Жидкие кристаллы

   ВВЕДЕНИЕ.

Сенсация года. Некоторое время тому назад необычВнной популярностью в США пользовалась новинка ювеВнлирного производства, получившая название Влперстень настроенияВ». За год было продано 50 миллионов таких перстней, т. е. практически каждая взрослая женщина имела это ювелирное изделие. Что же привлекло внимаВнние любител и бижутерии к этому перстню? Оказывается, он обладал совершенно мистическим свойством реагироВн вать на настроение его владельца. Реакция состояла в том, что цвет камешка перстня следовал за настроением влаВндельца, пробегая все цвета радуги от красного до фиоВнлетового. Вот это сочетание таинственного свойства угаВндывать настроение, декоративность перстня, обеспечиВнваемая яркой и меняющейся окраской камешка, плюс низкая цена и обеспечили успех перстню настроения.

Пожалуй, именно тогда впервые широкие массы столВнкнулись с загадочным термином Влжидкие кристаллыВ». Дело в том, что каждому владельцу перстня хотелось знать его секрет слежения за настроением. Однако ниВнчего толком не было известно, говорилось, только, что камешек перстня сделан на жидком кристалле. Для читаВнтеля, который знаком с жидкими кристаллами, нужно сдеВнлать уточнение тАФ на холестерическом жидком кристалле, а секрет перстня настроения связан с его удивительными оптическими свойствами. Тем, который только слышал о жидких кристаллах, а может быть, и не слышал о них вообще, чтобы раскрыть секрет перстня настроеВнния, необходимо сначала познакомиться с тем, что такое жидкие кристаллы, и тогда он узнает не только о том, как жидкие кристаллы позволяют следить за настроениВнем человека, но и о многих других удивительных их свойствах и практических применениях.

  Зачем нужны ЖК. Все чаще на страницах научных, а последнее время и научно-популярных журналов появВнляется термин Влжидкие кристаллыВ» (в аббревиатуре ЖК) и статьи, посвященные жидким кристаллам. В повсе. дневной жизни мы сталкиваемся с часами, термометраВнми на жидких кристаллах. Что же это за вещества с таВнким парадоксальным названием Влжидкие кристаллыВ» и почему к ним проявляется столь значительный интерес? В наше время наука стала производительной силой, и поэтому, как правило, повышенный научный интерес к тому или иному явлению или объекту означает, что это явление или объект представляет интерес для материальВнного производст ва.  В этом отношении не являются исВнключением и жидкие кристаллы. Интерес к ним прежде всего обусловлен возможностями их эффективного приВнменения в ряде отраслей производственной деятельноВнсти. Внедрение жидких кристаллов означает экономичеВнскую эффективность, простоту, удобство.

Прежде чем рассказывать о конкретных областях применения жидких кристаллов, необходимо сказать неВнсколько общих слов о том, что же это все-таки такое тАФ жидкие кристаллы.  Тем более, что этому пока что не учат ни в школе, ни в вузе, а ожидается, что в ближайВншее время изделия, содержащие жидкокристаллические элементы,   будут так же широко распространены, как устройства, содержащие электронные лампы или транзиВнсторы.

Жидкий кристалл тАФ это специфическое агрегатное соВнстояние вещества, в котором оно проявляет одновреВнменно свойства кристалла и жидкости. Сразу надо оговоВнриться, что далеко не все вещества могут находиться в жидкокристаллическом состоянии. Большинство веществ может находиться только в трех, всем хорошо известных агрегатных состояниях: твердом или кристаллическом, жидком и газообразном.   Оказывается,   некоторые органические вещества, обладающие сложными молекуВнлами, кроме трех названных состояний, могут образовыВнвать четвертое агрегатное состояние тАФ жидкокристаллиВнческое.  Это состояние осуществляется при плавлении кристаллов некоторых веществ. При их плавлении обра Внзуется жидкокристаллическая фаза,  отличающаяся от обычных жидкостей. Эта фаза существует в интервале от температуры плавления кристалла до некоторой более высокой температуры, при нагреве до которой жидкий кристалл переходит в обычную жидкость.Чем же жидкий кристалл  отличается от жидкости и обычного кристалла и чем похож на них? Подобно обыч ной жидкости, жидкий кристалл обладает текучестью и принимает форму сосуда, в который он помещен. Этим он отличается от известных всем кристаллов. Однако несмотря на это свойство, объединяющее его с жидВнкостью, он обладает свойством, характерным для криВнсталлов. Это тАФ упорядочение в пространстве молекул, образующих кристалл. Правда, это упорядочение не таВнкое полное, как в обычных кристаллах, но тем не менее оно существенно влияет на свойства жидких кристаллов, чем и отличает их от обычных жидкостей. Неполное проВнстранственное упорядочение молекул, образующих жидВнкий кристалл, проявляется в том, что в жидких кристалВнлах нет полного порядка в пространственном располоВнжении центров тяжести молекул, хотя частичный порядок может быть. Это означает, что у них нет жесткой криВнсталлической решетки. Поэтому жидкие кристаллы, поВндобно обычным жидкостям, обладают свойством текучеВнсти.

Обязательным свойством жидких кристаллов, сблиВнжающим их с обычными крис1аллами, является наличие порядкаВ» пространственной ориентации молекул. Такой порядок в ориентации может проявляться, например, в том, ^4то все длинные оси молекул в жидкокристалличеВнском образце ориентированы одинаково. Эти молекулы должны обладать вытянутой формой. Кроме простейшеВнго названного упорядочения осей молекул, в жидком кристалле может осуществляться более сложный ори-ентационный порядок молекул.

В зависимости от вида упорядочения осей молекул жидкие кристаллы разделяются на три разновидности: нематические, смектические и холестерические.

Исследования по физике жидких кристалло в и их приВнменениям в настоящее время ведутся широким фронВнтом во всех наиболее развитых странах мира. ОтечественВнные исследования сосредоточены как б академических, так и отраслевых научно-исследовательских учреждени Внях и имеют довние традиции. Широкую известность и призна ние получили выполненные еще в тридцатые годы в Ленинграде работы В. К. Фредерикса к В. Н. Цветкова В последние годы бурного изучения жидких кристаллов отечественные исследователи также вносят весомый вклад в развитие учения о жид ких крис таллах в целом и, в частности, об оптике жидких кристаллов. Так, работы И. Г. Чистякова, А. П. Капустина, С. А. Бразовского, С. А. Пикина, Л. М. Блинова и многих других советских исслеВндователей широко известны научной общественности и служат фундаментом ряда эффекгивных гехнических приложений жидких кристаллов [ 1тАФ4 ].

Об успехах отечественной промышленности в освоеВннии выпуска продукции, в которой существенным элеменВнтом являются жидкие кристаллы, говорит присуждение в 1983 году Государственной премии СССР большой групВнпе работников науки и техники за разработку и внедреВнние в народное хозяйство индикаторных устройств. ОсВнновными элементами этих индикаторных устройств, соВнвершенные тех нические характеристики которых послуВнжили основанием для присуждения премии, являются жидкокристаллические вещества. Присуждение  этой премии символизирует плодотворный союз науки и проВнизводства в деле технических приложений жидких криВнсталлов. Тут же следует сказать, что среди лауреатов, представителей науки, тАФ В. Н. Цветков, ветеран научных исследований жидких кристаллов.

Немного истории. Пока мы просто декл арировали неВнобычные свойства жидких кристаллов. Как же они были обнаружены? Ведь, не обладая современной огромной информацией о строении материи, очень трудно повеВнрить, что такие, казалось бы, взаимно исключающие друг друга свойства могут проявляться у одного вещества. Поэтому, вероятно, исследователи уже очень давно сталВнкивались с жидкокристаллическим состоянием, но не отВндавали себе в этом отчета. Тем не менее существование жидких кристаллов было установлено очень давно, почти столетие тому назад, а именно в 1888 году.

Первым, кто обнаружил жидкие кристаллы, был австВнрийский ученый-ботаник Рейнитцер. Исследуя новое синВнте зированное им вещество холестерилбензоат, он об наВнружил, что при температуре 145В° С кристаллы этого веВнщества плавятся, образуя мутную сильно рассеивающую свет жидкость. При продолжении нагрева по достижении температуры 179В°С жидкость просветляется, т. е. начинаВнет вести себя в оптическом отноше нии, как обычная жидкость, например вода. Неожиданные свойства холе -стерилбензоат обнаруживал в мутной фазе РассматриВнвая эту фазу под поляризационным микроскопом, РейВннитцер обнаружил, что она обладает двупреломлением. Это означает, что показатель преломления света, т. е скорость света е этой фазе, зависит от поляризации.

Напомним, что линейно поляризованным светом, или как часто говорят, поляризованным светом, называют свет (электромагнитную волну), электрическое поле коВнторой в процессе распространения остается лежащим в некоторой неизменной в пространстве плоскости. Эту плоскость принято называть плоскостью поляризации света. А указания ориентации в пространстве этой плоВнскости достаточно для описания линейной поляризации света. Поскольку в плоскости поляризации лежит и наВнправление распространения волны, то для задания лиВннейной поляризации достаточно одного параметра, а именно угла (р, определяющего ориентацию этой плоВнскости в пространстве (ее вращения вокруг направления распространения волны, см. рис. 1).

Явление двупреломлениятАФэто типично кристалличеВнский эффект, состоящий в том, что скорость света в криВнсталле зависит от ориентации плоскости поляризации света. Существенно, что она достигает экстремального максимального и минимального значений для двух взаВнимно ортогональных ориентаций плоскости поляризации. Разумеется, ориентации поляризации, соответствующие экстремальным значениям скорости свете в кристалле, определяются анизотропией свойств кристалла и одноВнзначно задаются ориентацией кристаллических осей отноВнсительно направления распространения света.

Поэтому сказанное поясняет, что существование двуВнпреломления в жидкости, которая должна быть изотропВнной, т. е. что ее свойства должны быть независящими от направления, представлялось парадоксальным. Наиболее правдоподобным в то время могло казаться наличие в мутной фазе нерасплавившихся малых частичек кри* сталла, кристаллитов, которые и являлись источником двупреломления. Однако более детальные исследования, к которым Рейнитцер привлек известного немецкого фиВнзика Лемана, показали, что мутная фаза не является двухВнфазной системой, т. е. не содержит в обычной жидкости кристаллических включений, а является новым фазовым состоянием вещества. Этому фазовому состоянию Ле-ман дал название Влжидкий кристаллВ» в связи с одновреВнменно проявляемыми им свойствами жидкости и кристалВнла. Употребляется также и другой термин для названия жидких кристаллов. Это тАФ ВлмезофазаВ», что буквально означает Влпромежуточная фазаВ».

