. параметром ориeнтац. порядка, описывающим фазовый переход I рода между изотропной жидкостью и нематич. Ж. к., служит тензор с компонентами:
025_044-36.jpg
(dik - символ Кронекера), где степень порядка S(r)определяет долю молекулярных осей, ориентированных вдоль L(r )в данной точке. Выше темп-ры перехода S=0, в точке перехода S изменяется скачком до значения0,4, с понижением темп-ры S увеличивается до значений 0,6-0,8. Нек-рые лиотропные нематич. Ж. к. двуосны. Упорядочение как длинных, так и коротких oceй; молекул описывается тензором Sik более общего вида. Тензор Sik более общего вида служит также параметром порядка для описания фазового перехода I рода из изотропной жидкости в холестерич. Ж. к. При этом двуосность структуры возрастает с увеличением не спиральной закрученности, характеризуемой волновым вектором q=2p/h, где h - шаг спирали. В узком температурном интервале вблизи точки изотропно-холестерич. перехода - у нек-рых веществ существуют т. н. голубые фазы, обладающие двуосностью и спиральной закрученностью вдоль неск. направлений. Голубые фазы имеют кубич. пространств, решётку, к-рая образуется неск. волновыми векторами qa. В смектич. фазе А ориентац. порядок приближённо фиксирован (директор L ориентирован вдоль оси z, S (r)-const), а параметром трансляц. порядка (в образце огранич. размеров), описывающим переход II рода в нематич. фазу, служит изменение плотности вещества dr(z)=Ycos(kz+a), где Y - амплитуда, a - фаза, k - волновое число структуры. Существуют смектич. фазы А, изменение плотности к-рых характеризуется двумя волновыми числами k1 ,k2 и соответственно двумя амплитудами Y1, Y2 и фазами a1 , a2. При этом числа k1 и k2 могут быть как соразмерны (кратны друг другу), так и несоразмерны. <В смектич. фазах В параметром порядка служат периодич. изменение плотности вещества в плоскости хуdr( х, <у )либо тензор, характеризующий ориентац. порядок межмолекулярных связей в плоскости ху. В первом случае переход между фазами А и В -I рода, во втором - может быть фазовым переходом II рода. <В смектич. фазе С (рис. 8) приближённо фиксированы степень ориентац. порядка S и изменение плотности вещества dr(z), а параметром порядка, описывающим переход II рода в фазу А, служит отклонение dL директора L от оси z. В системе хиральных молекул переход II рода из фазы А в фазу С сопровождается возникновением спонтанной электрич. поляризации P

025_044-37.jpg

Рис. 10. Ориентация директора L и электрической поляризации Р в хиральной cмектической фазе С.

025_044-38.jpg

Рис. 11. Двумерная кристаллическая решётка в жидком кристалле, состоящем из дискообразных молекул.

вследствие отсутствия плоскостей симметрии в хиральной фазе С (рис. 10). Вектор спонтанной поляризации Pnерпендикулярен кристаллич. оси zи директору L, причем его абс. значение пропорц. |dL|. В хиральной фазе С пространств. распределения P(rL(r )неоднородны и, так же как в холестерич. Ж. к., концы этих векторов образуют в пространстве спираль. <Фазовые переходы II рода в Ж. к., как и в твёрдых кристаллах, сопровождаются критическими явлениями. Напр., в окрестности точки перехода между Ж. к. нематич. и смектич. типа А аномально возрастает теплоёмкость; в окрестности точки перехода между смектич. <фазами А и С угол наклона молекул в фазе 025_044-39.jpgимеетстепенную температурную зависимость с критич. индексом b@1/3 и т. д. В нек-рых органич. соединениях наблюдаются т. н. возвратные ж и д к о к р и с т а л л и ч е с к и е фазы, появляющиеся при охлаждении вещества ниже темп-ры существования первичных нематич., холестерич. и смектич. фаз. <Существуют лиотропные и термотропные Ж. к., имеющие двумерные структуры (рис. 11), описываемые ф-цией плотности r( ху): у них твёрдые решётки (гексагональные и квадратные) составлены из жидких столбиков, вдоль к-рых центры масс молекул расположены беспорядочно. Двумерной решёткой обладают мн. Ж. к., состоящие из дискообразных молекул (рис. 3).
Анизотропия магнитных и электрических свойств. В соответствии с симметрией Ж. к. все их характеристики - ф-ции параметра ориентац. порядка. Отличное от 0 значение Sik приводит к сильной анизотропии физ. свойств, описываемых тензорами eik, cik, sik, и (ik. Для Ж. к., обладающих цилиндрич. симметрией (нематич., смектич. Ж. к. в фазе А), тензор диамагн. восприимчивости имеет вид:

