Файл: Васин, М. Д. Жидкая радуга.pdf

точку. Но при этом управление цифровой ячейкой ус­ ложняется: надо включать и выключать довольно боль­ шое количество проводничков. Впрочем, с такой зада­ чей с успехом может справиться маломощное элект­ ронное устройство.

Но коль это так, то почему бы не покрыть одну из стеклянных панелей сотнями изолированных друг от друга точек прозрачного электрода, не вывести от них проводники на электронную вычислительную машину, а потом с ее помощью рисовать на нем цифры, буквы, слова? Получилась бы превосходная световая газета.

ЗАПОМИНАТЬ, СЧИТАТЬ, ЗАБЫВАТЬ

Создавая современную технику, конструкторы оза­ бочены не только тем, как формировать и воспроизво­ дить изображение, но и как сохранять его. Проблема «образной» машинной памяти решается разными сред­ ствами. Одно из новейших — жидкие кристаллы: они способны запомнить то изображение, которое воспро­ извели.

Простейшая ячейка «жидкокристаллической памя­ ти» мало отличается от простейших световых индика­ торов и табло. На прозрачный электрод фотолитогра­ фическим способом наносят цифры пли знаки, которые требуется запомнить, а затем закрашивают их кри­ сталлической жидкостью. Необходимо соблюсти лишь одно условие: жидкокристаллическое вещество должно обладать значительными силами внутреннего трения. Благодаря этому изображение, появившееся под дей­ ствием электрического поля, не исчезает и после вы­ ключения тока.

Чтобы растопить жидкокристаллический «иней»,

70

стереть запомненное, надо подать на ячейку памяти переменное электрическое поле с частотой колебаний в несколько тысяч герц. Только тогда жидкий кристалл обретет прозрачность, станет «чистой доской», готовой вновь воспринимать информацию и сохранять ее.

Конечно, возможности такой ячейки весьма невели­ ки. Но если к запоминающему устройству предъяв­ ляются более высокие требования, то при соответству­ ющем усложнении процесса записи информации жид­ кий кристалл, коль можно так сказать, не ударит в грязь лицом.

Вот, к примеру, детально разработанный и хорошо освоенный способ тепловой записи изображения, при котором в качестве пишущего инструмента использу­ ется инфракрасный лазер. Его горячий луч насыщает­ ся информацией с помощью оптического модулятора (как мы помним, эту задачу можно с успехом решать и с помощью жидкокристаллического прибора). Дру­ гие приспособления отклоняют световой пучок по вер­ тикали и горизонтали — заставляют его «писать» стро­ ку за строкой.

Нагруженный информацией и обученный правилам письма луч попадает на «писчий лист» — специальную жидкокристаллическую ячейку памяти. Ее конструк­ ция отличается некоторыми особенностями в сравне­ нии с конструкцией классического пятислойного «бу­ терброда». Вместо стекла здесь используют пластины

-плавленого кварца. Пленочные электроды, нанесенные на них, хотя и прозрачны для видимого света, но по­ глощают инфракрасное излучение. Жидкокристалли­ ческая смесь после нагревания должна долго сохра­ нять непрозрачность. Обычно это вещество холестери­ ческой природы, близкое тем, которые используются для тепловых измерений.

Когда установка начинает работать, инфракрасный

71

луч, промодулированный по интенсивности, попадает на ячейку памяти — начало первой строки. Крошечный участок пленочного электрода поглощает невидимые лучи и разогревается. Степень нагрева зависит от ин­ тенсивности инфракрасного светового потока, т. е. от того, какая информация наложена на него при модули­ ровании. Слой жидкого кристалла, примыкающий к разогретому участку, мгновенно реагирует и мутнеет. Чем больше нагрев, тем более непрозрачной становит­ ся пленка кристаллической жидкости.

Луч лазера передвигается на соседний участок. За­ кончив строку, он перебегает на вторую, третью, четвертую. Каждый его тепловой след пунктуально фиксируется жидким кристаллом: все изменения ин­ тенсивности луча отмечаются интенсивностью помут­ нения.

Письмена, начертанные невидимым лазерным «пе­ ром» на невидимой жидкокристаллической «бумаге», сохраняются неизменными в течение сотен часов. В любую минуту они могут быть прочтены с помощью несложной проекционной системы — на экране возник­ нут участки с разной степенью прозрачности.