В то время существование жидких кристаллов предВнставлялось каким-то курьезом, и никто не мог предполоВнжить, что их ожидает почти через сто лет большое будуВнщее в технических приложениях. Поэтому после некотоВнрого интереса к жидким кристаллам сразу после их отВнкрытия о них через некоторое время практически заВнбыли.

Тем не менее уже в первые годы были выяснены мноВнгие другие удивительные свойства жидких кристаллов. Так, некоторые виды жидких кристаллов обладали неВнобычно высокой оптической активностью

Оптической активностью называют способность некоВнторых веществ вращать плоскость поляризации проходяВнщего через них света. Это означает, что линейно поляВнризованный свет, распространяясь в таких средах, измеВнняет ориентацию плоскости поляризации. Причем угол поворота плоскости поляризации прямо пропорциока-лен пути L, пройденному светом, т. е. выражается форВнмулой (р==(ра^, где величина q)a определяет угол повороВнта на единичном пути и называется удельной вращательВнной способностью.

Было удивительным не только то, что величина враВнщательной способности q)a для жидких кристаллов могла в сотни и тысячи раз превосходить эту величину для наиВнболее оптически активных кристаллов, гаких, как, наприВнмер, кварц, но и то, что зависимость вращения плоскости поляризации от длины волны света в жидких кристаллах была совершенно необычной.

Так, в твердых телах, как, впрочем, и в обычных жидВнкостях, удельная вращательная способность (ра имеет вполне определенный, независящий от длины волны свеВнта знак. Это означает, что вращение плоскости поляриВнзации света в них происходит в определенном направлеВннии. Против часовой стрелки при положительном фа и по часовой стрелке при отрицательном (ра. При этом подраВнзумевается, что наблюдение за вращением плоскости поВнляризации осуществляется вдоль направления распростВнранения света. Поэтому все оптически активные вещеВнства подразделяются на правовращающие, если вращеВнние происходит по часовой стрелке, и левовращающиетАФ-против часовой стрелки.

В случае оптически активных жидких кристаллов таВнкая классификация сталкивалась с трудностями. Дело в том, что направление (знак) вращения в жидких кристалВнлах зависело от длины волн света (рис. 2). Для коротких длин волн величина (ра, например, могла быть положиВнтельной, а для более длинноволнового светатАФотрицаВнтельной. А могло быть и наоборот. Однако характерным для всех случаев было изменение знака вращения плосВнкости поляризации в зависимости от длины волны света, или, как говорят, инверсия знака оптической активности. Такое поведение вращения плоскости поляризации соВнвершенно не укладывалось в рамки существовавших представлений об оптической активности

Удивительными были также и другие свойства, такие, как сильная температурная зависимость названных хаВнрактеристик, их очень высокая чувствительность к внешВнним магнитным и электрическим полям и т д. Но прежде чем пытаться объяснить перечисленные свойства, необВнходимо понять, как устроены жидкие кристаллы, и, в частности, ознакомиться с их структурными свойствами, ибо в конечном итоге для объяснения описанных свойств наиболее существенными оказываются именно структурВнные характеристики жидких кристаллов.

Здесь следует сказать, что в конце девятнадцатого тАФ начале двадцатого века многие очень авторитетные уие-ные весьма скептически относились к открытию Рейнит-цера и Лемана. (Имя Ломана также можно по праву свяВнзывать с открытием жидких кристаллов, поскольку он очень активно участвовал в первых исследованиях жид ких кристаллов, и даже самим термином Влжидкие криВнсталлыВ» мы обязаны именно ему.) Дело в том, что не только описанные противоречивые свойства жидких криВнсталлов представлялись многим авторитетам весьма соВнмнительными, но и в том, что свойства различных жидкоВнкристаллических веществ (соединений, обладавших жидВнкокристаллической фазой) оказывались существенно разВнличными. Так, одни жидкие кристаллы обладали очень большой вязкостью, у других вязкость была невелика. Одни жидкие кристаллы проявляли с изменением темВнпературы резкое изменение окраски, так что их цвет пробегал все тона радуги, другие жидкие кристаллы таВнкого резкого изменения окраски не проявляли. Наконец, внешний вид образцов, или, как принято говорить, текВнстура,  различных жидких кристаллов при рассматриваВннии их под микроскопом оказывался совсем различным. В одном случае в поле поляризационного микроскопа могли быть видны образования, похожие на нити, в друВнгом тАФ наблюдались изображения, похожие на горный рельеф, а в третьем тАФ картина напоминала отпечатки пальцев (см. рисунки на обложке). Стоял также вопрос, почему жидкокристаллическая фаза  наблюдается при плавлении только некоторых веществ?

Вот в таких условиях скептицизма со стороны многих авторитетов и изобилия противоречивых фактов вели свои работы первые, тогда немногочисленные, исследоВнватели жидких кристаллов, настоящие энтузиасты своего дела. К их числу следует отнести немецкого химика Д. Форлендера, который в начале двадцатого века в уни верситетском городе Галле совместно со своими учениВнками изучал химию жидких кристаллов. Он пытался отвеВнтить на вопрос, какими свойствами должны обладать моВнлекулы вещества, чтобы оно имело жидкокристалличеВнскую фазу. Форлендер нашел большое количество новых соединений, обладающих жидкокристаллической фазой, и внимательно исследовал свойства молекул соВнответствующих соединений, в частности структурные. В результате его работ стало ясно, что жидкие кристаллы образуют вещества, молекулы которых имеют удлиненВнную форму (рис. 3).

  Время шло, факты о жидких кристаллах постепенно накапливались, но не было общего принципа, который позволил бы установить какую-то систему в представлеВнниях о жидких кристаллах. Как говорят, настало время для классификации предмета исследований. Заслуга в создании основ современной классификации жидких криВнсталлов принадлежит французскому ученому Ж. Фриделю.В двадцатые годы Фридель предложил разделить все жидкие кристаллы на две большие группы. Одну группу жидких кристаллов Фридель назвал нематическими, друВнгую смектическими. (Почему такие на первый взгляд неВнпонятные названия дал Фридель разновидностям жидких кристаллов, будет понятно несколько ниже.) Он же предВнложил общий термин для жидких кристаллов тАФ Влмезо морфная фазаВ». Этот термин происходит от греческого слова ВлмезосВ» (промежуточный), а вводя его, Фридель хотел подчеркнуть, что жидкие кристаллы занимают проВнмежуточное положение между истинными кристаллами и жидкостями как по температуре, так и по своим физиВнческим свойствам. Нематические жидкие кристаллы в классификации Фриделя включали уже упоминавшиеся выше холестерические жидкие кристаллы как подкласс. Когда классификация жидких кристаллов была создаВнна, более остро встал вопрос: почему в природе реализуВнется жидкокристаллическое состояние? Полным ответом на подобный вопрос принято считать создание микроскоВнпической теории. Но в то время на такую теорию не приВнходилось и надеяться (кстати, последовательной микроВнскопической теории ЖК не существует и по сей день), поэтому большим шагом вперед было создание чешским ученым X. Цохером и голландцем С. Озееном феномеВннологической теории жидких кристаллов, или, как ее приВннято называть, теории упругости ЖК. В 30-х годах в СССР В. К. Фредерике и В. Н. Цветков первыми изучили неВнобычные электрические свойства жидких кристаллов.Можно условно считать, что рассказанное выше отноВнсилось к предыстории жидких кристаллов, ко времени, когда исследования ЖК велись малочисленными коллекВнтивами. Современный этап изучения жидких кристаллов, который начался в 60-е годы и придал науке о ЖК сегодВнняшние формы, методы исследований, широкий размах работ сформировался под непосредственным влиянием успехов в технических прило жениях жидких кристаллов, особенно в системах отображения информации. В это время было понято и практически доказано, что в наш век микроэлектроники, характеризующийся внедрением микроминиатюрных электронных устройств, потребляюВнщих ничтожные мощности энергии для устройств индиВнкации информации, т. е. связи прибора с человеком, наиВнболее подходящими оказываются индикаторы на ЖК. Дело в том, что такие устройства отображения инфорВнмации на ЖК естественным образом вписываются в энерВнгетику и габариты микроэлектронных схем. Они потребВнляют ничтожньсг мощности и могут быть выполнены в виде миниатюрных индикаторов или плоских экранов. Все это предопределяет массовое внедрение жидкокристалВнлических индикаторов в сист емы отобр ажения информаВнции, свидете лями которого мы являемся В» настоящее время. Чтобы осознать этот процесс, достаточно вспомВннить о часах или микрокалькуляторах с жидкокристаллиВнческими индикаторами. Но это только начало. На смену традиционным и привычным устройствам идут жидкоВнкристаллические системы отображения информации.jkbk часто бывает, технические потребности не только стимулируют разработку проблем, связанных с практиВнческими приложениями, но и часто заставляют переосВнмыслить общее отношение к соответствующему разделу науки. Так произошло и с жидкими кристаллами. Сейчас понятно, что это важнейший раздел физики конденсироВнванного состояния.

  ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ тАФ НОВОЕ СОСТОЯНИЕ ВЕЩЕСТВА.

Многообразие жидких кристаллов. Теперь обратим внимание на то, что сказать о каком-то вещестВнве: просто жидкий кристалл, это еще слишком мало. И если неспециалистов вполне удовлетворяет общий терВнмин жидкий кристалл, то специалисту требуется дать боВнлее детальную информацию. Здесь ситуация похожа на ту, которая возникла бы с вами в столовой или рестораВнне, если бы вам в качестве третьего блюда предложили бы просто жидкость, не конкретизируя, что это такое. НеВнсомненно, большинство из вас такое общее определение третьего блюда не удовлетворило бы, и каждый в завиВнсимости от своего вкуса потребовал бы что-либо более определенноетАФчай, кофе, молоко и т. д. Так же дело обстоит для специалистов и с жидкими кристаллами, поВнскольку под этим термином, как уже бегло говорилось выше, скрывается большое количество весьма отличаюВнщихся друг от друга жидкокристаллических фаз. Однако все характерные особенности этого фазового состояния вещества удобно рассмотреть сначала на примере одной разновидности жидких кристаллов стронция.

