2.8 жидкие кристаллы

Жидкими кристаллами (ЖК) называют вещества, молекулы которых обладают подвижностью при сохранении упорядоченной структуры. Для них характерна зависимость оптических свойств от внешних факторов (температуры, давления, электрического поля и др.). Эта зависимость открывает богатые возможности при изготовлении индикаторных устройств различного назначения.

Жидкие кристаллы были открыты в 1888 г. австрийским ботаником Ф. Рейнитцером. Однако широкое практическое применение эти вещества нашли cравнительно недавно. Специфика ЖК заключается в ограниченном температурном интервале существования мезофазы (т. е. жидкокристаллического состояния).

Жидкокристаллическое состояние образуют в основном органические соединения с удлиненной палочкообразной формой молекул. Значительную часть ЖК составляют соединения ароматического ряда, т. е. соединения, молекулы которых содержат бензольные кольца. По признаку общей симметрии все жидкие кристаллы подразделяются на три вида: смектические, нематические и холестерические.

Смектическая фаза отличается слоистым строением. Из-за высокой вязкости, смектические ЖК не нашли широкого применения.

В нематической фазе длинные оси молекул ориентированы вдоль одного общего направления, называемого нематическим директором. Для получения цветных изображений в ЖК вводят молекулы красителя, которые также имеют удлиненную палочкообразную форму. Область применения нематических жидких кристаллов – индикаторные устройства. К таким устройствам относятся дисплеи, крупноформатные табло, цифровые индикаторы для микрокомпьютеров, циферблаты электронных часов и цифровых измерительных приборов. Основными преимуществами таких индикаторов являются: хороший контраст при ярком освещении; низкая потребляемая мощность; совместимость с интегральными схемами по рабочим параметрам и конструктивному исполнению; сравнительная простота изготовления и низкая стоимость.

Холестерическая фаза на молекулярном уровне похожа на нематическую. Однако вся её структура дополнительно закручена вокруг оси винта, перпендикулярной молекулярным осям. Шаг винтовой спирали сильно зависит от внешних воздействий. При увеличении температуры спираль развивается, увеличивается расстояние между молекулярными слоями и, соответственно длина волны отражаемого света, который смещается в красную область. Изменение цвета жидкого кристалла при изменении температуры называют термохромным эффектом.

В результате получается цветовой термометр, который нашел различные применения. С помощью жидкокристаллических индикаторов можно зарегистрировать изменения температуры в тысячные доли градуса. Цветовые термоиндикаторы с успехом применяются для целей технической и медицинской диагностики. Они позволяют очень просто получить цветовую картину теплового поля. Этот же принцип используется для визуализации инфракрасного излучения и полей СВЧ.

Следует отметить, что в жидких кристаллах для индикации используется окружающий свет, благодаря чему их потребляемая мощность значительно меньше, чем в других индикаторных устройствах, и составляет 10–4–10–6 Вт/см2. Это на несколько порядков ниже, чем в светодиодах, порошковых и пленочных электролюминофорах, а также в газоразрядных индикаторах. Недостатками устройств на жидких кристаллах являются невысокое быстродействие, а также подверженность процессам электро- и фотохимического старения.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1 Какие диэлектрики называют активными? В чём их отличие от пассивных?

2 В чём особенности структуры сегнетоэлектриков?

3 Как объяснить диэлектрический гистерезис и нелинейность сегнетоэлектриков?

4 Что называют сегнетоэлектрической точкой Кюри?

5 Назовите наиболее важные применения сегнетоэлектриков.

6 Что такое прямой и обратный пьезоэффект? Где и как можно применить эти явления?

8 Что такое пироэлектрический эффект? Где и как его применяют?

9 Что такое электреты и фотоэлектреты? Где их применяют?

10 В чем различие между «жидким» и твёрдым кристаллом?

11 Как классифицируют и для чего применяют жидкие кристаллы?

12 Какие материалы используют в твёрдотельных лазерах?

13 Какие элементы используют в качестве активаторов и сенсибилизаторов лазерных материалов?