ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 01.11.2024
Просмотров: 35
Скачиваний: 0
ориентирующие микроцарапины были не параллельны, а перпендикулярны друг другу. В этом случае внутри слоя молекулы станут постепенно поворачиваться на 90 градусов. Получится четверть холестерического спи рального витка.
Монокристаллы с такой закрученной структурой обладают многими свойствами холестерических жид ких кристаллов. Правда, они не располагают столь универсальным набором «способностей». Как-никак их молекулярная лестница слишком коротка. Понятно, что этот упрощенный инструмент не может быть та ким же чутким, как полноценная холестерическая спи раль, и не в состоянии так активно откликаться на раз нообразные внешние воздействия.
КАК ОБХОДИТЬСЯ БЕЗ ВИНТА
Но вернемся к вопросу, который пока остался без ответа: как же все-такн работают жидкие кристаллы с невинтовой структурой?
Прежде всего отметим, что в устройствах отобра жения информации — в индикаторах, табло, экранах, ячейках памяти, а также в световых клапанах, плоских линзах и других приборах, применяемых в современ ной технике, чаще всего используется нематический тип кристаллов. Смектические кристаллы, будучи более сложно и прочно устроенными, труднее поддаются уп равляющим воздействиям, да и исследованы они не достаточно.
У всех или почти у всех современных жидкокри сталлических устройств, как мы знаем, сходная конст рукция — два стеклянных листа, в нужных местах по крытых прозрачной электропроводящей пленкой, а между ними слой анизотропной жидкости. Если этот
108
слой достаточно тонок, он может сам по себе превра титься в жидкий монокристалл. Оптические эффекты в подобных структурах хорошо изучены, так что, при меняя на практике тот или иной нематический кри сталл, нетрудно вполне точно предсказать его поведе ние в определенных условиях.
Для примера рассмотрим случай, когда молекулы жидкокристаллической пленки, заключенной между стеклянными листами светового табло, расположены параллельно твердой поверхности. Подключим табло к источнику электрического тока напряжением 1—2 вольта. Между прозрачными электродами начнется движение электрических зарядов — ионов. Но это дви жение еще очень слабое, оно не может изменить стру ктуру жидкокристаллической пленки. Жидкий кри сталл пока не подает признаков жизни.
Несколько поднимем напряжение. Поток ионов от одного электрода к другому увеличится и сможет не много отклонить молекулы-стерженьки от первона чального положения. Белый свет, до того проходивший через жидкокристаллическое вещество беспрепятст венно, теперь станет расщепляться и отражаться на клоненными молекулами, как гранями микроскопиче ских призмочек. Жидкокристаллическая пленка обре тет цвет, который будет меняться по мере дальнейшей
деформации структуры слоя.
Но вот напряжение еще немного увеличилось. Мо лекулы не выдерживают напора электрических заря дов и начинают двигаться по кругу. Однако, как мы помним, им присуща склонность к порядку, строю, кол лективным действиям. И теперь под влиянием элек трических сил они действуют сообща. В жидкокристал лической пленке возникает вихревое движение ве щества. Вихри лежат в плоскости слоя параллельно друг другу.
109
Возникает как бы периодическое изменение моле кулярной ориентации в слое. А так как с изменением ориентации меняется и показатель преломления света жидким кристаллом, вся пленка разбивается на свет лые и темные полосы. Это объясняется тем, что свет, проходя через молекулярные вихри, непрерывно от клоняется в сторону большего показателя преломле ния. Лучи искривляются. Линии схождения лучей бу дут наблюдаться в виде светлых полос. В этом случае жидкий кристалл ведет себя как множество лежащих рядом мелких цилиндрических линз.
А что произойдет, если еще больше повысить нап ряжение? При 15—17 вольтах вихри станут беспоря дочными, и полосы на табло полностью исчезнут. Оно сделается молочно-белым. Жидкокристаллический «иней» рассеивает до 95 процентов падающих лучей. Такое явление специалисты называют динамическим рассеянием света.
ПО
Возникает немало вопросов. Например, почему пленка не приобретает под действием больших напря жений цветовых оттенков, каков механизм динамичес кого рассеяния?
В беспорядочном движении в толще жидкого крис талла участвуют довольно крупные группировки моле
кул — размер частиц вещества больше длины |
свето |
вой волны. Такие частицы не могут разлагать |
белый |
свет на составляющие, отражать лучи спектра. Значит, и пленка Не может окрашиваться.
Каждая кувыркающаяся частичка имеет опреде ленный показатель преломления света. Этот показа тель неодинаков для лучей, проходящих через нее в разных направлениях. Если она расположится своими длинными молекулярными осями параллельно лучу,
показатель |
преломления составит приблизительно |
1,8, а если |
перпендикулярно — лишь 1,5. При проме |
жуточных углах ориентации этот показатель будет меняться от 1,8 до 1,5.
Жидкий кристалл, частицы которого пребывают в хаотическом движении, можно сравнить с жидкостью, в которую погружены мельчайшие инородные частицы, обладающие разными показателями преломления. Пе реходя из воды, у которой свой показатель преломле ния, в находящиеся в ней частицы, лучи света на гра ницах двух сред сильно преломляются и отражаются. А так как частиц множество, получается, что вся жид кость сплошь состоит из рассеивающих границ. Конеч но, пробиться сквозь такое фантастическое образова ние свет практически не может и почти весь рассеива ется. Такова приближенно оптическая модель жидко кристаллической пленки, вещество которой пришло в хаотическое движение.