Нематики. Начнем описание устройства жидких криВнсталлов на примере наиболее простой и хорошо изученВнной их разновидности, нематических жидких кристаллов, или, как еще принято говорить, нематиков, Итак, кристаллы некоторых органических веществ при нагревании, прежде чем расплавиться и перейти в обычВнную жидкость, проходят при повышении температуры чеВнрез стадию жидкокристаллической фазы. Как мы увидим ниже, жидкокристаллических фаз может быть у одного и того же соединения несколько. Но сначала для того, чтоВнбы не осложнять знакомство с жидкокристаллической фазой несущественными здесь подробностями, рассмотВнрим наиболее простую ситуацию, когда соединение облаВндает одной жидкокристаллической фазой. В этом случае процесс плавления кристалла идет в .две стадии) Сначала при повышении температуры кристалл испытывает ВлперВнвое плавлениеВ», переходя в мутный расплав. Затем при дальнейшем нагреве  до вполне определенной темпеВнратуры происходит ВлпросветлениеВ» расплава. ВлПросветВнленный расплавВ» обладает всеми свойствами жидкостей. Мутный расплав, который и представляет собой жидко' кристаллическую фазу, по своим свойствам существенно отличается от жидкостей, хотя обладает наиболее харакВнтерным свойством жидкости тАФ текучестью. Наиболее резВнкое отличие жидкокристаллической фазы от жидкости проявляется в оптических свойствах. Жидкий кристалл, обладая текучестью жидкости, проявляет оптические свойства всем нам знакомых обычных кристаллов) -КемтАФ oiwpoJSyflef^icHO, наблюдаемая на.опыте мутность расВнплава как uaa'n является результатом такого удивительВнного сочетания свойств жидкости и кристалла.^

При понижении температуры все превращения проВнисходят в обратном порядке и точно при тех же темпеВнратурах, т. е. последовательность фаз такова: прозрачВнный расплав-смутный расплав-^кристалл или в принятых сокращениях ИЖ-^НЖК-^ТК. " Если все описанные превращения наблюдаются, наВнпример, для соединения птАФметонсйбензилидентАФп'тАФбу-тиланилин или, как принято сокращенно называть это соединение, МББА, то наблюдаемая жидкокристалличеВнская фаза называется нематической или просто немати-KOMj Смена же фазовых состояний характеризуется слеВндующими температурами. Температура первого плавлеВнния Гя,=21В°С. Ниже ТдМББА находится в обычном криВнсталлическом состоянии. От Т^ до температуры просветВнления 7^==41В°С МББА обладает нематической жидкоВнкристаллической фазой, и выше Тм тАФ обычная (изотропВнная) жидкость. Интервал температур от Гд, до tn для различных веществ может быть от единиц до сотни гра дусов. Типичное же значение этого интервала тАФ порядка нескольких десятков градусов.

Для того чтобы разобраться, как устроена жидкокриВнсталлическая фаза и чем она отличается от обычной жидВнкости или, как мы иногда будем дальше говорить, от изотропной жидкости *, нужно обратить внимание на форВнму молекул соединения, образующего жидкокристаллиВнческую фазу.

^ Чтобы схематично представить себе устройство нематика,  удобно образующие его молекулы представить в виде палочек. Для такой идеализации есть физические основания. Молекулы, образующие жидкие кристаллы, как уже говорилось, представляют собой типичные для многих органических веществ образования со сравниВнтельно большим молекулярным весом, протяженности которых в одном направлении в 2тАФ3 раза больше, чем в поперечном. Структура молекулы типичного нематика приведена на рис. 3. Можно считать, что направление введенных нами палочек совпадает с длинными осями моВнлекул. При введенной нами идеализации структуру немаВнтика следует представлять как Влжидкость одинаково ориВнентированных палочекВ». Это означает, что центры тяжеВнсти палочек расположены и движутся хаотически, как в жидкости, а ориентация при этом остается у всех палочек  одинаковой и неизменной (см. рис. 4).

Напомним, что в обычной жидкости не только центры тяжести молекул движутся хаотически, но и ориентации выделенных направлений молекул совершенно случайны

и не скоррелированны между собой. А в качестве выдеВнленных направлений в молекуле могут выступать различВнные величины, например, электрический дипольный моВнмент, магнитный момент или, как в рассматриваемом наВнми случае, анизотропия формы, характеризуемая выдеВнленными направлениями или, как говорят, осями. В свяВнзи с описанным полным хаосом в жидкости жидкость (даже состоящая из анизотропных молекул) изотропна, т. е. ее свойства не зависят от направления.

На самом деле, конечно, молекулы нематика подверВнжены не только случайному поступательному движению, но и ориентация их осей испытывает отклонения от наВнправления, определяющего ориентацию палочек в расВнсматриваемой нами жидкости. Поэтому направления паВнлочек задают преимущественную, усредненную ориентаВнцию, и реально молекулы совершают хаотические ориентационные  колебания вокруг этого направления усредВнненной ориентации. Амплитуда соответствующих ориен-тационных колебаний молекул зависит от близости жидВнкого кристалла к точке фазового перехода в обычную жидкость tn, возрастая по мере приближения темпераВнтуры нематика к температуре фазового перехода. В точВнке фазового перехода ориентационное упорядочение моВнлекул полностью исчезает и ориентационные движения молекул так же, как и трансляционные, оказываются полВнностью хаотическими.

В связи с описанной картиной поведения нематика его принято описывать следующим образом. Для характериВнстики ориентационного порядка вводится вектор единичВнной длины с, называемый директором, направление которого  совпадает с направлением введенных выше палочек.  Таким образом, директор задает выделенное, преВнимущественное, направление ориентации молекул в хоВнлестерине. Кроме того, вводится еще ОДНА величина, паВнраметр порядка, который характеризует, насколько велиВнка степень ориентационного упорядочения молекул или, что то же самое, насколько мала разупорядоченность ориентаций молекул. Параметр порядка определяется следующим образом:

S=^ВлcosВ»e>-73),             (1) где втАФугол между направлениями директора и мгно-

                       венным направлением длинной оси молекул, a тАв<cos*e>

                       обозначает среднее по времени значении cos'@.

Из формулы (1) ясно, что параметр 5 может принимать значения от 0 до 1. Значение -S==1 соответствует полному ориентационному  порядку. Причем .S==1 достигается, как неВнтрудно понять, если значение в не изменяется во времени и равно 0, т. е. если направление длинных осей молеВнкул строго совпадает с направлением директора. <S==0 означает полный ориентационный беспорядок. В этом случае угол 9 с равной вероятностью принимает значеВнния от 0 до л, a -<cos^9>=='/3. Значение S==0, таким образом, соответствует уже нематику, перешедшему в изотропную жидкость.

В нематической же фазе значение параметра порядка S^>0, минимально непосредственно при температуре пеВнрехода Т 14 из изотропной жидкости в нематическую фазу и возрастает по мере понижения температуры ниже tn' В целом же при изменении температуры происходит смеВнна следующих фазовых состояний. При температуре ниВнже точки перехода нематика в обыкновенный кристалл или, как ее называют, температуре плавления Тщ тАФ криВнсталлическое состояние. В интервале температур от Т м, до tnтАФнематический жидкий  кристалл. Выше tinтАФ обычная жидкость.

Пока что речь шла об однодоменном состоянии нема-тического образца, в котором ориентация директора одинакова во всех его точках, как изображено на рис. 4. В таком однодоменном образце нематика наиболее ярко проявляются его свойства, типичные для твердых криВнсталлов, в частности, двупреломление света. Последнее означает, что показатели преломления для света, плосВнкость поляризации которого перпендикулярна директору и плоскость поляризации которого содержит директор, указываются различными. Однако для того чтобы полуВннить однодоменный образец нематика, как, впрочем, и любых других разновидностей жидких кристаллов, необ ходимо принятие специальных мер, о которых будет расВнсказано ниже.

Если же не приняты специальные предосторожности, то жидкокристаллический образец представляет собой совокупность хаотическим образом ориентированных маВнлых однодоменных областей. Именно с такими образцаВнми, как правило, имели дело первые исследователи жидВнких кристаллов, и мутный расплав, возникавший после первого плавления МББА, о котором говорилось выше, и был образцом такого вида. На границах раздела различВнным образом ориентированных однодоменных областей в таких образцах происходит, как говорят, нарушение опВнтической однородности или, что то же самое, скачок значения показателя преломления. Это непосредственно следует из сказанного выше о двупреломлении однодоВнменного нематического образца и просто соответствует тому, что для света, пересекающего границу раздела двух областей с различной ориентацией директора, поВнказатели преломления этих областей различны, т. е. поВнказатель преломления испытывает скачок. А как хоВнрошо известно, на границе раздела двух областей с различными показателями преломления свет испыВнтывает отражение. С таким отражением каждый знаком на примере оконных стекол. Так же, как и в случае с оконным стеклом, на одной границе раздела (одном скачке оптической однородности) отражение света в нематике  может быть невелико, но если таких границ много (в образце много неупорядоченных однодоменных обВнластей), такие нерегулярные нарушения оптической одВннородности приводят к сильному рассеянию света. Вот почему нематики, если не принять специальных мер, сильно рассеивают свет. После первого плавления при температуре Тд, возникает мутный расплав.

Пока что речь шла о том, как выглядит нематик в неВнполяризованном свете. Очень интересную и своеобразВнную картину представляет нематик, если его рассматриВнвать в поляризованном свете и анализировать поляризаВнцию прошедшего через него света (см. рис. 5). На рис. 5 представлена схема такого опыта. Поляризатор Pi лиВннейно поляризует свет от источника света, а поляризаВнтор Pi пропускает только определенным образом линейВнно поляризованный свет, прошедший через нематический образец А. Картина, которую увидит наблюдатель в свеВнте, прошедшем через поляризатор, представляет собой

причудливую совокупность пересекающихся линий. Эти линии или, как их называют, нити и представляют собой изображение границ раздела между однодоменными обВнластями. А почему эти границы можно видеть или, как говорят, визуализовать, в поляризованном свете будет понятно из дальнейшего.

