Ориентационные эффекты в жидких кристаллах

Нематики. Как указывалось выше, в исходном состоянии пленки жидких кристаллов по своим свойствам разбиты на отдельные домены, в пределах ко­торых ориентация длинных осей молекул постоянна. Для научных исследований и прак­тических применений необхо­димы однодоменные пленки. Это предполагает, что за счет Рис.55 специально принятых мер все

молекулы жидкокристаллического образца нематика ориентированы одинако­вым образом. Существуют две основных ориентации молекул нематика: вдоль поверхности и перпендикулярно ей. В соответствии с этим используют два типа жидкокристаллических ячеек, показанные на рис. 55. Здесь 1 - верхняя опорная поверхность ячейки, 2 - нижняя опорная поверхность, которые обычно изготав­ливают из прозрачного стекла. Пленка нематика - 3 помещается между опор­ными поверхностями. Ячейку, показанную в левой части рис. 55, называют планарной, а показанную в правой части рис. 65 - гомеотропной. Для полу­чения планарной ячейки внутренние поверхности стекол, контактирующие с жидким кристаллом, подвергают механической шлифовке в одном направле­нии, в результате которой на поверхности стекла остаются микроборозды. Мо­лекулы нематика «ложатся» в эти борозды, образуя строго ориентированный поверхностный слой нематика планарной структуры. Ввиду действия сил связи молекулы соседних слоев перенимают ориентацию граничного слоя, передавая его в объем жидкого кристалла. Силы упругости между молекулами стремятся разрушить этот порядок. Поэтому существует некоторое расстояние, при уда­
лении на которое от поверхности ориентирующее действие опорной поверхно­сти и разориентирующее влияние упругих сил уравновешивают друг друга. Это расстояние называется когерентной длиной и для жидких кристаллов состав­ляет величину несколько микрон. Поэтому, если толщина слоя нематика неве­лика - до единиц микрон, то разориентирующее действие упругих сил, тепло­вого движения слабое, и в объеме жидкого кристалла его молекулы (на рисунке они показаны в виде коротких линий между стеклами) сориентированы вдоль поверхности ячейки.

Для получения гомеотропной ячейки внутренние поверхности стекол обрабатывают в специальном химическом веществе - поверхно­стно-активном веществе. Молекулы этого веще­ства также имеют вытянутую форму и при об­работке одним концом «приклеиваются» к об­рабатываемым поверхностям (см. рис. 56). Мо­лекулы жидкого кристалла входят в простран- Рис. 56 ство между молекулами поверхностно-

активного вещества, ориентируясь перпендикулярно поверхности ячейки. Сле­дующие слои молекул нематика, стремясь минимизировать свою потенциаль­ную энергию по отношению к молекулам соседнего слоя жидкого кристалла, выстраиваются также перпендикулярно стеклам.

I iti I /

Переход Фредерикса. Для технических применений жидких кристаллов важной является возможность изменять ориентацию молекул путем приложе­ния, например, электрического поля, которое обычно прикладывают перпенди­кулярно поверхностям ячеек. Важной особенностью нематиков является раз­личное значение его диэлектрической проницаемости s, измеренной вдоль осей молекул и перпендикулярно им. Поэтому при помещении нематика в постоян­ное электрическое поле из-за анизотропии диэлектрической проницаемости его молекулы стремятся ориентироваться так, чтобы направление большего значе­ния s совпадало с направлением приложенного поля. Значит, исходная планар-
ная структура нематика в электрическом поле может перейти в гомеотропную или наоборот. Эффект изменения структуры нематика во внешнем электричеотом поле называют переходом Фредерикса. Общим свойством пе­реориентации нематика под действием внешнего поля является ее пороговый характер. Критическое значение электрического поля, при котором совершает­ся переход Фредерикса, вычисляется по следующей формуле:

= £( ^К f,

^c d { As J

где d - толщина слоя жидкого кристалла, K - его коэффициент упругости, As = s\\ - s_l анизотропия диэлектрической проницаемости жидкого кристалла.

