Файл: Васин, М. Д. Жидкая радуга.pdf

ТЕХНОЛОГИЯ ОЩУЩЕНИЙ

И СНОВА УСЛОВИЯ...

Мы заглянули в недра жидкокристаллических ве­ ществ. Но от этого они не перестали быть загадкой. Даже в микроскоп не увидеть тех «органов» или хотя бы «рецепторов», с помощью которых жидким кристал­ лам удается воспринимать внешние раздражения, ис­ пытывать, казалось бы, человеческие и сверхчеловече­ ские чувства. Каким же образом они «ощущают»?

Возьмем хотя бы тепловую чувствительность. Колба с холестерическим «вазелином» от тепла руки лишь от­ ливает перламутром, и определить по этим слабым переливам перепады температуры нельзя. В мутном веществе, содержащемся в другой колбе, трудно уз­ нать тот самый жидкий кристалл, который в толще прозрачного стеклянного листа вдруг таинственным образом высвечивает цифры и знаки.

Жидкие кристаллы — инструмент хотя и своенрав­ ный, по изящный и нежный. Взятые в больших коли­ чествах, они оказываются неспособными выполнять деликатную работу. Так, брусок лучшей стали не бу­ дет брить, пока его не превратят в лезвие.

Слой жидкого кристалла толщиной несколько мил­ лиметров совершенно непрозрачен. Все свои много­ численные эффекты, связанные с прохождением, от­ ражением или рассеянием света, анизотропные жид­ кости могут демонстрировать при условии: слой их

98

должен быть достаточно тонок. Только тогда он про­ пускает световые лучи. И еще одно категорическое тре­ бование — чистота. Жидкий кристалл не терпит грязи и примесей. Они лишают его работоспособности.

Коль соблюдены эти два главных условия, все бу­ дет просто. Не совсем, конечно. Ибо дальше все зави­ сит от осведомленности специалиста, от его способно­ сти ориентироваться в мире жидких кристаллов — в их свойствах, особенностях и причудах, от умения вы­ брать именно те вещества, которые эффективнее всего выполнят нужные задачи, и, наконец, от того, удачно ли подобраны элементы конструкции, помогают ли они выявить возможности анизотропной жидкости.

Самый превосходный жидкокристаллический «ва­ зелин» (конечно, холестерического типа), нанесенный на кожу человека, поверхность исследуемой детали или заключенный между полимерными пленками, хотя по существу и является отличным термометром, прос­

99

то так служить в этом качестве еще не может. Чтобы «мазь» работала термометром, необходима маленькая конструктивная особенность. Под слоем жидкого кри­ сталла обязательно должен находиться черный экран.

Поэтому, готовясь использовать холестерический препарат для визуализации тепловых полей, прежде всего покрывают поверхности исследуемых деталей черной краской. Поверх нее наносят слой жидкого кри­ сталла.

Если имеют дело с человеческой кожей, то проце­ дура усложняется. Сначала кожу обезжиривают спир­ том, затем красят особой смесью, состоящей из газо­ вой сажи, поливинилового спирта и стирального по­ рошка. Впрочем, иногда обходятся черной гуашыо. Слой краски должен высохнуть. Только после этого предварительно расплавленное на водяной бане веще­ ство мягкой кистью наносят на кожу.

Изготовляя термочувствительную пленку, соблюда­ ют то же правило: один из двух полимерных листов, между которыми заключен жидкий кристалл, должен быть черным (другой, понятно, прозрачный).

Для чего эта чернота? Ведь работает-то не краска, а жидкий кристалл. Во-первых, черный экран придает контрастность цветам и цветовым переходам, делает их лучше видимыми. Во-вторых,— и это самое важ­ ное— он улавливает, накапливает тепло, и жидкокри­ сталлическая пленка, прилегающая к нему, лучше на­ гревается. Экран служит как бы усилителем теплового поля. А это создает более благоприятные условия для работы пленки.

ШЕДЕВР МИКРОМИРА

Каков механизм превращения невидимых тепловых полей в видимые многоцветные картины? Мы уже го­ ворили, что структура холестерических кристаллов на­

100

поминает винтовую лестницу, где в качестве ступеней использованы молекулы вещества. Вот эта лестница и является уникальным оптическим прибором — изящ­ ным, точным и необычайно чувствительным.

Прежде чем рассказывать о том, как он работает, надо обратить внимание на три немаловажных обсто­ ятельства. Первое: каждый виток лестницы способен отражать падающий на него свет. Второе: шаг винта по масштабам микромира достаточно велик — он срав­ ним с длиной световой волны. Третье: обычный белый свет представляет собой набор лучей с разной длиной волны (отсюда и разный цвет лучей).