Наблюдениям этих нитей первыми исследователями нематик и обязан своему названию. Нема тАФэто по гречески нить. Отсюда и названиетАФнематический жидкий кристалл или нематик. Здесь же надо сказать, что реально наблюдения описанной картины нематика в связи с малостью размеров областей с одинаковой ориВнентацией директора осуществляются с помощью поляриВнзационного микроскопа.

Упругость жидкого кристалла. Выше в основном гоВнворилось о наблюдениях, связанных с проявлением неВнобычных оптических свойств жидких кристаллов. Первым исследователям бросались в глаза, естественно, свойства, наиболее доступные наблюдению. А такими свойствами как раз и были оптические свойства. Техника оптическоВнго эксперимента уже в девятнадцатом веке достигла выВнсокого уровня, а, например, микроскоп, даже поляризаВнционный, т. е. позволявший освещать объект исследоваВнния поляризованным светом и анализировать поляризаВнцию прошедшего света, был вполне доступным прибоВнром для многих лабораторий.

Оптические наблюдения дали значительное количестВнво фактов о свойствах жидкокристаллической фазы, коВнторые необходимо было понять и описать. Одним из первых достижений в описании свойств жидких кристалВнлов, как уже упоминалось во введении, было создание теории упругости жидких кристаллов. В современной форме она была в основном сформулирована английским ученым Ф. Франком в пятидесятые годы.

Постараемся проследить за ходом мысли и аргуменВнтами создателей теории упругости ЖК. Рассуждения быВнли (или могли быть) приблизительно такими. УстановлеВнно, что в жидком кристалле, конкретно нематике, сущестВнвует корреляция (выстраивание) направлений ориентаВнции длинных осей молекул. Это должно означать, что есВнли по какой-то причине произошло небольшое нарушеВнние в согласованной ориентации молекул в соседних точВнках нематика, то возникнут силы, которые будут старатьВнся восстановить порядок, т. е. согласованную ориента цию молекул. Конечно, исходной, микроскопической, причиной таких возвращающих сил является взаимодейВнствие между собой отдельных молекул. Однако надеятьВнся на быстрый успех, стартуя от взаимодействия между собой отдельных молекул, да еще таких сложных, как в жидких кристаллах, было трудно. Поэтому создание теоВнрии пошло по феноменологическому пути, в рамках коВнторого вводятся некоторые параметры (феноменологиВнческие), значение которых соответствующая теория не берется определить, а оставляет их неизвестными или изВнвлекает их значения из сравнения с экспериментом. При этом теория не рассматривает молекулярные аспекты строения жидких кристаллов, а описывает их как сплошВнную среду, обладающую упругими свойствами.

Для кристаллов существует хорошо развитая теория упругости. Еще в школе учат тому, что деформация тверВндого тела прямо пропорциональна приложенной силе и обратно пропорциональна модулю упругости К. ВозникаВнет мысль, если оптические свойства жидких кристаллов подобны свойствам обычных кристаллов, то, может быть, жидкий кристалл, подобно обычному кристаллу, обладаВнет и упругими свойствами. Может показаться на первый взгляд, что эта мысль совсем уж тривиальна. Однако не торопитесь с суждениями. Вспомните, что жидкий криВнсталл течет, как обычная жидкость. А жидкость не проявВнляет свойств упругости, за исключением упругости по отВнношению к всестороннему сжатию, и поэтому для нее модуль упругости по отношению к обычным деформациВням строго равен нулю. Казалось бы, налицо парадокс. Но его разрешение в том, что жидкий кристалл тАФ это не обычная, а анизотропная жидкость, т. е. жидкость, Вл.свойства  которой различны в различных направлениях.

Таким образом, построение теории упругости для жидких кристаллов было не таким уж простым делом и нельзя было теорию, развитую для кристаллов, непоВнсредственно применить к жидким кристаллам. Во-первых, Существенно, что, когда говорят о деформации в жидких кристаллах, то имеют в виду отклонения направления диВнректора от равновесного направления. Для нематика, наВнпример, это означает, что речь идет об изменении от Точки к точке в образце под влиянием внешнего воздейВнствия ориентации директора, который в равновесной сиВнтуации, т. е. в отсутствии воздействия, во всем образце ориентирован одинаково. В обычной же теории упруго сти деформации описывают смещение отдельных точек твердого тела относительно друг друга под влиянием приложенного воздействия. Таким образом, деформаВнции в жидком кристалле тАФ это совсем не те привычные всем деформации, о которых говорят в случае твердого тела. Кроме того, упругие свойства жидкого кристалла в общем случае следует рассматривать, учитывая его течеВнние, что также вносит новый элемент и тем самым усложВнняет рассмотрение по сравнению с обычной теорией упВнругости. Поэтому здесь ограничимся рассказом об упруВнгости жидких кристаллов в отсутствие течений.

Оказывается, любую деформацию в жидком кристалВнле можно представить как одну из трех допустимых в ЖК видов изгибных деформаций либо как комбинацию этих трех видов деформации. Такими главными деформаВнциями являются поперечный изгиб, кручение и продольВнный изгиб. Рис. 6, иллюстрирующий названные виды деВнформаций, делает понятным происхождение их названий.

В поперечном изгибе меняется от точки к точке вдоль оси образца на рис. 6, а направление, перпендикулярное (поВнперечное) директору, в продольном изгибе тАФ ориентаВнция директора, а в кручении происходит поворот дирекВнтора вокруг оси изображенного на рис. 6, б образца.

Коэффициенты пропорциональности между упругой энергией жидкого кристалла и деформациями изгибов называют упругими модулями. Таких упругих модулей в жидких кристаллах по числу деформаций три тАФK1, К2 и Кз. Численные значения этих модулей несколько отличаВнются друг от друга. Так, модуль продольного изгиба Кз обычно оказывается больше двух других модулей. Наименьшую упругость жидкий кристалл проявляет по отношению к кручению, т. е. модуль Кг, как правило, меньше остальных.

Такой результат качественно можно понять, вспомиВнная обсуждавшуюся выше модель нематика как жидкоВнсти ориентированных палочек. Действительно, чтобы осуществить продольный изгиб, надо прикладывать усиВнлия, которые стремятся изогнуть эти палочки (а они жестВнкие)). В деформации же кручения, например, происходит просто поворот палочек-молекул относительно друг друВнга, при этом не возникает усилий, связанных с деформаВнцией отдельной палочки-молекулы.

Поэтому и оказывается, что упругость по отношению к продольному изгибу (модуль Кз), больше упругости по отношению к кручению (модуль К2). Модуль же К) имеВнет промежуточную между К2 и Кз величину.

Чтобы сравнить упругость жидкого кристалла с упруВнгостью обычного кристалла, надо сравнить их упругие энергии, приходящиеся на единицу объема. При этом можно для качественной оценки пренебречь различием модулей поперечного, продольного изгиба и кручения и, вычисляя упругую энергию жидкого кристалла, испольВнзовать их среднее значение. Сравнение показывает, что упругая энергия твердого тела в типичной ситуации окаВнзывается по меньшей мере на десять порядков больше упругой энергии жидкого кристалла)))

Таким образом, теория упругости жидких кристаллов, описывающая их как сплошную среду, т. е. претендуюВнщая только на описание свойств ЖК, усредненных по расстояниям больше межмолекулярных, приводит к выВнводу, что минимальная энергия жидкого кристалла соотВнветствует отсутствию деформаций в нем. Для нематика таким состоянием с минимальной энергией или, как говоВнрят, основным состоянием является конфигурация с одинаковой ориентацией директора во всем объеме обВнразца. Любое отклонение распределения направлений директора от однородного (т. е. постоянного во всем объеме) связано с наличием в нематике дополнительной упругой энергии, т. е. может быть реализовано только за счет приложения внешних воздействий, например, свяВнзанных с поверхностями образца, внешними электричеВнскими и магнитными полями и т. д. В отсутствие этих возВндействий или при снятии их нематик стремится возвраВнтиться в состояние с однородной ориентацией дирекВнтора.

Континуальная теория применима для описания и других типов жидких кристаллов. Для них, однако, треВнбуются определенные модификации теории. Но об этом речь пойдет дальше.

Гидродинамика ЖК.Только что мы познакомились с упругими свойствами жидкого кристалла, сближающими его с твердыми телами. При этом обнаружились сущестВнвенные отличия его упругих свойств от свойств кристалВнла как в качественном, так и количественном отношении. Теперь познакомимся детально со свойством жидкого кристалла, типичным для жидкости, тАФ текучестью, изучеВннием которой занимается наука гидродинамика.

Сразу следует сказать, что несмотря на солидный возВнраст гидродинамики, одной из древнейших научных диВнсциплин, и большие достижения, в этой науке сущестВнвуют проблемы, не решенные до сих пор. К их числу относится проблема турбулентного, т. е. сопровождаюВнщегося нерегулярными вихрями, как в бурном потоке, течения жидкости. Эта проблема, находящаяся, кстати сказать, сейчас в центре внимания специалистов, не реВншена еще для самых обычных жидкостей, таких, как воВнда. А о полном описании турбулентного течения таких сложных сред, как жидкие кристаллы, пока что не идет и речи. Поэтому, говоря здесь о текучести жидких кристалВнлов, мы будем иметь в виду их спокойное течение, в котором  нет нерегулярных вихрей, или, как принято назыВнвать его, Влламинарное течениеВ».

Ламинарное течение обычных жидкостей хорошо изуВнчено. Основной характеристикой, определяющей течеВнние в этих условиях, является вязкость, свойство жидко стей, всем хорошо известное на практике. Так, каждый, не задумываясь, скажет, что у воды вязкость небольшая, у смазочных масел гораздо больше, а у смолытАФочень большая.

Вязкость характеризуется количественно коэффициВнентом вязкости т, который показывает, как сильно треВнние между соседними слоями текущей жидкости и наВнсколько интенсивно передается движение жидкости от одной ее точки к другой (см. рис. 7). Именно из-за вязВнкости при течении жидкости по трубе ее скорость непоВнсредственно на стенках трубы равна нулю, а в сечении трубы не постоянна, а возрастает по мере удаления от стенок, достигая максимума в центре.