025_044-40.jpg

где 025_044-41.jpg- значения восприимчивости для направлений параллельного и перпендикулярного L,dik- символ Кронекера. Аналогичный вид имеют и остальные тензоры. Большинство Ж. к. диамагнитны, т. е.025_044-42.jpgИсключение составляют вещества, молекулы к-рых содержат свободные радикалы, обладающие пост. магн. моментом. В то же время знак анизотропии c а может быть различен для разных соединений (обычно c а>0; c а<0 характерна для Ж. к., молекулы к-рых содержат не бензольные, а циклогексановые кольца).Анизотропия диэлектрич. проницаемости e а нематич. и смектич. Ж. к. в фазе А также может иметь разный знак. Величины e а<0 характерны для молекул, обладающих дипольным моментом, направленным перпендикулярно длинной оси молекулы (напр., в MББА такую составляющую даёт метокси-группа), а значения e а>0 - для молекул с продольным расположением дипольного момента, как, например, в 4-октил-4-цианбифениле (рис. 12).

025_044-43.jpg

Рис. 12.Структурная формула 4-октил-4-цианбифенил (дипольная группа CN).

Знак и величина e а, заключенные в интервале от ~ -10 до +40, играют решающую роль в электрооптич. поведении нематич. Ж. к. Пороговые поля переориентации пропорц. ea-1/2, а времена включения ~ea-1. Частотная зависимость e и ea объясняется в рамках теории Дебая полярных жидкостей (см. Диэлектрики, Диэлектрическая проницаемость). При этом анизотропия межмолекулярных взаимодействий учитывается введением потенц. барьера, затрудняющего свободные повороты молекул вокруг их коротких осей. В результате нематич. и смектич. Ж. к. в фазе А имеют два характерных времени дебаевой релаксации t|| и t^. Для вращения молекул вокруг длинных осей t^ лежат в диапазоне, характерном для изотропных жидкостей, а для вращения вокруг коротких осей времена t|| на неск. порядков величины больше.
Оптические свойства. Для нематич. и смектич. Ж. к. в фазе А эллипсоид диэлектрич. проницаемости одноосен (см. Индикатриса, Кристаллооптика). Резкое отличие оптич. свойств одноосных Ж. к. от свойств одноосных твёрдых кристаллов проявляется, однако, в области высоких интенсивностей света, где для Ж. к. характерна большая нелинейность, вызванная молекулярной переориентацией в электрич. поле световой волны (см. Нелинейная оптика). Особый интерес представляют оптич. свойства холестерич., а также хиральных смектич.025_044-44.jpgфаз. Т. к. эти вещества имеют спиральную структуру (рис. 7, 10) с шагом спирали h от десятых долей мкм до :, то видимое и ИК-излучение дифрагирует на спиральной структуре, что приводит к селективному отражению волн, распространяющихся вдоль оси спирали. Длина волны максимума брэгговского отражения l макс и его полуширина Dl. определяются шагом спирали:

025_044-45.jpg025_044-46.jpg

- ср. показатель преломления и оптич. анизотропия холестерич. Ж. <к. Значение l макс сильно зависит (через h )от темп-ры, давления и внеш. полей. Вне области селективного отражения холестерич. Ж. к. обладают оптической активностью (до 100 полных поворотов на 1 мм толщины слоя). Анизотропия упругости. Неоднородность поля директора L(r) означает ориентац. деформацию среды. Для её описания в случае нематич. Ж. к. величина свободной энергии Ф дополняется энергией ориентац. упругости, содержащей вторые степени производных L(r )по координатам. При этом выделяют три типа деформаций: поперечный и продольный изгибы и закручивание (рис. 13). Каждая из этих деформаций описывается своим модулем упругости. Обращение в нуль вариац. производных dФ/dL даёт ур-ния ориентац. упругости, решения к-рых описывают, в частности, поведение нематич. Ж. к. во внеш. упругих полях. <В смектич. фазах разрешены только те виды ориентац. деформаций, к-рые не приводят к разрушению молекулярных слоев. В частности, в смектич. А фазе возможна лишь деформация поперечного изгиба. С др. стороны, одномерная решётка (волна плотности) r(z) имеет модуль упругости, характеризующий трансляц. деформацию вдоль оси z. В общем случае деформации смектич. Ж. к. включают в себя ориентац., трансляц., а также перекрёстные вклады, и число модулей упругости в низкосимметричных смектич. фазах достигает неск. десятков. <Энергия ориентац. деформаций нематич. Ж. к. крайне мала. Поэтому флуктуации директора dL(r) имеют значит. амплитуду, что наряду с большой оптич.

