Жидкие кристаллы

Жидкие кристаллы — это состояние вещества, занимающее промежуточное положение между твёрдым кристаллом и жидкостью. В этом состоянии вещество обладает текучестью, характерной для жидкостей, но при этом сохраняет анизотропию физических свойств (например, оптических, электрических), присущую кристаллам. Жидкие кристаллы образуются некоторыми органическими соединениями при определённых температурах (термотропные жидкие кристаллы) или при растворении в определённых растворителях (лиотропные жидкие кристаллы).

История открытия

Первое наблюдение жидкокристаллического состояния приписывается австрийскому ботанику и химику Фридриху Рейнитцеру. В 1888 году он изучал холестерилбензоат — производное холестерина. Рейнитцер обнаружил, что это вещество плавится при 145,5 °C, образуя мутную, вязкую жидкость, которая при дальнейшем нагревании до 178,5 °C становится прозрачной. Он обратил внимание на необычную оптическую активность этой мутной фазы и сообщил о своих наблюдениях немецкому физику Отто Леману. Леман, используя поляризационный микроскоп, подтвердил, что данная фаза обладает двойным лучепреломлением — свойством, характерным для кристаллов. Именно он ввёл термин «жидкий кристалл» (нем. Flüssiger Kristall).

В первой половине XX века исследования жидких кристаллов носили в основном теоретический характер. Значительный вклад в их изучение внесли российские учёные: В. К. Фредерикс, открывший переход Фредерикса (деформацию жидкого кристалла под действием электрического поля), и В. Н. Цветков, исследовавший диэлектрические свойства. Практический интерес к жидким кристаллам резко возрос в 1960-х годах с развитием электроники и поиском новых материалов для дисплеев. В 1962 году Ричард Уильямс (RCA) описал эффект электрооптического перехода в тонком слое нематического жидкого кристалла, а в 1968 году Джордж Хейлмайер и его коллеги продемонстрировали первый работающий жидкокристаллический дисплей (ЖК-дисплей).

Классификация жидких кристаллов

Жидкие кристаллы классифицируют по двум основным признакам: способу образования и типу молекулярного упорядочения.

По способу образования

• Термотропные жидкие кристаллы. Образуются при нагревании твёрдого кристалла или при охлаждении изотропной жидкости в определённом интервале температур. Это наиболее распространённый тип, используемый в дисплеях.
• Лиотропные жидкие кристаллы. Образуются при растворении амфифильных молекул (например, мыл, фосфолипидов) в растворителе (обычно в воде). Их структура и свойства зависят от концентрации вещества. Играют ключевую роль в биологии (клеточные мембраны).

По типу молекулярного упорядочения

• Нематические жидкие кристаллы (N). Молекулы (обычно вытянутой формы) ориентированы преимущественно в одном направлении (директор), но не имеют позиционного порядка — их центры тяжести расположены хаотично. Это наиболее простой и широко используемый тип.
• Смектические жидкие кристаллы (S). Молекулы не только ориентированы в одном направлении, но и образуют слои. Внутри слоя молекулы могут быть расположены упорядоченно (смектика B) или хаотично (смектика A). Смектики более вязкие, чем нематики.
• Холестерические жидкие кристаллы (Ch). Являются разновидностью нематиков, но образованы хиральными (оптически активными) молекулами. Директор в таких кристаллах закручивается по спирали перпендикулярно длинной оси молекул. Это приводит к уникальным оптическим свойствам, в частности, к селективному отражению света (цветная окраска) и сильной оптической активности.
• Колончатые (дискотические) жидкие кристаллы. Образуются дисковидными молекулами, которые складываются в стопки (колонны). Такие колонны могут образовывать двумерные решётки.

Физические свойства и эффекты

Анизотропия

Главное свойство жидких кристаллов — анизотропия физических свойств. Это означает, что свойства (например, показатель преломления, диэлектрическая проницаемость, вязкость) различны вдоль и поперёк директора. Анизотропия диэлектрической проницаемости (Δε) является ключевым параметром для управления жидкими кристаллами электрическим полем. Если Δε > 0, молекулы стремятся выстроиться вдоль поля; если Δε < 0 — перпендикулярно.

