Свойства жидких кристаллов и устройство ЖКИ

Все жидкие кристаллы состоят из молекул удлиненной формы, упорядоченное расположение которых обеспечивается относительно слабыми дальнодействующими силами. Поскольку межмолекулярные силы довольно малы, структура ЖК в значительной степени зависит от воздействия внешних факторов: температуры, механических деформаций, электрических и магнитных полей, ультразвука и т.п. Реакция ЖК на эти воздействия в основном проявляется в изменении их оптических свойств, т.е. изме­нении светопропускания, цвета, поляризации, что может использо­ваться для управления световым излучением, а также для приема, хранения и отображения информации.

Жидкокристаллическое состояние вещества, называемое мезофазой (промежуточной фазой), существует в определенном, четко ограниченном для каждого соединения, температурном интервале. В мезофазе вещество по механическим свойствам относится к жидкостям, т.е. характеризуется текучестью, поверхно­стным натяжением и вязкостью. Вместе с тем для ЖК в мезофазе характерны дальний ориентационный порядок молекул и анизотропия (неодинаковость по разным направлениям) магнитных, диэлектрических и оптических свойств, присущие кристаллам.

Жидкости, кристаллы и жидкие кристаллы различаются степенью свободы молекул. В жидкости молекулы подвижны в трех измерениях и могут вращаться вокруг трех взаимно-перпендикулярных осей. В кристаллах молекулы фиксированы и вращение их невозможно. В жидких кристаллах молекулы подвижны в двух измерениях и могут вращаться вокруг одной оси. При изменении температуры меняется структура ЖК. При низких температурах центры их молекул образуют кристаллическую решетку, а молекулярные оси имеют однородную ориентацию. При повышении температуры происходит плавление, т.е. вместо трехмерной кри­сталлической решетки образуется одномерная. При дальнейшем повышении температуры полностью исчезает дальний координационный порядок молекул, но сохраняется их дальний ориентационный порядок, т.е. локальная однородная ориентация длинных осей. При еще более высокой температуре происходит полное плавление и образуется изотропная жидкость.

Температуру перехода вещества из кристаллической фазы в мезофазу называют температурой плавления (Т пл), а температуру, при которой вещество из мезофазы переходит в обычное жидкое состояние, — температурой просветления (Т пр). Последняя так называется потому, что в мезофазе в той или иной степени вещества рассеивают свет и являются мутными, а в истинно жидком состоянии они прозрачны.

Температуры Т пли Т примеют широкий диапазон: от -20 до 250°C. Температурные интервалы существования мезофаз (Δ Т = Т пл- Т пр) у ЖК и их смесей самые разные: у одних веществ они достаточно велики (20…70°C), а у других — очень малы (2…7°С).

Свойства ЖК обусловлены строенпием их молекул, имеющих удлиненную (палочкообразную) форму. В зависимости от взаимного расположения молекул ЖК подразделяют на смектические, нематические и холестерические.

В смектических жидких кристаллах молекулы расположены параллельно и имеют упорядоченную структуру, т.е. упорядоченную ориентацию длинных осей и центров тяжести молекул. Такие ЖК соответствуют двумерным кристаллам.

В нематических жидких кристаллах молекулы расположены параллельно, но их центры тяжести смещены относительно друг друга. Такие ЖК соответствуют одноосным кристаллам и являются менее упорядоченными по сравнению со смектическими. Весь их объем состоит из областей, различающихся направлением ориентации осей молекул. Поэтому нематические ЖК сильно рассеивают свет, т.е. являются мутными на просвет и в отраженном свете. Вместе с тем их молекулы легко поддаются ориентации электрическим полем, и, следовательно, ЖК просветляются под его действием. При этом соответствующим расположением электродов можно добиться планарной (плоской) ориентации молекул (т.е. параллельно ограничивающим пластинам) и гомеотропной (перпендикулярно ограничивающим пластинам).

Холестерические жидкие кристаллы являются разновидностью нематических. Они характеризуются спиральным закручиванием направлений ориентации молекул в различных плоскостях, параллельных плоскостям ограничивающих пластин. При этом наблюдается также вращение плоскости поляризации проходящего света. Шаг спирали, или период повторения ориентации молекул, составляет от 0,2 до 20 мкм. Используя пленочные поляризаторы на входе и выходе жидкокристаллической пластины, можно получать ее просветление при подаче напряжения, причем проходящий свет будет иметь характерную окраску.

Жидкие кристаллы представляют собой различные соединения органических веществ, имеющих структуру длинных молекул с двойной связью. В настоящее время известно много таких веществ и они хорошо изучены. Разработаны также методы их синтеза и очистки. В основном в индикаторах используются ЖК, имеющие нематическую фазу в области температур эксплуатации приборов: от -10 до +60°С. Для получения таких ЖК подобраны соединения веществ с разными свойствами. В некоторых случаях (например, для создания нужного цвета ЖК) используются легирующие цветовые добавки (присадки) в количестве до 3…5% от объема ЖК.

Холестерические кристаллы имеют собственные цвета: от синего до желтого и красного. При смешивании нематических кристаллов с холестерическими полученная смесь приобретет свойства последних, т.е. будет обладать оптической активностью. Обычно смеси нагревают до температуры, на 10…20°С превышающей температуру просветления, для обеспечения полного перемешивания и получения однородного соединения.