Проследим за поведением жидких кристаллов в электрическом поле. Начнем с
нематического кристалла. По своей природе жидкие кристаллы -
диэлектрики. Но подобно твердым кристаллам они обладают анизотропией
электропроводности. Это означает, что электропроводность зависит от
направления приложенного электрического поля. Посмотрим, как влияет
электрическое поле на оптическую ось нематического кристалла.
Представим, что жидкокристаллическая среда простирается неограниченно по
всем направлениям. Тогда приложенное электрическое поле должно одинаково
переориентировать все молекулы и тем самым повернуть оптическую ось
кристалла. В действительности кристаллы, как правило, ограничены
стеклянными поверхностями и имеют конечную толщину (рис. 89, а).
Вследствие этого отклоняющее действие поля вступает в единоборство с
силами сцепления молекул жидкого кристалла и стекла. В результате
происходит деформация слоя кристалла и искривление оптической оси, что,
в свою очередь, вызывает изменение его оптических свойств. Это явление
получило название эффекта Фредерикса (рис. 89, б).
Если поместить нематическую пленку между скрещенными поляроидами и
осветить ее лучом лазера, то можно увидеть, что с изменением
электрического поля интенсивность света на выходе системы меняется.
Причина - изменение двулуче-преломления кристалла под воздействием
приложенного напряжения.
Теперь осветим систему белым светом. Результат получается неожиданным. В
переменном электрическом поле кристалл ведет себя как хамелеон. С
изменением напряженности поля последовательно меняется цвет выходящего
потока. Разгадку этого явления следует искать в дисперсии
двулучепреломления жидкого кристалла. Именно дисперсия приводит к тому,
что пленка неодинаково преобразует поляризацию волн разной длины. Те
волны, плоскость поляризации которых совпадает с направлением
пропускания поляроида, выходят из системы, волны другой длины
задерживаются, и свет становится окрашенным.
Рис. 89. Ориентация слоев нематических
кристаллов: а - до воздействия электрического поля: б - при воздействии
электрического поля напряженностью Е (эффект Фредерикса)
Рис. 91. Жидкокристаллический затвор: а -
электрическое поле отсутствует: б - при воздействии электрического поля
Таким образом, управляя двулучепреломлением пленки,
можно одновременно управлять цветом выходящего потока. Обычно
управляющие напряжения очень малы: от долей до единиц вольта. Но
выигрывая в энергетике, жидкокристаллические устройства проигрывают в
быстродействии. По быстродействию они не выдерживают конкуренции с
твердотельными электрооптическими устройствами. Причина - в вязкости
жидких кристаллов. Однако не во всех устройствах нужны высокие скорости.
Этот недостаток жидких кристаллов не мешает использовать их в
циферблатах часов, в табло калькуляторов.
Если в нематический кристалл добавить немного дихроичного красителя
(1...2%), то можно наблюдать интересный эффект. Он получил название
эффекта <гость - хозяин>. <Хозяином> является сам нематический кристалл,
а <гостем> - краситель. Не всякий <гость> уживается в доме <хозяина>.
Для мирного сосуществования ему следует не только легко раствориться, но
необходимо, чтобы его молекулы вписались в молекулярную упаковку
кристалла. В результате молекулы <гостя> принимают ориентацию молекул
<хозяина> (рис. 90).
Возмем две стеклянные пластинки с прозрачными электродами и заполним
зазор между ними жидким кристаллом с растворенным красителем (рис. 91).
Если осветить кристалл белым светом, то увидим, что в зависимости от
ориентации молекул кристалл будет вести себя по-разному. Когда длинные
оси молекул перпендикулярны направлению луча, у красителя появляется
возможность поглощать свет. Но он подходит избирательно к волнам разной
длины. Если ему <по вкусу> синий свет, он поглощает его, и сквозь
раствор проходит только красный свет. Включим электрическое поле. Под
его воздействием молекулы выстраиваются вдоль луча. Теперь краситель
теряет способность поглощать свет. Белый свет беспрепятственно проходит
сквозь раствор. Так что если вы захотите создать светофильтр,
управляемый электрическим полем, вспомните о <гостях в чужом доме>.
Рис. 90. Молекулы красителя (голубые) в жидком
кристалле
Рис. 92. Нематический кристалл в электрическом
поле: а. б - ламинарный и турбулентный потоки жидкокристаллического
вещества
Осветим раствор лучом лазера с длиной волны, соответствующей области
поглощения красителя. Свет полностью поглотится. Включим электрическое
поле, и кристалл пропустит свет, т. е. светофильтр превратился в затвор.
Иначе ведут себя нематические кристаллы в электрических полях высокой
напряженности. При включении поля отрицательные ионы кристалла
направятся к аноду, а положительные - к катоду (рис. 92, о). Но если
ионы движутся, значит осуществляется перенос массы вещества. Таким
образом, под воздействием электричества образуется поток
жидкокристаллического вещества. Начнем увеличивать напряжение.
Первоначально жидкий кристалл течет рлав-но, поток имеет ламинарный
характер. Когда напряжение достигает некоторого порогового значения,
плавное течение сменяется вихреобразным, турбулентным. Кристалл
<закипает> (рис. 92, б). Картина напоминает кипение воды в чайнике,
электрическое поле как бы взбалтывает вещество. При таком хаотическом
движении молекул неузнаваемо изменяется их ориентация, что, естествен-
но, проявляется в оптических свойствах кристалла. В результате <кипения>
кристалла образуются области с различными показателями преломления.
Нематический кристалл, который до подключения напряжения был совершенно
прозрачен, становится молочно-белым. Он рассеивает свет подобно
молочному стеклу. Это явление, получившее название эффекта динамического
рассеяния, впервые было обнаружено В. К. Фредериксом и В. Н. Цветковым в
1935 г.