Итак, белый свет падает на витки молекулярной спирали. От них максимально отражаются те лучи, длина волн которых кратна шагу спирали. Пусть в данный момент это будет красный луч. Рассматривая жидкокристаллическую пленку, мы увидим, что она приобрела красный цвет.

Но вот температура черного экрана, а вместе с ним и жидкого кристалла повысилась на десятую долю градуса. Молекулы стали более подвижными, спи­ раль— более тугой и плотной. Расстояние между вит­ ками немного уменьшилось. Теперь луч'ше других лу­ чей отражаются оранжевые — длина волны у них меньше, чем у красных. Она как раз соответствует установившемуся шагу спирали. Жидкий кристалл становится оранжевым.

По мере того как растет температура, спираль за­ кручивается все туже и туже. Сближающиеся витки смогут отражать сначала желтые лучи, затем зеленые, голубые, синие и, наконец, фиолетовые. Так как по­ верхность, на которую нанесен жидкий кристалл, на­ грета неодинаково, неодинаковой будет и степень за­ крутки спиралей в разных местах. Это проявляется в цветовых узорах жидкокристаллической пленки.

101

Любопытно заметить, что спектр жидких кристал­ лов обычно не соответствует нашим представлениям о последовательности и смысле цветов. Ведь в обычных условиях красный цвет — цвет солнца, пламени, рас­ каленного металла. Красное — значит теплое. Голубой и синий — цвета холодные: это цвета больших масс воды, неба, льда.

Ужидких кристаллов все наоборот. Красный цвет

уних холодный. Это признак самой низкой темпера­ туры. Температура на полградуса Цельсия выше — получается оранжевый цвет, еще на полградуса — зеленый, еще на 0,1 градуса — голубой, еще на 0,3 гра­ дуса — синий. Самый сильный нагрев, который может выдержать кристалл, дает фиолетовый цвет.

Разница между длинами волн спектральных цве­ тов чрезвычайно мала. Насколько точной должна быть

конструкция молекулярного оптического устройства, чтобы с легкостью различать красный и оранжевый

Ш2

лучи (6200 и 5800 ангстрем), голубой и синий (4800 и 4500 ангстрем)! Какой тонкой должна быть настройка этого прибора, чтобы при повышении температуры, скажем, на 0,1 градуса витки спирали сдвигались именно на 300 ангстрем, отделяющих зеленый цвет от голубого!

Всегда ли жидкий кристалл будет вести себя имен­ но по той «цветовой» программе, которую мы только что описали? Здесь нужно внести одно принципиально важное уточнение. Изложенные соответствия темпера­ туры и цвета касаются только смеси (в определенной пропорции) холестерилпеларгоната с холестерилполеатом. Каждый отдельно взятый холестерический жидкий кристалл, всякая другая смесь (холестерилполеата с холестерилменилкарбонатом, холестерилпел­ аргоната с холестерилбензоатом или холестерилполеилом карбоната) будет «работать» так же точно, но по своей собственной программе.

Температурную зону с фиолетовым цветом, где опи­ санная жидкокристаллическая смесь находилась у верхней тепловой границы своего существования (еще несколько десятых градуса — и спираль разрушится, жидкий кристалл перейдет в истинно жидкую фазу), другой препарат отметит красным сиянием — сигна­ лом, что молекулярная спираль только вступает в дей­ ствие и что в запасе целая палитра неизрасходованных красок.

Такова приближенно механика теплового «осяза­ ния» и инфракрасного «зрения» жидких кристаллов. Так что, положив на ладонь термочувствительную пленку и рассматривая ее многоцветные узоры, мы всетаки видим не «черные лучи», идущие от нашей кожи (они остались невидимыми), а обычный белый — сол­ нечный или искусственный — свет, раздробленный и выборочно отраженный молекулярной спиралью.

103

Этот отраженный свет изменяет свой цвет под дей­ ствием прикосновения и давления, оказываемого на пленку звуковой волной и ультразвуком: нежная молекулярная спираль легко деформируется, смина­ ется, ее витки начинают калибровать падающие на них лучи, отбирая для отражения прежде всего те, дли­ на волны которых наиболее соответствует изменивше­ муся шагу винтовой структуры.

Примерно так же влияют на мезофазу холестери­ ческого типа и другие воздействия. Ничтожные приме­ си, содержащиеся в воздухе, воде, в других газах и жидкостях и сообщающие им запах и вкус, попадая в жидкий кристалл, меняют распределение его внутрен­ них сил, и это тоже ведет к тому, что спираль хотя бы чуть-чуть, но раскручивается либо, наоборот, закру­ чивается.

Что же касается электрического и магнитного по­ лей, то они способны заставить перестроиться даже частицы твердого вещества, структура которого устой­ чива в сравнении с жидкокристаллической, словно ска­ ла. Чрезвычайно слабые электрические и магнитные силы легко сжимают или растягивают молекулярные пружинки.