Типичными задачами в течении жидкостей являются течение жидкости по трубе (например, нефтепродуктов в трубопроводе) и движение тела (например, шарика под действием силы тяжести) в жидкости. Понятно, что оба эти примера имеют непосредственное отношение к пракВнтическим задачам. Гидродинамика давно уже дала точВнное описание таких течений и, зная вязкость жидкости и давление, создаваемое насосными станциями, можно абВнсолютно точно рассчитать поток нефти в трубопроводе или скорость движения тела в жидкости. Для нас здесь важно то, что именно в таких условиях выполняют измеВнрение вязкости жидкостей. В соответствующих экспериВнментах трубу заменяют капилляром, а движущееся тело шариком, падающим под действием силы тяжести в жидкости.

Течение жидкости в капилляре описывается законом Пуазейля, названным так в честь французского ученого, открывшего эту закономерность. В соответствии с этим законом количество жидкости, протекающей через трубу (капилляр), прямо пропорционально разности давлений на концах трубы, второй степени площади сечения трубы и обратно пропорционально коэффициенту вязкости. Скорость движения шарика в жидкости описывается законом Стокса, названного так по имени английского фиВнзика девятнадцатого века, современника Пуазейля. Эта закономерность гласит, что скорость движения шарика в жидкости прямо пропорциональна приложенной к нему силе и обратно пропорциональна радиусу шарика и вязВнкости жидкости.

Обратим здесь внимание читателя на то, что в деВнвятнадцатом веке и ранее было часто принято многим установленным учеными соотношениям, даже не очень важным, давать громкое имя ВлзаконВ». В результате этой традиции появились приведенные выше термины тАФ заВнкон Пуазейля, закон Стокса и многие другие законы. Это не должно смущать читателя и вводить его в заблуждеВнние при оценке значимости названных соотношений по сравнению со знакомыми ему со школьной скамьи фунВндаментальными законами, например, законами механиВнки Ньютона или законами электромагнетизма Фарадея. Конечно, значимость соотношений, найденных Пуазей-лем и Стоксом, несравнима со значимостью фундаменВнтальных законов Природы, а установившаяся здесь терВнминологиятАФэто просто дань времени. По современной практике вместо слова ВлзаконВ» следовало бы употребить термин ВлформулаВ», т. е. формула Пуазейля, формула Стокса.

Названные закономерности, как будем их называть, после сделанного отступления прекрасно зарекомендоВнвали себя при определении вязкости жидкостей. В частВнности, экспериментально была подтверждена их справедВнливость и показано, что значение коэффициента вязкоВнсти т не зависит от скорости течения жидкости (скорости шарика), пока выполняются условия ламинарного течеВнния.

Приступая к изучению гидродинамики жидких криВнсталлов, исследователи начали с того, что просто примеВннили описанные методы измерения вязкости к жидким кристаллам. Такой подход ничего хорошего не дал. РеВнзультаты измерений вязкости не воспроизводились и заВнвисели, казалось бы, от случайных причин, таких, как предыстория образца, способа изготовления капилляров, применяемых в измерениях. Более того, некоторые изВнмерения показывали зависимость коэффициента вязкоВнсти от скорости течения жидкого кристалла. Эти первые результаты показали, что гидродинамика жидких кристалВнлов гораздо сложней и интересней, чем гидродинамика обычных жидкостей. И конечно, надо сказать, что исслеВндователи, начиная изучать гидродинамику жидких криВнсталлов, надеялись обнаружить новые, не известные для обычных жидкостей свойства и были бы разочарованы, если бы течение жидких кристаллов описывалось простыВнми формулами Пуазейля и Стокса.

В чем же дело? Почему течение нематика оказываВнется более сложным, чем течение обычной жидкости?

Дело в том, что течение жидкости   вызывает переориентацию длинных осей молекул. А на введенном выше языке описания жидкого кристалла как сплошной среды с помощью задания в каждой его точке направлеВнния директора означает, что течение нематика, с одной стороны, может приводить к переориентации директора, а с другой, к тому, что характеристики течения оказываВнются различными при различной ориентации директора по отношению к направлению скорости течения жидкоВнсти. Эти результаты легко понять и на молекулярном уровне. При течении жидкости молекул-палочек по каВнпиллярам, особенно узким, течение будет выстраивать палочки-молекулы вдоль оси капилляра. Если каким-лиВнбо' образом заставлять оставаться ориентацию палочек неизменной, то легко сообразить, что течение жидкости тАв случае ориентации палочек поперек капилляра будет затруднено по сравнению с течением при их ориентации вдоль капилляра.

Эти интуитивные представления, которые мы черпаем из повседневного опыта, полностью подтверждаются на эксперименте. Еще в начале 40-х годов В. Н. Цветков исследовал зависимость скорости протекания нематика через капилляры от ориентации директора. При ориентаВнции директора поперек капилляра скорость протекания жидкого кристалла через капилляр оказалась существенВнно меньше, чем при ориентации директора вдоль оси каВнпилляра. Ориентация директора поперек оси капилляра осуществлялась с помощью прикладываемого перпендиВнкулярно капилляру магнитного поля (о том, почему поле ориентирует нематик, речь еще впереди). Результат опыВнта, интерпретация которого проводилась с помощью форВнмулы Пуазейля, показал, что при включенном магнитном поле наблюдаемая вязкость почти в 2 раза больше, чем в отсутствии магнитного поля.

Таким образом, опыт показал, что для жидких криВнсталлов надо разрабатывать свою, более сложную и общую, чем для обычных жидкостей, теорию текучести. Такая теория разрабатывается усилиями многих исследоВнвателей. И оказалась она гораздо более сложной, чем обычная гидродинамика. Достаточно сказать, что в обВнщем случае жидкий кристалл описывается восьмью коэфВнфициентами вязкости. И даже упрощенный вариант этой теории, пренебрегающий сжимаемостью жидких криВнсталлов, содержит пять коэффициентов вязкости. Это опВнределяет как трудности теоретического описания течеВнния жидких кристаллов, так и постановку экспериментов, допускающих однозначную интерпретацию результатов. Здесь надо добавить, что в экспериментальном отношеВннии дополнительные трудности связаны с тем, что в процессе течений в жидком кристалле могут возникать дефекты в ориентации директора. Дефектами называют точки или линии в нематике, на которых ориентация диВнректора не определена. Поведение течений при наличии таких дефектов особенно сложно, и, в частности, упомиВннавшуюся выше зависимость вязкости нематика от скороВнсти течения связывают с возникновением при возрастании скорости именно таких дефектов,

Таким образом, можно констатировать, что течение жидких кристалловтАФэто весьма сложный процесс, а исВнследования гидродинамики ЖК находятся в начале своеВнго пути. Облегчает исследование гидродинамики жидких кристаллов их двулучепреломление, оно позволяет визу-ализировать наведенные течением жидкого кристалла, изВнменения ориентации директора и, наоборот, по изменеВннию двупреломления, т. е. оптических свойств нематика, судить о скоростях и изменении скоростей в потоке.  Электрические свойства. Забегая вперед, скажем, что большинство применений жидких кристаллов связано с управлением их свойствами путем приложения к ним ! электрических воздействий. Податливость и ВлмягкостьВ» жидких кристаллов по отношению к внешним воздейстВнвиям делают их исключительно перспективными материВналами для применения в устройствах микроэлектроники, для которых характерны небольшие электрические наВнпряжения, малые потребляемые мощности и малые гаВнбариты. Поэтому для обеспечения оптимального режима функционирования ЖК элемента в каком-либо устройстВнве важно хорошо изучить электрические характеристики жидких кристаллов. Начнем описание электрических свойств с электро проводности жидких кристаллов. Электропроводность тАФ это величина, характеризующая количественно способВнность вещества проводить ток. Она является коэффициВнентом пропорциональности в формуле l==oU, устанавВнливающей связь между током / и приложенным напряВнжением U. Поскольку проводимость о тАФ характеристика вещества, то ее значение всегда приводится для единичВнного объема вещества с единичным сечением поверхноВнстей. Такой ВлобъемчикВ» можно представить себе в виде кубика или цилиндра. Напряжение прикладывается к проВнтивоположным граням куба или сечениям цилиндра, а ток в приведенной формулетАФэто суммарный ток через грани куба, к которым приложено напряжение, или чеВнрез сечение цилиндра. Вспомнив курс школьной физики, читатель скажет, что проводимость тАФ это величина, обВнратная удельному сопротивлению (строго говоря, введенВнную нами величину следует также называть удельной проводимостью, но слово ВлудельнаяВ» обычно опускают). Совершенно правильно] Более того, проводимость измеВнряется в тех же, что и сопротивление, единицах тАФ в омах, точнее, обратных омах. Для объема ЖК в один кубичеВнский сантиметр ее типичное значение ^0~"тАФ\0~" Ом-*-см. Это довольно-таки малая величина, характерная для орВнганических жидкостей. Для металлов соответствующая величина на 16тАФ18 порядков больше) Но здесь важно не абсолютное значение проводимости, а то, что провоВндимость в направлении вдоль директора (Гц отличается от проводимости поперек директора Од. . В большинстве нематиков сгц больше, чем Oi. Так, для нематика МББА

вЦ/В»1==1,5-

Другим важным обстоятельством является то, что проводимость в жидких кристаллах носит ионный харакВнтер. Это означает, что ответственными за перенос элекВнтрического тока в ЖК являются не электроны, как в меВнталлах, а гораздо более массивные частицы. Это полоВнжительно и отрицательно заряженные фрагменты молеВнкул (или сами молекулы), отдавшие или захватившие изВнбыточный электрон. По этой причине электропроводность жидких кристаллов сильно зависит от количества и химиВнческой природы содержащихся в них примесей. В частВнности, электропроводность нематика можно целенаВнправленно изменять, добавляя в него контролируемоВ» количество ионных добавок, в качестве которых могут выступать некоторые соли.

Из сказанного понятно, что ток в жидком кристалле представляет собой направленное движение ионов в системе ориентированных палочек-молекул. Если ионы представить себе в виде шариков, то свойство нематика обладать проводимостью вдоль директора в р. больше, чему, представляется совершенно естественным и поВннятным. Действительно, при движении шариков вдоль директора они испытывают меньше помех от молекул-палочек, чем при движении поперек молекул-палочек. В результате чего и следует ожидать, что продольная проводимость о II будет превосходить поперечную проВнводимость.