Заметим, что для <закипания> кристалла достаточно плотности тока 1
мкА/см 2, так как силы упругости в жидком кристалле очень малы.
Итак, нематический кристалл при включении напряжения становится
молочномутным, а при выключении - прозрачным. Чем это не световой
затвор? Такой затвор не требует ни поляризатора, ни анализатора. С его
помощью лазерный луч можно ослабить в 10 ООО раз.
<Кипящий> жидкий кристалл имеет сходство с туманом. Эта особенность
натолкнула на мысль использовать эффект динамического рассеяния света
для создания имитаторов тумана за бортом самолета. И все же наибольшее
применение эффект получил в индикаторной технике.
Рассмотрим поведение холестерических: кристаллов в электрическом поле.
Как уже отмечалось, кристаллы этого типа имеют закрученную структуру.
Как проявится эффект Фредерикса в холестерическом кристалле?
Проведем опыт. Поместим пленку кристалла между двумя стеклянными
пластинами с токопроводящими покрытиями. При этом очень важно, чтобы ось
спирали кристалла была перпендикулярна стеклам (рис. 93, а). Если подать
напряжение на электроды, ось повернется. При некотором пороговом
напряжении угол поворота оси становится равным 90°. Если рассматривать
такую пленку сквозь скрещенные поляроиды (рис. 93, б), можно увидеть
сложный узор, напоминающий отпечатки пальцев. Там, где витки спирали
совпали с направлением пропускания одного из поляроидов, проступают
темные полосы; остальная часть пленки - светлая. По характеру узора
можно судить о шаге холестерической спирали.
Электрическое поле не только поворачивает, но и раскручивает спираль
(рис. 94, а): достаточно приложить поле Е перпендикулярно оси спирали
кристалла. При напряжении, превышающем пороговое значение, длинные оси
всех молекул вытягиваются вдоль силовых линий (рис. 94, б). Это
означает, что кристалл из холестерического превратился в нематический. В
результате этих превращений мутная пленка становится совершенно
прозрачной. Более того, кристалл теряет способность вращать плоскость
поляризации излучения. Это явление называют <твист-эффектом>.
Проявляется эффект только в холестерических кристаллах с положительной
диэлектрической анизотропией, т. е. когда диэлектрическая проницаемость
вдоль длинных осей молекул больше, чем вдоль коротких. При отсутствии
электрического поля эффект исчезает. Вновь образуется холестерический
кристалл, и пленка мутнеет.
Как можно применить это необычное свойство кристалла? Поместим
холестерическую пленку между скрещенными поляроидами (рис. 94, б).
Толщину пленки подберем так, чтобы в отсутствие электрического поля она
повернула вектор поляризации излучения на 90°. Такой свет
беспрепятственно пройдет через поляроид. Приложим теперь электрическое
поле. Под его воздействием пленка теряет оптическую активность. Свет
пройдет через пленку, не меняя своей поляризации, и задержится
поляроидом. Но ведь это же оптический затвор - скажете вы.
Действительно, это затвор. Итак, электрическое поле способно превратить
холестерический кристалл в нематический.
При напряженности поля, меньшей критической, этого перехода не
наблюдается. Тем не менее кристалл чутко следит за изменениями поля. С
увеличением разности потенциалов возрастает шаг спирали, а,
следовательно, и длина волны, отраженной кристаллом. Кристалл меняет
окраску. Это напоминает поведение кристалла при изменении температуры.
Посмотрим, как ведет себя в электрическом поле холестерический кристалл
с отрицательной диэлектрической анизотропией. Если к ячейке с прозрачным
холестерическим кристаллом приложить электрическое поле с частотой,
меньшей некоторой критической, возникают турбулентные потоки. Свет,
пройдя через такой кристалл, рассеивается. Это напоминает эффект
динамического рассеяния света в нематических кристаллах. Однако при
снижении поля прозрачность кристалла не восстанавливается, как это имеет
место в нематических кристаллах. Можно сказать, что кристаллы обладают
<памятью>. Записанная информация может сохраняться от нескольких минут
до нескольких месяцев. Чтобы стереть ее, достаточно приложить к
кристаллу высокочастотное электрическое поле.
Рис. 93. Эффект Фредерикса в холестерическом
кристалле: а - электрическое поле отсутствует: б - при воздействии
электрического поля: 1 - стеклянные пластины; 2 - поляроиды; Е -
напряженность электрического поля
Рис. 94. <Твист-эффект> в холестерическом
кристалле: а -- электрическое поле отсутствует: б - напряженность поля Е
превышает пороговое значение; 1 - стеклянные пластины; 2 -
холестерический кристалл; 3 - скрещенные поляроиды
Электрический ток не только изменяет структуру кристалла, но и
вызывает в нем электрохимические процессы. Мигрируя, ионы осаждаются на
электродах, и жидкокристаллическое вещество разлагается. Это
ограничивает ресурс работы устройств на жидких кристаллах.
Как воздействует электрическое поле на смектические кристаллы? Особый
интерес представляют кристаллы типа С. Даже без электрического поля
тонкий слой кристалла оказывается заряженным. Один его торец имеет
положительный заряд, другой - отрицательный. Это свидетельствует о том,
что кристалл обладает сегнетоэлектрическим свойством. До недавнего
времени считали, что это свойство присуще только твердым кристаллам.
Открытие сегнетоэлектричества в кристаллах типа С выделило их среди
смектических веществ. Дело в том, что даже самое слабое электрическое
поле легко пе-переориентирует молекулы кристалла, поэтому для управления
ориентацией оптической оси не требуется больших управляющих напряжений.
В кристаллах типа С поворот оси не сопровождается деформацией слоистой
структуры, как это имеет место в кристаллах типа А.