Итак, один и тот же механизм (изменение шага спирали — этого шедевра микромира) лежит в основе всех «чувств» холестерических жидких кристаллов.

ЖИДКИЙ МОНОКРИСТАЛЛ

До сих пор мы говорили в основном о холестериче­ ской мезофазе. Как же «работают» жидкокристалли­ ческие структуры другого типа — смектические и не­

матические? Ведь никаких спиральных образований в них нет.

104

Здесь надо снова вспомнить о пресловутом «пятом правиле». Говоря о жидких кристаллах, не следует быть слишком категоричным. Жидкий кристалл реагирует на внешние воздействия не только изменением шага спирали.

Естественным путем нематические (а тем более смектические) жидкие кристаллы не образуют холе­ стерических винтов. А вот искусственно создать нечто подобное вполне возможно — это научились делать не только в научных лабораториях, но и на производстве.

Прием, о котором пойдет-речь, является одним из элементов обшей технологии изготовления жидких мо­ нокристаллов. Если в словосочетании «жидкий кри­ сталл» есть что-то абсурдное, то словосочетание «жид­ кий монокристалл» кажется еще более лишенным смы­ сла. Ведь монокристалл — это идеальный твердый кристалл, без изъянов, с совершенной геометрической формой, прекрасными гранями и, главное, с макси­ мально правильной внутренней структурой. О какой же монокристалличности можно говорить применительно к веществам жидким, льющимся, растекающимся по поверхности?

Однако жидкий монокристалл — несомненная ре-' альность. Это тонкие (толщиной в десятые или сотые доли миллиметра) слон жидкого кристалла, заключен­ ные между плоскими твердыми поверхностями — стек­ лянными, кварцевыми или пластмассовыми пластина­ ми— и хорошо ориентированные. Такая жидкокри­ сталлическая пленка по своим свойствам аналогична пластинке, вырезанной из монокристалла. Разница между ними лишь в способе получения, а следователь­ но, и в стоимости.

Чтобы вырастить твердый монокристалл, пункту­ ально выполняют сложный, тщательнейшим образом отработанный ритуал. Процесс роста может продол­

105

жаться неделями и месяцами. Изготовить жидкий ана­ лог монокристалла настолько же проще, насколько проще сделать телегу в сравнении с современным ав­ томобилем: надо взять две стеклянные, кварцевые или полимерные — в зависимости от назначения — пласти­ ны и поместить между ними слои жидкого кристалла.

В обычных условиях его молекулы выстраиваются параллельно либо перпендикулярно твердой плоско­ сти. Это зависит от свойств как подложки, так и са­ мой кристаллической жидкости. Теоретически установ­ лено и экспериментально доказано, что, когда поверх­ ностное натяжение подложки относительно мало, а межмолекулярные силы жидкого кристалла достаточно велики, жидкость не смачивает твердую поверхность и молекулы-стреженькн ориентируются перпенди­ кулярно ей. Если поверхностное натяжение подлож­ ки велико, силы, действующие в зоне раздела, оказы­ ваются преобладающими, и жидкость смачивает твер­ дую поверхность. В этом случае удлиненные молекулы располагаются параллельно плоскости подложки.

Однако, если у жидкокристаллической пленки зна­ чительные размеры, молекулы могут ориентироваться в разных участках слоя неодинаково. Чтобы заставить их подчиниться строгому порядку во всех областях пленки и получить обширный монокристаллический слой, прибегают к нехитрому приему: ориентирующую поверхность полируют в определенном направлении. На ней образуются микроцарапины, идущие в одну сторону. Этого вполне достаточно, чтобы, выбирая на­ правление для ориентации, молекулы безоговорочно последовали примеру микроцарапин. Всякое иное рас­ положение будет для них противоестественным.

Параллельные твердой поверхности слои можно также получить, если на подложку под косым углом напылить атомы какого-либо металла. В этом случае

106

будут созданы микронеоднородиости, идущие в на­ правлении напыления. Они зададут тон молекулам

жидкого кристалла.

Для получения перпендикулярной ориентации (ес­ ли по каким-либо причинам молекулы жидкого кри­ сталла «не желают» занимать такого положения) под­ ложку обрабатывают кислотами или покрывают тон­ ким слоем вещества, уменьшающего ее поверхностное натяжение. Срабатывает тот механизм, о котором го­ ворилось выше: силы межмолекулярного взаимодейст­ вия заставляют молекулы расположиться перпендику­ лярно ориентирующей поверхности.

Кроме пленок с перпендикулярным или параллель­ ным расположением молекул можно довольно легко получать однородно закрученные слои. Для этого сно­ ва берут две пластины, отполированные или с напы­ ленным на них металлом. Когда жидкий кристалл на­ несен на одну пластину, другую помещают так, чтобы

107