Запись изображения осуществляется со скоростью 100 тысяч элементов в секунду. Диаметр каждого эле­ мента, получающегося на жидкокристаллической ячей­ ке, равен 15 микронам. На почтовой марке средней ве­ личины поместилось бы около 5 миллионов таких эле­ ментов. При проецировании изображения на экран контраст между значащими участками н фоном (он по­ казывает, насколько легко читается записанное) мо­ жет достигать весьма высокого уровня — 20 : 1 (напом­ ним, что контраст печатного текста составляет в сред­ нем 10 : 1).

Чтобы стереть в жидкокристаллической памяти за­ писанные лазерным лучом образы, надо подать на про-

72

зрачные электроды переменное поле с напряжением 35 вольт и частотой 1,5 килогерца. На процедуру «за­ бывания» потребуется 0,1 секунды.

Жидкие кристаллы оказались остро необходимыми для третьего поколения вычислительных машин, в ча­ стности для оптических вычислительных машин. В этих машинах сигналы передают из блока в блок не потоки электронов, а световые лучи, что значительно повыша­ ет скорость счета.

Машины должны перерабатывать информацию в виде двумерных массивов, т. е. в виде таблиц и гра­ фиков. Очень уместными при этом оказываются жид­ кокристаллические управляемые транспаранты: с пх помощью можно вводить в искусственный мозг таб­ лицы, графики, иные изображения. Подобные устрой­ ства, установленные на выходе машины, сделают ито­ говые сигналы видимыми. Оператор получит готовый чертеж проектируемого механизма,- график, отобра-

73

жающин течение сложного физико-химического про­ цесса.

Транспаранты и световые клапаны на анизотроп­ ных жидкостях способны работать н внутри машины, участвуя в выполнении логических операций.

И наконец, проблема машинной памяти. Мы рас­ сказывали о конструкции и работе жидкокристалличе­ ских запоминающих ячеек. Подобные конструкции могут применяться в оптических вычислительных ма­ шинах.

Управление жидкокристаллическим устройством обычно осуществляется с помощью электрического или магнитного поля. Их может заменить и свет. С одним из вариантов такой замены мы уже познакомились: с помощью лазерного луча и чувствительной к инфра­ красному свету подложки изменяют оптические свой­ ства жидкокристаллической пленки.

Задачи управления можно решать, например, итак: одно из стекол транспаранта дополнительно покрыва­ ют светочувствительным слоем, который под действи­ ем света меняет свое электрическое сопротивление. По­ является возможность с помощью света влиять на электрическое и магнитное поля, создаваемые подлож­ кой, а следовательно, и на оптические свойства жид­ кого кристалла.

Перед жидкими кристаллами открылась дорога в самые разные отрасли техники. Широкий интерес к ним объясняется, кроме всего прочего, высокой эконо­ мичностью жидкокристаллических устройств, чрезвы­ чайно малым потреблением ими энергии. Например, циферблату наручных часов на жидком кристалле до­ статочно долей микроватта. На батарейке размером с таблетку аспирина табло таких часов может работать несколько лет.

И в более значительных по размерам устройствах

74

АНАТОМИЯ ЧУДА

ПЯТОЕ ПРАВИЛО

Читателя, наверное, давно мучает вопрос: каким образом жидким кристаллам удается реагировать на столь непохожие воздействия? Этот вопрос интересует и ученых. Четкого ответа на него пока нет. Несмотря на свои солидный восьмидесятилетии?! возраст, наука, изучающая анизотропные жидкости, все еще пребыва­ ет во младенчестве. Выявлено множество фантастиче­ ских свойств этих веществ, обозначились разнообраз­ нейшие области их применения, но все еще нет полной п убедительной теории, объясняющей причины сущест­ вования жидкокристаллической формы материи.

Однако накопилось достаточно много эксперимен­ тального и теоретического материала для того, чтобы можно было взглянуть на жидкую радугу, на процес­ сы, происходящие в ней, так сказать, изнутри. Благо­ даря фундаментальным работам по исследованию структуры и свойств анизотропных жидкостей выясне­ ны основные условия их образования. Во-первых, в жидкокристаллическом состоянии могут пребывать лишь те вещества, которые способны образовывать твердые кристаллы. Во-вторых, их молекулы должны обязательно иметь удлиненную форму — форму стер­ женьков или вытянутых пластинок.