025_044-47.jpg

Рис. 13. Деформация поперечного изгиба (a), продольного изгиба (б) и кручения (в) в нематических жидких кристаллах.

анизотропией среды приводит к сильному рассеянию света. Этим объясняется характерная мутность нематич. Ж. к. Для ориентированных образцов смектич. Ж. к. сильное рассеяние света наблюдается лишь в избранных направлениях в соответствии с видом разрешённых ориентац. деформаций. Динамические свойства. Гидродинамика Ж. к., особенно нематич. Ж. к., имеет много общего с гидродинамикой изотропных жидкостей. В случае нематич. Ж. к., напр., для любых направлений справедливы ур-ние неразрывности и ур-ние движения жидкости ( Навье- Стокса уравнения). Особенность гидродинамич. свойствЖ. к.- взаимодействие между течением и вектором ориентации. Динамич. состояние нематич. Ж. к. можно охарактеризовать полем скоростей жидкости v(r )и полем директора L(r), зависящими друг от друга. Без учёта сжимаемости эти вещества можно описать 5 коэф. вязкости, к-рые связаны с силами трения, возникающими при наличии градиентов скорости течения, угл. скорости вращения L, и разл. ориентации L. Эти коэф. зависят от S и обращаются в 0 в изотропной фазе, 6-й коэф. эквивалентен вязкости изотропной жидкости. В случае смектич. Ж. к. в фазе А это справедливо только для направлений течения вдоль плоскости слоев. Анизотропия вязкости Ж. к. приводит к анизотропии их электропроводности. Электрооптические свойства. Анизотропия электрич. и оптич. свойств наряду со свойством текучести Ж. к. обусловливает многообразие электрооптич. эффектов. Наиб. важны ориентац. эффекты, не связанные с протеканием тока через вещество и обусловленные чисто диэлектрич. взаимодействием внеш. электрич. поля Eс анизотропией ea среды. Во внеш. поле Ж. к. стремится ориентироваться так, чтобы направление, в к-ром его диэлектрич. проницаемость максимальна, совпало с направлением поля; при этом либо L||K, либо L^K в зависимости от знака e а. С переориентацией директора связано изменение направления оптич. оси, т. е. практически всех оптич. свойств образца (двойного лучепреломления, поглощения света, вращения плоскости поляризации и т. д.). Теоретически процесс переориентации описывается добавлением к исходной энергии Ф квадратичного члена - e а(EL)2/8p и нахождением нового устойчивого состояния с помощью минимизации Ф. Если, напр., в исходном состоянии вектор L параллелен прозрачным электродам и e а>0, то при нек-ром критич. значении поля E^L произойдёт переориентация L, т. е. оптич. оси нематич. Ж. к., в направлении E, причём E кр~ea-1/2. Этот переход, так же как и его магн. аналог, наз. переходом Фредерикcа. <Наиб. практич. значение имеет т. н. т в и с т-э ф ф е к т, представляющий собой тот же переход Фредерикса, но в предварительно закрученной (твист-) структуре (рис. 13, в). В отсутствие поля свет, предварительно поляризованный с помощью, напр., плёночного поляроида, проходит сквозь твист-структуру с поворотом плоскости поляризации на угол p/2. Если на стёкла нанесены прозрачные электроды, то при наложении электрич. поля в случае e а>0 директор переориентируется ^ стёклам и ячейка теряет способность поворачивать плоскость поляризации света. На выходе ячейки обычно ставят плёночный анализатор и наблюдают изменение оптич. пропускания. Этот эффект применяют в чёрно-белых индикаторах информации. <Для цветных устройств используется др. эффект, вызванный переориентацией молекул красителя ("гость"), введённых в жидкокристаллич. матрицу ("хозяин") вместе с самой матрицей (эффект "гость-хозяин"). Красители, ориентированные Ж. к., обладают сильным дихроизмом, зависящим от внеш. поля (анализатор в этом случае не нужен).Геликоидальная структура холестерич. Ж. к. может быть "раскручена" электрич. полем, так что все её специфич. свойства (оптич. активность, круговой дихроизм, селективное отражение света) исчезают. При выключении поля эти свойства восстанавливаются, что даёт целую гамму важных электрооптич. эффектов. <Особые ориентац. эффекты характерны для сегнетоэлектрич. Ж. к. В этих веществах поле Е может взаимодействовать со спонтанной поляризацией P, что приводит к вкладу ~ PE в энергию Ф. Переориентация Pсопровождается переориентацией оптич. оси, причём знак отклонения L зависит от знака поля (линейный электрооптич. эффект). В нематич. Ж. к. дипольная поляризация в поле E также может сопровождаться слабым, линейным по E искривлением молекулярнойориентации, если молекулы обладают спец. асимметрией формы (флексоэлектрический эффект).