Более того, обсуждаемая модель шариков-ионов в системе ориентированных палочек-молекул с необходиВнмостью приводит к следующему важному заключению. Двигаясь под действием электрического тока поперек направления директора (мы считаем, что поле приложеВнно поперек директора), ионы, сталкиваясь с молекулаВнми-палочками, будут стремиться развернуть их вдоль направления движения ионов, т. е. вдоль направления электрического тока. Мы приходим к заключению, что электрический ток в жидком кристалле должен привоВндить к переориентации директора.

Эксперимент подтверждает выводы рассмотренной выше простой механической модели прохождения тока в жидком кристалле. Однако во многих случаях ситуаВнция оказывается не такой простой, как может показатьВнся на первый взгляд.

Часто постоянное напряжение, приложенное к слою нематика, вызывает в результате возникшего тока не однородное изменение ориентации молекул, а периодиВнческое в пространстве возмущение ориентации директоВнра. Дело здесь в том, что, говоря об ориентирующем молекулы нематика воздействии ионов носителей тока, мы пока что пренебрегали тем, что ионы будут вовлеВнкать в свое движение также и молекулы нематика. В реВнзультате такого вовлечения прохождение тока в жидВнком кристалле может сопровождаться гидродинамичесВнкими потоками, вследствие чего может установиться пеВнриодическое в пространстве распределение скоростей течения жидкого кристалла. Вследствие же обсуждавВншейся в предыдущем разделе связи потоков жидкого кристалла с ориентацией директора в слое нематика возВнникнет периодическое возмущение распределения директора. Подробней на этом интересном и важном в приВнложении жидких кристаллов явлении мы остановимся ниже, рассказывая об электрооптике нематиков.

Флексоэлектрический эффект. Говоря о форме моВнлекул жидкого кристалла, мы пока аппроксимировали ее жесткой палочкой. А всегда ли такая аппроксимация хороша? Рассматривая модели структур молекул, можно прийти к заключению, что не для всех соединений прибВнлижение молекула-палочка наиболее адекватно их форВнме. Далее мы увидим, что с формой молекул связан ряд интересных, наблюдаемых на опыте, свойств жидВнких кристаллов. Сейчас мы остановимся на одном из таких свойств жидких кристаллов, связанном с отклонеВннием ее формы от простейшей молекулы-палочки, проВнявляющемся в существовании  флексоэлектрического эффекта.

Интересно, что открытие флексоэлектрического эфВнфекта, как иногда говорят о теоретических предсказаВнниях, было сделано на кончике пера американским физиВнком Р. Мейером в 1969 году.

Рассматривая модели жидких кристаллов, образоВнванных не молекулами-палочками, а молекулами более сложной формы, он задал себе вопрос: ВлКак форма молекулы может обнаружить себя в макроскопических свойствах?В» Для конкретности Р. Мейер предположил, что молекулы имеют грушеобразную или банановидную форму. Далее он предположил, что отклонение формы молекулы от простейшей, рассматривавшейся ранее, сопровождается возникновением у нее электрического дипольного момента.

Возникновение дипольного момента у молекулы неВнсимметричной формы тАФ типичное явление и связано оно с тем, что расположение Влцентра тяжестиВ» отрицаВнтельного электрического заряда электронов в молекуле может быть несколько смещено относительно Влцентра тяжестиВ» положительных зарядов атомных ядер молеВнкулы. Это относительное смещение отрицательных и поВнложительных зарядов относительно друг друга и привоВндит к возникновению электрического дипольного моменВнта молекулы. При этом в целом молекула остается нейтВнральной, так как величина отрицательного заряда элекВнтронов в точности равна положительному заряду ядер. Величина дипольного момента равна произведению заВнряда одного из знаков на величину их относительного смещения. Направлен дипольный момент вдоль направВнления смещения от отрицательного заряда к положиВнтельному. Для грушеобразной молекулы направление диВнпольного момента по симметричным   соображениям должно совпадать с осью вращения, для банановидной молекулы тАФ направлено поперек длинной оси.

Рассматривая жидкий кристалл таких молекул, легко понять, что без влияния на него внешних воздействий дипольный момент макроскопически малого, но, разумеВнется, содержащего большое число молекул объема жидВнкого кристалла, равен нулю. Это связано с тем, что напВнравление директора в жидком кристалле задается ориенВнтацией длинных осей молекул, количество же молекул, дипольный момент которых направлен по директору в ту и другую сторону тАФ для грушеобразных молекул, или для банановидных молекул тАФ поперек направления диВнректора в ту и другую сторону, одинаково. В реВнзультате дипольный момент любого макроскопичеВнского объема жидкого кристалла равен нулю, так как он равен сумме дипольных моментов отдельных молекул.

Так, однако, дело обстоит лишь в неискаженном обВнразце. Стоит путем внешнего воздействия, например меВнханического, исказить, скажем, изогнуть его, как молеВнкулы начнут выстраиваться, и распределение направлеВнний дипольных моментов отдельных молекул вдоль диВнректора для грушеподобных молекул и поперек директоВнра для банановидных будет неравновероятным. Это означает, что возникает преимущественное направление ориентации дипольных моментов отдельных молекул и, как следствие, появляется макроскопический дипольный момент в объеме жидкого кристалла. Причиной такого выстраивания являются стерические факторы, т. е. факВнторы, обеспечивающие плотнейшую упаковку молекул. Плотнейшей упаковке молекул именно и соответствует такое выстраивание молекул, при котором их диполь-ные моменты ВлсмотрятВ» преимущественно в одну стоВнрону.

С макроскопической точки зрения рассмотренный эффект проявляется в возникновении в слое жидкого кристалла электрического поля при деформации. Как видно из рисунка, это связано с тем, что при выстраиваВннии диполей на одной поверхности деформированного кристалла оказывается избыток зарядов одного, а на противоположной поверхности тАФ другого знака. Таким обрезом, наличие или отсутствие флексоэлектрического эффекта несет информацию о форме молекул и ее ди-польном моменте. Для молекул-палочек такой эффект отсутствует. Для только что рассмотренных форм молеВнкул эффект есть. Однако, как уже, наверное, заметили наиболее внимательные читатели, для грушеподобных и банановидных молекул для наблюдения возникновения электрического поля в слое надо вызвать в нем разлиВнчные деформации. Грушеподобные молекулы дают эфВнфект при поперечном изгибе, а банановидные тАФ при продольном изгибе жидкого кристалла

Предсказанный теоретически флексоэлектрический эффект вскоре был обнаружен экспериментально. ПриВнчем на эксперименте можно было пользоваться как пряВнмым, так и обратным эффектом. Это означает, что можно не только путем деформации ЖК индуцировать в нем электрическое поле и макроскопический дипольВнный момент (прямой эффект), но и, прикладывая к обВнразцу внешнее электрическое поле, вызывать дефорВнмацию ориентации директора в жидком кристалле.

Электронная игра, электронный словарь и телевизор на жкВ»

Известно, какой популярностью у молодежи пользуВнются различные электронные игры, обычно устанавливаВнемые в специальной комнате аттракционов в местах обВнщественного отдыха или фойе кинотеатров. Успехи в разработке матричных жидкокристаллических дисплеев сделали возможным создание и массовое производство подобных игр в миниатюрном, так сказать, карманном исВнполнении. На рис. 28 изображена игра ВлНу, погоди!В», осВнвоенная отечественной промышленностью. Габариты этой игры, как у записной книжки, а основным ее элеВнментом является жидкокристаллический матричный дисВнплей, на котором высвечиваются изображения волка, зайВнца, кур и катящихся по желобам яичек. Задача играющеВнго, нажимая кнопки управления, заставить волка, переВнмещаясь от желоба к желобу, ловить скатывающиеся с желобов яички в корзину, чтобы не дать им упасть на землю и разбиться. Здесь же отметим, что, помимо разВнвлекательного назначения, эта игрушка выполняет роль часов и будильника, т. е. в другом режиме работы на дисплее ВлвысвечиваетсяВ» время и может подаваться звуВнковой сигнал в требуемый момент времени.

Еще один впечатляющий пример эффективности соВнюза матричных дисплеев на жидких кристаллах и микроВнэлектронной техники дают современные электронные словари, которые начали выпускать в Японии. Они предВнставляют собой миниатюрные вычислительные машинки размером с обычный карманный микрокалькулятор, в память которых введены слова на двух (или больше) языках и которые снабжены матричным дисплеем и клаВнвиатурой с алфавитом. Набирая на клавиатуре слово на одном языке, вы моментально получаете на дисплее его перевод на другой язык. Представьте себе, как улучшитВнся и облегчится процесс обучения иностранным языВнкам в школе и в вузе, если каждый учащийся будет снабВнжен подобным словарем) А наблюдая, как быстро издеВнлия микроэлектроники внедряются в нашу жизнь, можно с уверенностью сказать, что такое время не за горами) Легко представить и пути дальнейшего совершенствоваВнния таких словарей-переводчиков: переводится не одно слово, а целое предложение. Кроме того, перевод моВнжет быть и озвучен. Словом, внедрение таких словарей-переводчиков сулит революцию в изучении языков и технике перевода.

Требования к матричному дисплею, используемому в качестве экрана телевизора, оказываются значительно выше как по быстродействию, так и по числу элементов, чем в описанных выше электронной игрушке и словаре-переводчике. Это станет понятным, если вспомнить, что в соответствии с телевизионным стандартом изображеВнние на экране формируется из 625 строк (и приблизиВнтельно из такого же числа элементов состоит каждая строка), а время записи одного кадра 40 мс. Поэтому практическая реализация телевизора с жидкокристаллиВнческим экраном оказывается более трудной задачей. Тем не менее налицо первые успехи в техническом решении и этой задачи. Так, японская фирма ВлСониВ» наладила проВнизводство миниатюрного, умещающегося практически на ладони телевизора с черно-белым изображением и размером экрана 3,6 см. Несомненно, в будущем удастВнся создать телевизоры на ЖК как с более крупными экВнранами, так и с цветным изображением.