Следует оговориться — далеко не все вещества с подобными молекулами дают жидкие кристаллы. Ска­

76

жем, молекулы парафина очень длинны и узки, но жид­ кие кристаллы на основе парафина пока неизвестны. По-внднмому, молекулам парафина не хватает жест­ кости, они слишком легко изгибаются, тогда как у всех изученных жидких кристаллов молекулы весьма жест­ ки. Жесткость молекул —это третье необходимое ус­ ловие, которому должно удовлетворять вещество, если оно претендует на роль жидкого кристалла.

Соблюдение этих трех условий необходимо. Но все же их недостаточно для того, чтобы гарантировать воз­ никновение жидкого кристалла. Обязательно выполне­ ние четвертого условия — молекулы должны сравни­ тельно сильно взаимодействовать между собой.

И лишь тогда, когда все условия выполнены, мы по­ лучаем основания уверенно заявить: данное вещество может образовать промежуточную, жидкокристалли­ ческую фазу — мезофазу...

Вчитавшись в эти строки, один из авторов книги, журналист, решил прояснить смысл «заявления» и от­ редактировал его так:

«Данное вещество в определенных условиях обяза­ тельно должно образовать мезофазу...»

Когда эта часть текста, совершив путешествие по почте, оказалась перед глазами второго автора, физи­ ка, он немедленно вымарал тремя чертами слово «обя­ зательно», двумя — «должно», а затем перечеркнул крест-накрест и все «заявление». На полях физик на­ писал, что на однозначные предсказания наука пока не

способна.

Журналисту ничего не оставалось, как объединить и подогнать друг к другу имеющиеся в его распоряже­ нии остатки текста и надпись на полях. Получилось

вот что:

«Только тогда, когда все четыре правила выполне­ ны, появляются основания утверждать, что данное ве-

77

щество может образовать (а может и не образовать) промежуточную, жидкокристаллическую фазу — мезофазу. Ибо арсенал знаний, которым располагает миро­ вая наука сегодня, не позволяет однозначно предска­ зывать, какие химические соединения способны нахо­ диться в жидкокристаллическом состоянии».

Теперь физик не вычеркнул ничего: сказанное наи­ более точно отражало положение дел. Так родилось наше собственное «пятое правило мезофазы». Оно, как будет видно из последующего, применимо во многих случаях, когда речь идет о жидких кристаллах.

Итак, если окажется, что соединение все-такн спо­ собно образовать мезофазу, то получить жидкий кри­ сталл не представляет труда. Для этого твердый кри­ сталл надо расплавить либо растворить. Впрочем, лег­ кий успех и здесь не гарантируется (действует пятое правило!). Но об этом мы еще поговорим подробно.

А сейчас надо напомнить, что согласно примитив-

78

нон схеме расплавленный твердый кристалл дает кри­ сталл жидкий. Его молекулы расположены уже не в таком строгом порядке, как прежде. При дальнейшем нагревании образуется истинная жидкость, внутренняя структура которой характеризуется молекулярным хаосом.

Эти три состояния вещества хорошо различимы с помощью поляризационного микроскопа. Твердый кри­ сталл ярко светится, его грани прямолинейны и резко очерчены. Жидкий кристалл тоже выглядит ярко све­ тящимся, но границы его овальные, скругленные, ост­ рых углов нет. Жидкость не пропускает света, и в поле зрения микроскопа — тьма.

Внутреннее строение жидкокристаллических ве­ ществ весьма различно и изменчиво. Это обстоятель­ ство создавало немало трудностей для их изучения, для обобщения разрозненных фактов и наблюдений. Попытки составить классификацию жидких кристал­ лов вызывали ожесточенные споры. В настоящее вре­ мя в этом отношении, кажется, устанавливается согла­

сие.

Научные данные позволяют разделить все извест­ ные жидкие кристаллы по происхождению на два боль­ ших класса: термотропные и лиотропные.

В ПОИСКАХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ

Термотропные означает нечто вроде: побуждаемые температурой к фазовым переходам. Иначе говоря, термотропные жидкие кристаллы —это те, которые своим рождением и смертью обязаны изменениям тем­ пературы. Они остаются «живыми» только в строго оп­ ределенных температурных пределах.

Область существования жидких кристаллов у од­

79