В слоистых структурах смектич. Ж. к. под действием электрич. поля E возникают волнообразные искажения слоев. Аналогичные деформации можно наблюдать и в псевдослоистых структурах холестерич. Ж. к. <Большинство перечисленных электрооптич. эффектов имеет свои магнитооптич. аналоги. Взаимодействие магн. поля Hсдиамагн. Ж. к. описывается добавлением квадратичного члена - ca(HL)z/2 к свободной энергии Ф. Для парамагн. Ж. к. возможны и линейные по Hэффекты. При протекании тока через Ж. к. вследствие анизотропии их проводимости возникает объёмный заряд, взаимодействующий с внеш. электрич. полем. Это при определ. условиях приводит к электрогидродинамич. неустойчивости, проявляющейся в образовании стационарных пространственно-периодич. картин распределения скорости Ж. к. и его ориентации. Под микроскопом эти картины представляют собой системы параллельных тёмных и светлых полос вследствие модуляции коэф. преломления для поляризованного света (д о м е н ы). Увеличение напряжённости поля приводит к появлению более сложных картин, а затем - к чрезвычайно сильному рассеянию света, вызванному турбулентным течением Ж. к. и нестационарными возмущениями его ориентации (динамич. рассеяние света). Практические приложения. Наиб. важные из них основаны гл. обр. на электрооптич. свойствах Ж. к. Изменение ориентации L в нематич. Ж. к требует напряжений порядка 1 В и мощностей порядка мкВт, что можно обеспечить непосредств. подачей сигналов с интегральных схем без дополнит. усиления. Поэтому Ж. к. широко используются в малогабаритных электронных часах, калькуляторах, измерит. приборах в качестве индикаторов и табло для отображения цифровой, буквенной и аналоговой информации. Ж. к. с успехом применяются и для отображения информации в реальном масштабе времени, напр. в плоских экранах портативных телевизоров. В комбинации с фоточувствит. полупроводниковыми слоями Ж. к. применяются в качестве усилителей и преобразователей изображений и в качестве устройства оптич. обработки информации. <Зависимость шага h спирали холестерич. Ж. к. от темп-ры позволяет использовать плёнки этих веществ для наблюдения распределения темп-ры по поверхности разл. тел. Этот метод применяется, напр., при медицинской диагностике воспалит. процессов, неразрушающем контроле электронных приборов и визуализации теплового излучения. <Использование жидкокристаллич. состояний играет существ. роль в технологии сверхпрочных полимерных и углеродистых волокон, а также при получении высококачеств. кокса. Биологические аспекты. Сложные биологически активные молекулы (напр., ДНК) и даже макроскопич. тела (напр., вирусы) также могут находиться в жидкокристаллич. состоянии. Установлена роль Ж. к. в ряде механизмов жизнедеятельности человеческого организма. Нек-рые болезни (атеросклероз, желчнокаменная болезнь), связанные с появлением в организме твёрдых кристаллов, проходят через стадию возникновения жидкокристаллич. состояний. Особую роль играет жидкокристаллич. состояние биол. мембран, в частности, в процессах ионного транспорта, механизмах фотосинтеза и зрения, в процессах самоорганизации биол. структур. Лит.: Ж е н П. Ж. д е, Физика жидких кристаллов, пер. с англ., М., 1977; Папков С. П., Куличихин В. Г., Жидкокристаллическое состояние полимеров, М., 1977; Блинов Л. М., Электро- и магнитооптика жидких кристаллов, М., 1978; Капустин А. П., Экспериментальное исследование жидких кристаллов, М., 1978; Современная кристаллография, т. 2, 4, М., 1979-81; Чандрасекар С., Жидкие кристаллы, пер. с англ., М., 1980; Плата Н. А., Шибаев В. П., Гребнеобразные полимеры и жидкие кристаллы, М., 1980; Пикин С. А., Структурные превращения в жидких кристаллах, М., 1981; Пикин С. А., Блинов Л. М., Жидкие кристаллы, М., 1982; С о н и н А. С., Введение в физику жидкихкристаллов, М., 1983; Беляков В. А., Жидкие кристаллы, М., 1986; Капустин А. П., Капустина О. А., Акустика жидких кристаллов, М., 1986. Л.M. Блинов, С. А. Пикин.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. . 1988.


