Нематические жидкие кристаллы представляют собой фазу мягкой конденсированной материи, характеризующуюся частичным порядком в ориентации молекул и отсутствием дальнего трансляционного порядка. В отличие от изотропной жидкой фазы, в нематической фазе молекулы обладают статистическим предпочтением ориентироваться вдоль некоторого выделенного направления, называемого директором и обозначаемого вектором n.
Основная особенность нематиков состоит в том, что молекулы сохраняют свободу поступательного движения, но их анизотропная форма (обычно удлинённые или дискообразные структуры) приводит к корреляциям в ориентации. Директор определяет ось симметрии, но не имеет направления: состояния, отличающиеся заменой n → –n, эквивалентны.
В нематической фазе реализуется промежуточный тип упорядочения между кристаллом и жидкостью. Трансляционная симметрия сохраняется полностью, то есть положение молекул в пространстве хаотично, как в жидкости. Однако осевая симметрия нарушена: присутствует ориентационный порядок.
Степень этого порядка количественно описывается параметром порядка, который вводится через усреднённое значение функции Лежандра второго порядка:
$$ S = \left\langle \frac{3\cos^2\theta - 1}{2} \right\rangle , $$
где θ — угол между длинной осью молекулы и директором.
Нематическая структура может деформироваться. Основные типы упругих искажений описываются теорией Франка:
Энергия упругих искажений задаётся функционалом:
$$ F = \frac{1}{2} \int \Big( K_1 (\nabla \cdot \mathbf{n})^2 + K_2 (\mathbf{n}\cdot (\nabla \times \mathbf{n}))^2 + K_3 (\mathbf{n} \times (\nabla \times \mathbf{n}))^2 \Big) dV, $$
где K1, K2, K3 — упругие константы Франка, отвечающие за splay, twist и bend соответственно.
Наличие директорного поля делает возможным существование топологических дефектов. Наиболее характерные:
Эти дефекты играют ключевую роль в текстурах нематических кристаллов, наблюдаемых под поляризационным микроскопом, и определяют динамику фазовых переходов.
Нематическая фаза обладает выраженной анизотропией:
Нематическая фаза возникает при переходе из изотропного состояния при понижении температуры или увеличении концентрации в растворах анизотропных молекул. Переход носит характер первого рода, сопровождаясь скачком параметра порядка.
Существует также переход нематик–смектик, при котором добавляется частичный трансляционный порядок. В смектической фазе молекулы формируют слоистую структуру, сохраняя при этом ориентационный порядок нематика.
Электрические и магнитные поля способны индуцировать переориентацию директора. Это лежит в основе функционирования жидкокристаллических дисплеев (ЖКД). При наложении электрического поля молекулы стремятся выровняться вдоль направления с большей диэлектрической проницаемостью.
Критическое значение напряжённости поля, при котором происходит переориентация, связано с соотношением между упругой энергией и энергией взаимодействия с полем. Это явление носит название эффекта Фредерикса.
Движение и ориентация молекул нематической фазы описываются гидродинамической теорией Лесли–Эриксена. В уравнения включаются:
Нематическая жидкость проявляет сложное реологическое поведение, включая анизотропную вязкость, которая зависит от относительной ориентации потока и директора.
Нематические жидкие кристаллы широко используются в современной технике благодаря своей чувствительности к внешним воздействиям и оптической анизотропии. Основные области применения:
Именно нематики составляют основу подавляющего большинства жидкокристаллических технологий благодаря сравнительной простоте их структуры и удобству внешнего управления.