Фазовое состояние жидких кристаллов
Жидкие кристаллы (ЖК) — это особое состояние вещества, обладающее свойствами как обычных жидкостей, так и кристаллов. С одной стороны, молекулы в жидких кристаллах способны течь, как в жидкостях, с другой — сохраняют частичный дальний порядок, присущий твердым телам. Такое промежуточное состояние реализуется в определённом интервале температур между твердой и изотропной жидкой фазами.
Существует несколько типов мезофаз (между твердым и жидким состояниями), наиболее значимыми из которых являются:
Нематическая фаза характеризуется ориентированным порядком без позиционного. Молекулы, как правило, вытянутой формы, имеют предпочтительную ориентацию (директор), но их центры масс распределены хаотично. Это означает, что в нематике отсутствует трансляционная симметрия, но присутствует долгопробежная корреляция в направлении главной оси.
Смектическая фаза отличается как ориентированным, так и частичным позиционным порядком. Молекулы организованы в слои, внутри которых они могут двигаться, но между слоями движение ограничено. Существует несколько подтипов смектики (A, B, C и др.), различающихся степенью наклона молекул и их упорядочением внутри слоев.
Холестерическая фаза наблюдается у хиральных (асимметричных) молекул. В ней директор постепенно вращается от слоя к слою, образуя спираль. Эта спираль характеризуется шагом винтовой структуры, определяющим оптические свойства фазы, такие как селективное отражение света в определённом диапазоне длин волн.
Молекулярная структура и анизотропия
Жидкокристаллические вещества состоят преимущественно из анизотропных молекул: вытянутых, жестких и обладающих дипольным моментом или поляризуемостью. Эта структурная анизотропия обуславливает и анизотропию физических свойств. Основными из них являются:
Оптическая анизотропия проявляется в зависимости показателя преломления от направления распространения света относительно директора. Это свойство широко используется в оптоэлектронных приборах, например, в ЖК-дисплеях, где направление молекул можно управляемо менять с помощью электрического поля, регулируя тем самым прохождение света.
Диэлектрические и электромеханические свойства
Одним из ключевых свойств жидких кристаллов является возможность управлять их структурой с помощью внешнего электрического поля. В зависимости от характера анизотропии диэлектрической проницаемости (Δε = ε∥ − ε⟂) жидкий кристалл стремится ориентироваться либо вдоль, либо перпендикулярно направлению поля.
При Δε > 0 молекулы стремятся выровняться вдоль поля, при Δε < 0 — перпендикулярно. Это свойство лежит в основе эффекта Фредерикса, при котором ориентация директорного поля изменяется при превышении определённого порогового значения напряженности поля.
Также наблюдается пьезоэлектрический и флексоэлектрический эффекты, когда в ответ на деформации возникает поляризация, и наоборот — при наличии внешнего поля возникают механические деформации. Это важно для разработки датчиков и приводов на основе ЖК.
Термодинамика жидких кристаллов
Переходы между фазами жидких кристаллов происходят при изменении температуры или давления. Такие переходы могут быть:
Форма и энергия межмолекулярного взаимодействия определяют термодинамическую устойчивость конкретной фазы. Основной моделью для описания ориентационного порядка является теория Майера–Сауэра, теория Ландау–де Жена и статистическая модель Озен–Франка, описывающая упругость директорного поля. В последней выделяются три типа упругих деформаций:
Энергия упругих деформаций записывается через соответствующие модули K1, K2, K3, которые зависят от температуры и природы молекул.
Гидродинамика жидких кристаллов
Движение жидких кристаллов описывается системой уравнений, включающих не только скорость потока жидкости, но и динамику изменения ориентации директора. Это приводит к расширенной форме уравнений Навье–Стокса с добавлением торсионных моментов и упругих напряжений, связанных с деформацией ориентированного порядка.
Среди важных эффектов — влияние течения на структуру: при сильном сдвиговом течении возможно переориентирование молекул, их выравнивание или разрушение порядка. Также известны вязко-упругие эффекты, проявляющиеся в наличии нескольких времён релаксации.
Оптические свойства и взаимодействие со светом
Жидкие кристаллы являются оптически анизотропными средами. Это означает, что прохождение света через них зависит от ориентации молекул. В частности:
Оптические свойства управляются электрическим полем, что делает жидкие кристаллы идеальными кандидатами для модуляторов света, дисплеев, светофильтров и оптических коммутаторов.
Применения и технологическое значение
Наибольшее практическое применение нашли нематические жидкие кристаллы с управляемой ориентацией. Современные дисплеи (LCD) используют слои ЖК, помещённые между поляризаторами. Электрическое поле вызывает переориентацию молекул, изменяя прохождение света через ячейку. Основные типы дисплеев:
Жидкие кристаллы также используются в:
Физика дефектов и текстур
В реальных системах, особенно в ограниченных геометриях (ячейках), возникают топологические дефекты: дисклокации, дисклинации и доменные границы. Эти структуры определяют макроскопическую текстуру и оптическое поведение ЖК. Теоретически они описываются с использованием понятий топологической зарядности, энергетической стабильности и взаимодействия с внешними полями.
Развитие технологии управления дефектами и текстурами стало основой для создания тонкопленочных ЖК-структур с высокой контрастностью, быстродействием и стабильностью.
Хиральность, самосборка и современные направления
Современные исследования в области жидких кристаллов касаются:
Особый интерес представляют жидкокристаллические полимеры, обладающие как механической прочностью полимеров, так и управляемыми оптическими свойствами ЖК.
Таким образом, физика жидких кристаллов представляет собой чрезвычайно богатую область, объединяющую молекулярную физику, термодинамику, гидродинамику и оптику, и дающую широкий спектр технических и технологических приложений.