.

Смотреть что такое "ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ" в других словарях:

  • Жидкие кристаллы — Жидкие кристаллы. Расположение молекул в жидком кристалле. ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ, жидкости, обладающие анизотропией свойств (в частности, оптических), связанной с упорядоченностью в ориентации молекул. Благодаря сильной зависимости физических свойств… …   Иллюстрированный энциклопедический словарь

  • ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ — жидкости, обладающие анизотропией свойств (в частности, оптической), связанной с упорядоченностью в ориентации молекул. Благодаря сильной зависимости свойств жидких кристаллов от внешних воздействий они находят разнообразное применение в технике… …   Большой Энциклопедический словарь

  • ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ — органические вещества, характеризующиеся сочетанием свойств (см.) текучестью и твёрдого (см.) упорядоченностью ориентации молекул и оптической (см.). Особые направления в Ж. к., как и в твёрдых, в которых луч света распространяется, не испытывая… …   Большая политехническая энциклопедия

  • жидкие кристаллы — жидкости, обладающие анизотропией свойств (в частности, оптических), связанной с удлинённой формой молекул и упорядоченностью в их ориентации. Благодаря сильной зависимости свойств жидких кристаллов от внешних воздействий они находят… …   Энциклопедический словарь

  • Жидкие кристаллы — Шлирен текстура в нематических жидких кристаллах Жидкие кристаллы (сокращённо ЖК)  это фазовое состояние, в которое переходят некоторые вещества при определенных условиях (температура, давление, концентрация в растворе). Жидкие кристаллы …   Википедия

  • Жидкие кристаллы —         жидкокристаллическое состояние, мезоморфное состояние, состояние вещества, в котором оно обладает свойствами жидкости (текучестью) и некоторыми свойствами твёрдых кристаллов (анизотропией (См. Анизотропия) свойств). Ж. к. образуют… …   Большая советская энциклопедия

  • ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ — в ва, переходящие при определенных условиях (т ра, давление, концентрация в растворе) в жидкокристаллич. состояние, к рое является промежуточным между кристаллич. состоянием и жидкостью. Как и обычные жидкости, Ж. к. обладают текучестью, но при… …   Химическая энциклопедия

  • ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ — особое состояние нек рых органич. в в, в к ром они обладают реологич. (см. Реология) св вами жидкости текучестью, но сохраняют упорядоченность в расположении молекул и анизотропию нек рых св в, характерную для кристаллов. Ж. к. образуют в ва,… …   Большой энциклопедический политехнический словарь

  • ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ — жидкости, обладающие анизотропией свойств (в частности, оптических), связанной с удлинённой формой молекул и упорядоченностью в их ориентации. Благодаря сильной зависимости свойств Ж. к. от внеш. воздействий они находят разнообразное применение в …   Естествознание. Энциклопедический словарь

  • Жидкие кристаллы — жидкости, обладающие анизотропией свойств (в частности, оптических), связанной с удлиненной формой молекул и упорядоченностью в их ориентации …   Начала современного естествознания

Книги

Другие книги по запросу «ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ» >>


Поделиться ссылкой на выделенное

Прямая ссылка:
Нажмите правой клавишей мыши и выберите «Копировать ссылку»