Эффект Фредерикса

Переход Фредерикса — это деформация однородно ориентированного слоя жидкого кристалла под действием внешнего электрического или магнитного поля, превышающего некоторое пороговое значение. Различают три основных типа деформации: изгиб (bend), кручение (twist) и поперечный изгиб (splay). Этот эффект лежит в основе работы всех ЖК-дисплеев.

Оптические свойства

• Двойное лучепреломление. Жидкие кристаллы, как и твёрдые кристаллы, расщепляют падающий свет на два луча — обыкновенный и необыкновенный, поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях.
• Эффект «гость-хозяин». В жидкий кристалл (хозяин) добавляют дихроичный краситель (гость). Молекулы красителя ориентируются вместе с жидким кристаллом, и при изменении ориентации последнего меняется цвет и прозрачность слоя.
• Селективное отражение света (холестерики). Холестерические жидкие кристаллы отражают свет с длиной волны, равной шагу спирали. Шаг спирали зависит от температуры, что позволяет создавать термоиндикаторы.

Применение

Жидкокристаллические дисплеи (ЖК-дисплеи)

Наиболее массовое применение. Основные технологии:

• TN (Twisted Nematic). Самый старый и дешёвый тип. Слой нематика закручен на 90° между двумя поляризаторами. При подаче напряжения молекулы раскручиваются, и ячейка становится непрозрачной. Недостаток — малые углы обзора.
• STN (Super Twisted Nematic). Закрутка на 180°–270°. Обеспечивает лучший контраст, но часто искажает цвета.
• IPS (In-Plane Switching) и его варианты (S-IPS, e-IPS, PLS). Электроды расположены на одной подложке, и поле вращает молекулы в плоскости. Обеспечивает широкие углы обзора и хорошую цветопередачу. Наиболее распространён в современных мониторах и смартфонах.
• VA (Vertical Alignment). Молекулы изначально перпендикулярны подложке. При подаче напряжения они наклоняются. Обеспечивает высокий контраст и глубокий чёрный цвет.

Термоиндикаторы

Холестерические жидкие кристаллы меняют цвет в зависимости от температуры. Используются в медицинских термометрах, индикаторах температуры в холодильниках, для выявления «мостиков холода» в строительстве, в декоративных элементах.

Оптоэлектроника

• Пространственные модуляторы света. Используются в проекционных системах и для коррекции волнового фронта.
• Оптические переключатели и затворы. Применяются в 3D-очках и фотоаппаратах.
• Жидкокристаллические линзы. Позволяют изменять фокусное расстояние без механических движений.

Медицина и биология

• Термография. Для визуализации участков тела с аномальной температурой (воспаления, опухоли).
• Исследование мембран. Лиотропные жидкие кристаллы служат моделью биологических мембран.
• Сенсоры. На жидких кристаллах создают сенсоры для обнаружения химических веществ, бактерий и вирусов.

Критика и ограничения

Несмотря на широкое распространение, ЖК-технологии имеют недостатки:

• Время отклика. У жидких кристаллов конечное время переориентации (миллисекунды), что может вызывать размытие быстро движущихся объектов. В современных игровых мониторах этот недостаток минимизирован за счёт технологии Overdrive.
• Углы обзора. Даже у современных IPS-матриц при взгляде под большим углом может наблюдаться снижение контраста и цветовые искажения.
• Температурная зависимость. Вязкость жидких кристаллов сильно зависит от температуры. При низких температурах (ниже -20 °C) время отклика резко возрастает, при высоких (выше +80 °C) может произойти переход в изотропную жидкость.
• Необходимость подсветки. В отличие от OLED, ЖК-дисплеи не излучают свет сами, поэтому требуют подсветки, что увеличивает толщину и энергопотребление.

Источники

1. Чандрасекар С. Жидкие кристаллы. — М.: Мир, 1980. — 344 с.
2. де Жен П. Физика жидких кристаллов. — М.: Мир, 1977. — 400 с.
3. Блинов Л. М. Электро- и магнитооптика жидких кристаллов. — М.: Наука, 1978. — 384 с.
4. Сонин А. С. Введение в физику жидких кристаллов. — М.: Наука, 1983. — 320 с.
5. Капустин А. П. Электрооптические эффекты в жидких кристаллах. — М.: Наука, 1989. — 208 с.
6. Khoo I.-C. Liquid Crystals. 2nd ed. — Wiley-Interscience, 2007. — 368 p.