Союз микроэлектроники и жидких кристаллов оказыВнвается чрезвычайно эффективным не только в готовом изделии, но и на стадии изготовления интегральных схем. Как известно, одним из этапов производства микросхем является фотолитография, которая состоит в нанесении на поверхность полупроводникового материала специВнальных масок, а затем в вытравливании с помощью фо тографической техники так называемых литографических окон. Эти окна в результате дальнейшего процесса проВнизводства преобразуются в элементы и соединения миВнкроэлектронной схемы. От того, насколько малы размеВнры соответствующих окон, зависит число элементов схемы, которые могут быть размещены на единице площади  полупроводника, а от точности и качества вытравливания  окон зависит качество микросхемы. Выше уже говорилось о контроле качества готовых микросхем с помощью холестерических жидких кристаллов, которые визуализируют поле температур на работающей схеме и позволяют выделить участки схемы с аномальным тепло-выделением. Не менее полезным оказалось применение жидких кристаллов (теперь уж нематических) на стадии контроля качества литографических работ. Для этого на полупроводниковую пластину с протравленными литограВнфическими окнами наносится ориентированный слой не- матика, а затем к ней прикладывается электрическое напряжение.  В результате в  поляризованном свете картина " вытравленных окон отчетливо визуализируется. Более  того, этот метод позволяет выявить очень малые по раз- мерам неточности и дефекты литографических работ, 1 протяженность которых всего 0,01 мкм (рис. 29).

О БУДУЩИХ ПРИМЕНЕНИЯХ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ

Жидкие кристаллы сегодня и завтра. Многие оптичеВнские эффекты в жидких кристаллах, о которых рассказыВнвалось выше, уже освоены техникой и используются в изделиях массового производства. Например, всем изВнвестны часы с индикатором на жидких кристаллах, но не все еще знают, что те же жидкие кристаллы используВнются для производства наручных часов, в которые встроВнен калькулятор. Тут уже даже грудно сказать, как наВнзвать такое устройство, то ли часы, то ли компьютер. Но это уже освоенные промышленностью изделия, хотя всего десятилетия назад подобное казалось нереальным. Перспективы же будущих массовых и эффективных приВнменений жидких кристаллов еще более удивительны. ПоВнэтому стоит рассказать о нескольких технических идеях применения жидких кристаллов, которые пока что не реализованы, но, возможно, в ближайшие несколько лет послужат основой создания устройств, которые станут для нас такими же привычными, какими, скажем, сейчас являются транзисторные приемники.

Управляемые оптические транспаранты. Рассмотрим пример достижения научных исследований в процессе создания жидкокристаллических экранов, отображения информации, в частности жидкокристаллических экранов телевизоров. Известно, что массовое создание больших плоских экранов на жидких кристаллах сталкивается с трудностями не принципиального, а чисто технологичеВнского характера. Хотя принципиально возможность соВнздания таких экранов продемонстрирована, однако а связи со сложностью их производства при современной технологии их стоимость оказывается очень высокой. ПоВнэтому возникла идея создания проекционных устройств на жидких кристаллах, в которых изображение, полученВнное на жидкокристаллическом экране малого размера могло бы быть спроектировано в увеличенном виде на обычный экран, подобно тому, как это происходит в кинотеатре с кадрами кинопленки. Оказалось, что такие устройства могут быть реализованы на жидких кристалВнлах, если использовать сэндвичевые структуры, в котоВнрые наряду со слоем жидкого кристалла входит слой фотополупроводника. Причем запись изображения в жидком кристалле, осуществляемая с помощью фотопоВнлупроводника, производится лучом света. О подобном проекторе уже рассказывалось в главе VII. Теперь же познакомимся с физическими явлениями, положенными в основу его работы.

Принцип записи изображения очень прост. В отсутстВнвие подсветки фотополупроводника его проводимость очень мала, поэтому практически вся разность потенциаВнлов, поданная на электроды оптической ячейки, в котоВнрую еще дополнительно введен слой фотополупроводВнника, падает на этом слое фотополупроводника. При этом состояние жидкокристаллического слоя соответствует отсутствию напряжен; .я на нем. При подсветке фотопоВнлупроводника его проводимость резко возрастает, так как свет создает в нем дополнительные носители тока (свободные электроны и дырки). В результате происхоВндит перераспределение электрических напряжений в ячейке тАФ теперь практически все напряжение падает на жидкокристаллическом слое, и состояние слоя, в частноВнсти, его оптические характеристики изменяются соответВнственно величине поданного напряжения. Таким образом изменяются оптические характеристики жидкокристалВнлического слоя в результате действия света. Ясно, что при этом в принципе может быть использован любой электрооптический эффект из описанных выше. ПрактиВнчески, конечно, выбор электрооптического эффекта в таВнком сэндвичевом устройстве, называемом электроопти-ческим транспарантом, определяется наряду с требуе мыми оптическими характеристиками и чисто технологическими  причинами [6].

Важно, что в описываемом транспаранте изменение оптических характеристик жидкокристаллического слоя происходит локально тАФ в точке засветки фотополупроВнводника. Поэтому такие транспаранты обладают очень выВнсокой разрешающей способностью. Так, объем информаВнции, содержащейся на телевизионном экране, может быть записан на транспаранте размерами менее 1Х1 см^.

Описанный способ записи изображения, помимо всеВнго прочего, обладает большими достоинствами, так как он делает ненужной сложную систему коммутации, т. е. систему подвода электрических  сигналов,  которая применяется в матричных экранах на жидких криВнсталлах.

Пространственно-временные модуляторы света. УпВнравляемые оптические транспаранты могут быть испольВнзованы не только как элементы проекционного устройВнства, но и выполнять значительное число функций, свяВнзанных с преобразованием, хранением и обработкой опВнтических сигналов. В связи с тенденциями развития меВнтодов передачи и обработки информации с использоваВннием оптических каналов связи, позволяющих увеличить быстродействие устройств и объем передаваемой инфорВнмации, управляемые оптические транспаранты на жидВнких кристаллах представляют значительный интерес и с этой точки зрения. В этом случае их еще принято назыВнвать пространственно-временными модуляторами света (ПВМС), или световыми клапанами. Перспективы и масВнштабы применения ПВМС в устройствах обработки оптиВнческой информации определяются тем, насколько сеВнгодняшние характеристики оптических транспарантов моВнгут быть улучшены в сторону достижения максимальной чувствительности к управляющему излучению, повышеВнния быстродействия и пространственного разрешения световых сигналов, а также диапазона длин волн излучеВнния, в котором надежно работают эти устройства. Как уже отмечалось, одна из основных проблем тАФ это пробВнлема быстродействия жидкокристаллических элементов, однако уже достигнутые характеристики модуляторов света позволяют совершенно определенно утверждать, что они займут значительное место в системах обработВнки оптической информации. Ниже рассказывается о ряВнде возможных применений модуляторов света.

Прежде всего отметим высокую чувствительность модуляторов света к управляющему световому потоку, которая характеризуется интенсивностью светового поВнтока всего 10 ^тАФ10 ^ Вт/см^. Кроме того, достигнуто высокое пространственное разрешение сигнала тАФ около 300 линий на 1 мм. Спектральный диапазон работы моВндуляторов, выполненных на различных полупроводникоВнвых материалах, перекрывает длины волн от ультрафиоВнлетового до ближнего инфракрасного излучения. Очень важно, что в связи с применением в модуляторах фотоВнполупроводников удается улучшить временные характеВнристики устройств по сравнению с быстродействием собВнственно жидких кристаллов. Так, модуляторы света за счет свойств фотополупроводника могут зарегистрироВнвать оптический сигнал продолжительностью всего 10 ^тАФ 10"^ с. Разумеется, изменение оптических характеристик жидкого кристалла в точке регистрации сигнала происВнходит с запаздыванием, т. е. более медленно, в соответВнствии с временем изменения оптических характеристик жидкого кристалла при наложении на него (или снятии) электрического поля.

Какие же, кроме уже обсуждавшихся функций, могут выполнять модуляторы света? При соответствующем подВнборе режима работы модулятора они могут выделять контур проектируемого на него изображения. Если конВнтур перемещается, то можно визуализировать его двиВнжение. При этом существенно, что длина волны записыВнвающего изображения излучения и считывающего излуВнчения могут отличаться. Поэтому модуляторы света поВнзволяют, например, визуализировать инфракрасное изВнлучение, или с помощью видимого света модулировать пучки инфракрасного излучения, или создавать изобраВнжения в инфракрасном диапазоне длин волн.

В другом режиме работы модуляторы света могут выделять области, подвергнутые нестационарному освеВнщению. В этом режиме работы из всего изображения выделяются, например, только перемещающиеся по изоВнбражению световые точки, или мерцающие его участки. Модуляторы света могут использоваться как усилители яркости света (в 10^тАФ10В° раз и более) В связи же с их высокой пространственной разрешающей способностью их использование оказывается эквивалентным усилителю с очень большим (10"тАФ10^) числом каналов. Перечисленные функциональные возможности опти ческих модуляторов дают Основание использовать их 6 многочисленных задачах обработки оптической инфорВнмации, таких как распознавание образов, подавление поВнмех, спектральный и корреляционный анализ, интерфеВнрометрия, в том числе запись голограмм в реальном масВнштабе времени, и т. д. Насколько широко перечисленВнные возможности жидкокристаллических оптических моВндуляторов реализуются в надежные технические устройВнства, покажет ближайшее будущее.

Оптический микрофон. Только что было рассказано об управлении световыми потоками с помощью света. Однако в системах оптической обработки информации и связи возникает необходимость преобразовывать не только световые сигналы в световые, но и другие самые разнообразные воздействия в световые сигналы. Такими воздействиями могут быть давление, звук, температура, деформация и т. д. И вот для преобразования этих возВндействий в оптический сигнал жидкокристаллические усВнтройства оказываются опять-таки очень удобными и перВнспективными элементами оптических систем.

Конечно, существует масса методов преобразовывать перечисленные воздействия в оптические сигналы, однаВнко подавляющее большинство этих методов связано снаВнчала с преобразованием воздействия в электрический сигнал, с помощью которого затем можно управлять световым потоком. Таким образом, методы эти двустуВнпенчатые и, следовательно, не такие уж простые и экоВнномичные в реализации. Преимущество применения в этих целях жидких кристаллов состоит в том, что с их помощью самые разнообразные воздействия можно неВнпосредственно переводить в оптический сигнал, что устВнраняет промежуточное звено в цепи воздействиетАФсвеВнтовой сигнал, а значит, вносит принципиальное упрощеВнние в управление световым потоком. Другое достоинстВнво ЖК-элементов в том, что они легко совместимы с узВнлами волоконно-оптических устройств.