Здесь S|| - диэлектрическая проницаемость жидкого кристалла, когда поляри­зация света параллельна директору, Sj_ - диэлектрическая проницаемость жид­кого кристалла, когда поляризация света перпендикулярна директору. Из этого выражения следует, что критическое напряжение, прикладываемое к слою не- матика для его переориентации, не зависит от толщины d:

„c = . (7.1)

Подставив в выражение (7.1) типичные значения: К = 10^-6 дин, As « 3, получим, что V_c « 2 В. Выше этого значения напряжения на ячейке изменения структуры быстро достигают насыщения.

Ориентационное действие электрического поля величиной E проявляется на протяжении электрической когерентной длины, отсчитываемой от опор­ной поверхности,

*=E fAKf. (7.2)

Подставив в это выражение типичные значения: К = 10^-6 дин, As « 3 и E = 10³ В/см, получим, что ~ 10 мкм. Следовательно, в практических приложениях
пленки нематика должны иметь толщину значительно больше двух электриче­ских когерентных длин, что соответствует десяткам микрон.

Если увеличивать напряжение на ячейке выше порога Фредерикса, то вблизи десятка вольт структура нематика претерпевает следующее скачкооб­разное изменение: вдоль поверхности ячейки образуются круговые потоки мо­лекул нематика, что формирует структуру типа упорядоченного слоя вращающихся цилиндров. Это так называемые домены Капустина-Вильямса. Их возникновение обусловлено проявлением ионной прово­димости жидкого кристалла в электриче­ском поле: ионы движутся к противопо­ложно заря-женной опорной поверхности, где и меняют заряд. Затем ионы движутся в обратном направлении и все повторяется на другой опорной поверхности. И так много раз. Из-за изменения ориентации молекул в пределах домена он вы­ступает как неоднородность диэлектрической проницаемости s. Рисунок 57 по­ясняет возникновение доменов (окружности в центре рисунка с указанным на­правлением вращения ионов молекул в домене), изменения показателя прелом­ления из-за изменения в пространстве ориентации директора в домене (сину­соидальная линия в центре рисунка), а также причину дифракции света при прохождении им слоя нематика с доменами.

п i \

*

	X

Свет Рис. 57

Дальнейшее повышение напряжение на ячейке приводит к сначала к уве­личению их числа в направлении действия электрического поля, а затем к раз­рушению доменов и появлению хаотических турбулентных потоков в слое не- матика. В результате такого состояния структуры жидкого кристалла он рас­сеивает падающий на него свет равномерно во все стороны. Поэтому данное состояние нематика называют динамическим рассеянием света, при котором рассеяние падающего света происходит во всех направлениях, что облегчает визуальное наблюдение измененного состояния жидкого кристалла.

Перечисленные структурные состояния нематика в электрическом поле могут быть использованы в электронике: для отображения и хранения инфор­мации, преобразования световых потоков и т.д.

Холестерики. Следует заметить, что шаг холестерической спирали чув­ствителен к электрическому полю, температуре, химическим примесям на по­верхности холестерика, радиационному излучению и т.д.: при приложении, на­пример, электрического поля шаг спирали увеличивается с ростом величины поля. При приближении к некоторому пороговому напряжению (несколько вольт) шаг холестерической спирали начинает резко увеличиваться, а при поро­говом напряжении

(7.3)

As

Г п² Л г 4Ж Л¹²

^EP =

2Р0

у

спираль вообще распрямляется. В результате этого холестерик переходит в не- матик. Здесь Р0 - шаг холестерической спирали в отсутствие воздействия, ко­торый обычно выбирают в десятки раз меньше толщины слоя жидкого кристал­ла. Поэтому значение E _p оказывается больше, чем поле, необходимое для пе­рехода Фредерикса. Если продолжать увеличивать напряжение на пленке холе- стерика, то далее можно обнаружить те же структурные преобразования, о ко­торых говорилось при обсуждении свойств нематика: домены Капустина- Вильямса, динамическое рассеяние.

Поведение холестерика в электрических полях сложнее нематика. Так, динамическое рассеяние в холестериках может обладать эффектом памяти: рас­сеивающее состояние холестерика сохраняется в течение длительного времени после снятии поля. Время памяти, т.е. сохранения рассеивающего состояния, зависит от свойств конкретного холестерика и может колебаться от минут до нескольких лет. Наложение переменного электрического поля возвращает хо- лестерик в исходное состояние.