Холестерический кристалл (рис. 83, б) является разновидностью
нематического. Его структура напоминает Вавилонскую башню. Это стопка
нематических слоев, повернутых в виде спирали (рис. 84). Кристалл
свободно течет вдоль слоев. Холестерическую спираль часто называют
<твист>-структурой. Слово <твист> по-английски означает <кручение>. В
таком танце, как по команде <замри>, остановились молекулы кристалла,
образуя винтообразно закрученную оптическую ось. Этим, по-видимому,
объясняется необычайно высокая оптическая активность холестерических
кристаллов.
Своим свойством вращать плоскость поляризации света холестерические
кристаллы сходны с такими анизотропными средами, как кварц, сахарный
раствор. Некоторые пленки толщиной 1 мм могут повернуть плоскость
поляризации на угол 70 000°, что в тысячу раз превышает удельное
вращение кварца. Чем толще пленка, тем на больший угол повернется вектор
поляризации излучения. Однако рост толщины пленки приводит к деформации
спирали. Интересно, что в одних кристаллах оптические оси спирали
закручены по часовой стрелке, в других - против.
Рис. 84. Структура холестерического кристалла
Рис. 85. К пояснению вращательной способности
холестерических кристаллов: а, б - левая и правая спирали
холестерического кристалла; в, г - левое и правое вращение плоскости
поляризации излучения
Вот почему одни кристаллы вращают вектор поляризации по левому, а
другие - по правому кругу (рис. 85).
Толщина одного слоя холестерического кристалла обычно не превышает 0,2
мкм. Связь между молекулами в слое не прочная, поэтому даже небольшое
внешнее воздействие ставит под угрозу существование спирали. При
облучении интенсивным светом спираль распрямляется и исчезает. Свет
способен и на большее. Под его воздействием связи между атомами молекул
ослабевают - и нематический кристалл становится изотропной жидкостью.
Поэтому светом, как карандашом, можно рисовать на пленке
холестерического кристалла. Если поместить полученный таким способом
рисунок между скрещенными поляроидами, то можно увидеть, как на светлом
фоне четко проступят темные следы столь необычного карандаша. Как это
объяснить? На облученных светом участках пленка холестерического
кристалла превращается в нематический кристалл и теряет способность
поворачивать плоскость поляризации излучения. Свет, пройдя через эти
участки, задерживается поляроидом. Необлученные участки, наоборот,
поворачивают вектор поляризации, и свет проходит сквозь поляроид,
создавая светлый фон.
Спираль также разрушается, если в холестерический кристалл добавить
изотропную жидкость. При небольшом добавлении образуется нематический
кристалл. Дальнейшее разбавление приводит к полному разрушению
жидкокристаллической структуры. Вещество превращается в изотропную
жидкость.
С явлением оптической активности в холестерическом кристалле тесно
связано другое необычное явление - избирательное отражение света.
Нанесем холес-терическую пленку на черную поглощающую пластинку и
осветим ее белым светом. Из всего многообразия волн кристалл выберет ту
единственную, длина которой равна шагу спирали, и отразит ее. Все
остальные волны пройдут сквозь пленку кристалла и будут поглощены черной
пластинкой. Кристалл окрасится в цвет отраженной волны. Однако, чтобы
это произошло, свет должен быть циркулярно поляризованным, причем
направление вращения его плоскости поляризации должно совпадать с
направлением закру-ченности слоев. Замечено, что при облу-
чении кристалла вдоль оси спирали интенсивным циркулярно поляризованным
светом шаг спирали увеличивается. Это приводит к изменению окраски
отраженного света. Если поменять направление вращения плоскости
поляризации излучения, свет пройдет через кристалл без заметного
отражения и полностью поглотится пластинкой.
На изменение температуры холестерический кристалл, как хамелеон,
отвечает изменением окраски. В процессе нагревания кристалла уменьшается
шаг холестерической спирали, что приводит к уменьшению длины волны
отражаемого излучения. Напротив, с уменьшением температуры кристалла
длина волны отраженного света увеличивается. Таким образом, при
нагревании кристалл синеет, а при охлаждении - краснеет. Пленки
некоторых холестерических веществ реагируют на изменение температуры на
Ю-2 и даже Ю-3 °С. Такая высокая чувствительность показывает, какие
необыкновенные возможности заключены в этих веществах. Холестерические
кристаллы служат сегодня прекрасными термоиндикаторами.