Рассмотрим теперь поведение слоя жидкого крис талла, молекулы которого ориентированы перпендпку-
лярно плоскости подложки (наблюдение ведется в по ляризованном свете). Для начального этапа действия электрического поля также характерен наклон оптичес кой оси молекул, что сопровождается сменой интерфе ренционной окраски пленки. Затем образуются пере межающиеся полосы света и тени. Дальнейший рост напряжения ведет к разрушению полос и возникнове нию жидкокристаллического «инея» — динамического рассеяния света. Все, как в предыдущем случае. Един ственное существенное отличие заключается в том, что теперь для получения тех же оптических эффектов приложено вдвое большее напряжение, чем когда мо лекулы расположены параллельно подложке. Моно кристаллы с закрученной структурой ведут себя анало гичным образом, но для них достаточно в 2 раза мень шее напряжение.
Описанные оптические явления применяются не только в транспарантах и табло, но п в других устрой ствах, например в приборе, где система полос, появ ляющихся на жидких кристаллах, действует на узкий пучок белого света подобно обычной дифракционной решетке — рассекает его на несколько максимумов.
Этот прибор отличается от аналогичных традицион ных замечательными свойствами. Он обладает уни кальной способностью под влиянием электрического поля менять угол отклонения луча на заданную вели чину. Управляемая электрическим напряжением жид кокристаллическая дифракционная решетка отклоняет луч света на 80 и даже более градусов. Каждая полоса в этой решетке нс что иное, как цилиндрическая линза, которая собирает лучи и фокусирует их в виде линий. Но в отличие от настоящих, стеклянных линз жидко кристаллические могут по нашему желанию мгновен но и сколь угодно часто менять свои параметры, а за одно и свойства дифракционной решетки.
СОТВОРЕНИЕ РАДУГИ
Не только производные холестерина скрывают в своих недрах радугу. Под действием слабого элект рического напряжения, когда молекулы начинают менять направление ориентации, а жидкий монокри сталл деформироваться, возникает целый спектр кра
сок.
Варьируя напряжение в пределах до 5 вольт, на транспарантах и табло нетрудно получать изображе ния самых разных оттенков. Одновременно можно иг рать цветом фона, на котором формируются цифры и знаки. Конструктивно это довольно просто. Надо не вытравить, а обтравпть изображение, прочертить в прозрачном электроде контуры, изолирующие изобра жение от фона, и, конечно, подвести напряжение к то
му и другому.
Однако цветовые возможности нематических крис таллов используются не очень широко. Чтобы увидеть переливы цвета, надо поместить транспарант между поляроидами — особыми стеклами, поляризующими световую волну. Эти стекла сильно ослабляют лучи — как падающие, так и отраженные. Значит, транспарант нужно дополнительно подсвечивать или сконструиро вать его таким образом, чтобы он работал на про свет. Все это усложняет устройство прибора, умень шает его надежность, повышает стоимость. Кроме того, для обычных экранов и табло набор всех цветов радуги совсем не обязателен — вполне достаточно
двух.
Такой двухцветный вариант чаще всего и применя ется. Перед тем как поместить жидкокристаллическое вещество между стеклами экрана, в нем растворяют
особый краситель (растворить — значит |
тщательно, |
равномерно перемешать молекулы обоих |
веществ). |
8 |
Жидкая радуга |
113 |
Снаружи, со стороны падающего света, на транспа рант наклеивают поляризатор. Молекулы жидкого кри сталла ориентируют параллельно твердой поверхности. Частицы красителя, которые сориентировались вместе с жидкокристаллическими частицами, в этом положе нии будут поглощать из белого света лучи со строго определенной длиной волны. При поглощении волны, например, длиной 620 микром поле экрана окажется желтым.
Если на прозрачные электроды подать электриче ское напряжение, то молекулы жидкого кристалла, а с ними и равномерно рассеянные в слое молекулы кра сителя повернутся и станут вдоль линий электрическо го поля перпендикулярно подложке. При таком поло жении частицы красителя свет не поглощают и слой будет прозрачным и бесцветным.
114
ЗАПОМИНАНИЕ ТРЕНИЕМ
Запоминающие жидкокристаллические устройст ва — это, грубо говоря, те же транспаранты и экраны. Разница между ними лишь в том, что для таких уст ройств подбираются смеси жидких кристаллов, обла дающие значительными силами внутреннего трения. В данном случае трение играет роль памяти.
Электрическое поле, поданное на запоминающие ячейки, нарушает молекулярный порядок. Возникает эффект динамического рассеяния света, прозрачность исчезает. Когда электрический ток отключается, в об разце не восстанавливается прежняя структура и он продолжает рассеивать падающий на него свет. Что бы вернуться в первоначальное состояние, жидкий кристалл должен испытать действие переменного электрического поля с частотой колебаний в несколько тысяч герц. Только после такой встряски удастся рас шатать закостеневшие молекулы, вернуть их в исход ное положение, т. е. стереть изображение.
В последнее время в запоминающих устройствах начинают применяться смектические жидкие кристал лы, круг использования которых недавно был крайне ограничен. Изображение записывается с помощью той же системы, что и при его записи на холестерические кристаллы. Однако ячейка, заполненная смектиком, обладает двумя существенными преимуществами: с нее можно стереть любую часть изображения и она дает гораздо более контрастное изображение.
Недостатком ячейки является то, что стереть с нее изображение полностью более сложно, чем стереть изображение с ячейки холестерического жидкого крис талла: смектики не реагируют, по крайней мере, какоето время на приложенное к ним электрическое поле. Для того чтобы полностью стереть изображение, необ
115