Чтобы проиллюстрировать возможности с помощью ЖК управлять световыми сигналами, расскажем о принВнципе работы Влоптического микрофонаВ» на ЖКтАФустройВнства, предложенного для непосредственного перевода акустического сигнала в оптический.

Принципиальная схема устройства оптического микВнрофона очень проста. Его активный элемент представляет собой ориентированный слой нематика. Звуковые коле бания создают периодические во времени деформации слоя, вызывающие также переориентации молекул и модуляцию поляризации (интенсивности) проходящего поляризованного светового потока.

Исследования характеристик оптического микрофона на ЖК, выполненные в Акустическом институте АН СССР, показали, что по своим параметрам он не уступает суВнществующим образцам и может быть использован в опВнтических линиях связи, позволяя осуществлять непосредВнственное преобразование звуковых сигналов в оптичеВнские. Оказалось также, что почти во всем температурном интервале существования нематической фазы его акусто-оптические характеристики практически не изменяются

[9]-Прежде чем перейти к другому примеру возможного

применения ЖК в оптических линиях связи, напомним, что оптическое волокно представляет собой оптический волновод. Свет из этого волновода не выходит наружу по той причине, что снаружи на волокно нанесено покрыВнтие, диэлектрическая проницаемость которого больше, чем во внутренней части волокна, в результате чего проВнисходит полное внутреннее отражение света на границе внутренней части и внешнего покрытия. Волноводный реВнжим распространения света в волокне может быть также достигнут не только за счет резкой диэлектрической границы, но и при плавном изменении показателя преломВнления (диэлектрической проницаемости) от середины к поверхности волновода (рис. 45).

По аналогии с оптическими волокнами в тонком слое жидкого кристалла также может быть реализован волноВнводный режим распространения света вдоль слоя, если обеспечить соответствующее изменение диэлектричеВнской проницаемости в пределах толщины слоя. А как мы знаем, изменения диэлектрических характеристик в ЖК можно добиться изменением ориентации директора (длинных осей молекул). Оказывается, в слое нематика или холестерина можно, например, путем приложения электрического поля обеспечить такой характер изменеВнния ориентации директора по толщине, что для опредеВнленной поляризации света такой слой оказывается оптиВнческим волноводом.

Каждый увидит здесь очевидную аналогию между опВнтическим волокном-волноводом и жидкокристалличеВнским волноводом. Но имеется здесь и очень существенВнная разница. Эта разница состоит в том, что если диэлекВнтрические характеристики оптического волокна, а следоВнвательно, и его волноводные свойства, неизменны и форВнмируются при его изготовлении, то диэлектрические, а следовательно, и волноводные свойства ЖК-волновода легко изменять путем внешних воздействий.

Это значит, например, что если жидкокристалличеВнский волновод включен в канал волоконной связи, то световой поток, идущий по этому каналу, можно модуВнлировать, меняя характеристики ЖК-элемента. В проВнстейшем случае это может быть просто прерывание свеВнтового потока, которое может происходить в ЖК-эле-менте при таком переключении электрического сигнала на нем, которое приводит к исчезновению его волновод-ных свойств. Кстати сказать, этот же ЖК-элемент может выполнять и функции оптического микрофона, если он устроен так, что акустический сигнал вызывает в нем возВнмущение ориентации директора.

Как сделать стереотелевизор. В качестве еще одного заманчивого, неожиданного и касающегося практически всех применений жидких кристаллов стоит назвать идею создания системы стереотелевидения с применением жидких кристаллов. Причем, что представляется особенВнно заманчивым, такая система Влстереотелевидения на жидких кристаллахВ» может быть реализована ценой очень простой модификации передающей телекамеры и доВнполнением обычных телевизионных приемников специВнальными очками, стекла которых снабжены жидкокристаллическими  фильтрами.

Идея этой системы стереотелевидения чрезвычайно проста. Если учесть, что кадр изображения на телеэкраВнне формируется построчно, причем так, что сначала выВнсвечиваются нечетные строчки, а потом четные, то с поВнмощью очков с жидкокристаллическими фильтрами легВнко сделать так, чтобы правый глаз, например, видел тольВнко четные строчки, а левый тАФ нечетные. Для этого достаВнточно синхронизировать включение и выключение жидкоВнкристаллических фильтров, т. е. возможность восприниВнмать изображение на экране попеременно то одним, то другим глазом, делая попеременно прозрачным то одно, то другое стекло очков с высвечиванием четных и нечетВнных строк.

Теперь совершенно ясно, какое усложнение передаюВнщей телекамеры даст стереоэффект телезрителю. НаВндо, чтобы передающая телекамера была стерео, т. е. чтобы она обладала двумя объективами, соответствуюВнщими восприятию объекта левым и правым глазом челоВнвека, четные строчки на экране формировались с поВнмощью правого, а нечетныетАФс помощью левого объВнектива передающей камеры.

Система очков с жидкокристаллическими фильтраВнмитАФзатворами, синхронизированными с работой телевиВнзора, может оказаться непрактичной для массового приВнменения. Возможно, что более конкурентоспособной окаВнжется стереосистема, в которой стекла очков снабжены обычными поляроидами. При этом каждое из стекол очВнков пропускает линейно-поляризованный свет, плоскость поляризации которого перпендикулярна плоскости поляВнризации света, пропускаемого вторым стеклом. Стерео же эффект в этом случае достигается с помощью жидкоВнкристаллической пленки, нанесенной на экран телевизоВнра и пропускающей от четных строк свет одной линейВнной поляризации, а от нечетныхтАФдругой линейной поВнляризации, перпендикулярной первой.

Какая из описанных систем стереотелевидения будет реализована или выживет совсем другая система, покажет  будущее.

Очки для космонавтов. Знакомясь ранее с маской для электросварщика, а теперь с очками для стереотелеви дения, бы заметили, что в этих устройствах управляемый жидкокристаллический фильтр перекрывает сразу все поле зрения одного или обоих глаз. Между тем сущестВнвуют ситуации, когда нельзя перекрывать все поле зрения человека и в то же время необходимо перекрыть отВндельные участки поля зрения.

Например, такая необходимость может возникнуть у космонавтов в условиях их работы в космосе при чрезВнвычайно ярком солнечном освещении, не ослабленном ни атмосферой, ни облачностью. Эту задачу как в случае маски для электросварщика или очков для стереотелеВнвидения позволяют решить управляемые жидкокристаллические  фильтры.

Усложнение очков в этом случае состоит в том, что поле зрения каждого глаза теперь должен перекрывать не один фильтр, а несколько независимо управляемых фильтров. Например, фильтры могут быть выполнены в виде концентрических колец с центром в центре стекол очков или в виде полосок на стекле очков, каждая из которых при включении перекрывает только часть поля зрения глаза.

Такие очки могут быть полезны не только космонавВнтам, но и людям других профессий, работа которых моВнжет быть связана не только с ярким нерассеянным освеВнщением, но и с необходимостью воспринимать большой объем зрительной информации.

Например, в кабине пилота современного самолета огромное количество панелей приборов. Однако не все из них нужны пилоту одновременно. Поэтому использоВнвание пилотом очков, ограничивающих поле зрения, моВнжет быть полезным и облегчающим его работу, так как помогает сосредоточивать его внимание только на части нужных в данный момент приборов и устраняет отвлекаВнющее влияние не нужной в этот момент информации. Конечно, в случае пилота можно пойти и по другому пуВнтитАФпоставить ЖК-фильтры на индикаторы приборов, чтобы иметь возможность экранировать их показания.

Подобные очки будут очень полезны также в биомеВндицинских исследованиях работы оператора, связанной с восприятием большого количества зрительной инфорВнмации. В результате таких исследований можно выявить скорость реакции оператора на зрительные сигналы, опВнределить наиболее трудные и утомительные этапы в его работе и в конечном итоге найти способ оптимальной ор ганизации его работы. Последнее значит определить наВнилучший способ расположения панелей приборов, тип индикаторов приборов, цвет и характер сигналов различВнной степени важности и т. д.

Фильтры подобного типа и индикаторы на жидких кристаллах, несомненно, найдут (и уже находят) широкое применение в кино-, фотоаппаратуре. В этих целях они привлекательны тем, что для управления ими требуется ничтожное количество энергии, а в ряде случаев позвоВнляют исключить из аппаратуры детали, совершающие механические движения. А как известно, механические системы часто оказываются наиболее громоздкими и неВннадежными.

Какие механические детали кино-, фотоаппаратуры имеются в виду? Это прежде всего диафрагмы, фильтВнры тАФ ослабители светового потока, наконец, прерыватеВнли светового потока в киносъемочной камере, синхрониВнзованные с перемещением фотопленки и обеспечиваюВнщие покадровое ее экспонирование.

Принципы устройства таких ЖК-элементов ясны из предыдущего. В качестве прерывателей и фильтров-осВнлабителей естественно использовать ЖК-ячейки, в котоВнрых под действием электрического сигнала изменяется пропускание света по всей их площади. Для диафрагм без механических частейтАФсистемы ячеек в виде конВнцентрических колец, которых могут под действием элекВнтрического сигнала изменять площадь пропускающего свет прозрачного окна. Следует также отметить, что слоВнистые структуры, содержащие жидкий кристалл и фотоВнполупроводник, т. е. элементы типа управляемых опВнтических транспарантов, могут быть использованы не только в качестве индикаторов, например, экспозиции, но и для автоматической установки диафрагмы в кино-, фотоаппаратуре.

При всей принципиальной простоте обсуждаемых устройств их широкое внедрение в массовую продукцию зависит от ряда технологических вопросов, связанных с обеспечением длительного срока работы ЖК-элемен-тов, их работы в широком температурном интервале, наВнконец, конкуренции с традиционными и устоявшимися техническими решениями и т. д. Однако решение всех этих проблем тАФ это только вопрос времени, и скоро, наВнверное, трудно будет себе представить совершенный фоВнтоаппарат, не содержащий ЖК-устройства.

Вместе с этим смотрят:

Затухание ЭМВ при распространении в средах с конечной проводимостью
Защита от электромагнитных полей
Защита салона автомобиля от съема информации
Избыточные коды