Профессии жидких кристаллов

Всё чаще мы стали встречаться с т ермином “жидкие кристаллы” . Мы все часто с ними общаемся , и они играют немаловажную роль в нашей жизни . Мног ие соврем енные приборы и устройства работают на ни х . К таким относятся часы , термометры , дисп леи , мониторы и прочие устройства . Что же это за вещест ва с та ким парадоксальным названием “жидкие кристаллы” и почему к ним проявляется столь значительный интере с ? В наше время наука стала производительной силой , и поэтому , как правило , повышенный научный инт ерес к тому или иному явлению или объ екту означает , что это явление или объект представляет интерес для материаль ного прои зводст в а . В этом отноше нии не являются ис ключением и жидкие кри сталлы . Интерес к ним , прежде всего , обусло влен возможностями их эффективного при менения в ряде отраслей производственной деятельно сти . Внедрение жидких кристаллов означает эконом иче скую эффект ивность , простоту , удобство . Жидкий кристалл – это специфическое агрегатное со стояние ве щества , в котором оно проявляет одновре менно свойства кристалла и жидкости . Сразу надо огово риться , что далеко не все вещества могут находиться в жидкокристаллическо м состоянии . Большинство веществ может находит ься только в трех , всем хорошо известных агрегатных состояниях : твердом или кристалли ческом , жидком и газообразном . Оказывается , не которые органические вещества , обладающие сложным и молеку лами , кроме трех названных состояний , могут образовы вать четвертое агрега тное состояние — жидкокристалли ческое . Это состояние осущес твляется при плавлении кристаллов некоторых в еществ . При их плавлении обра зуется жидкокристаллическая фаза, отлич ающаяся от обычных жидкостей . Эта фаза сущ ествует в интервале от температуры плавления кристалла до некоторой более высокой тем пературы , при нагреве до которой жидкий кр исталл переходит в обычную жидкость . Чем ж е жидкий кристалл отличается от жидк о сти и обычного кристалла и чем по хож 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 эт о свойство , объединяющее его с жид костью , он обладает свойством , характерным для кри сталлов . Это — упорядочение в пространстве мол екул , образующих кристалл . Правда , это упорядоч ение не та кое полное , как в обычных к ристаллах , но , тем не менее , оно сущест венно влияет на свойства жидких крист аллов , чем и отличает их от обычных жи дкостей . Неполное про странственное упорядочение м олекул , образующих жид кий кристалл , проявляется в том , что в жидких кристал лах нет полного порядка в пространственном располо же н ии центров тяжести молекул , хотя частичный порядок может быть . Это означае т , что у них нет жесткой кри сталлической решетки . Поэтому жидкие кристаллы , по добно обычным жидкостям , обладают свойством текуче ст и. Обязательным свойством жидких кри сталлов , сбли жающим их с обычными кри сталлами , является наличие порядка” пространствен ной ориентации молекул . Такой порядок в ор иентации может проявляться , например , в том , что все длинные оси молекул в жидкокри сталличе ском образце ориентированы одинаково . Эти молек у лы должны обладать вытянут ой формой . Кроме простейше го названного упоря дочения осей молекул , в жидком кристалле м ожет осуществляться более сложный ориентационный порядок молекул. В зависимости от вида упорядочения осей молекул жидкие кристаллы разделяются на три разновидн ости : нематические , смектические и хо лестерические. Исследования п о физике жидких кристалло в и их при менениям в настоящее время ведутся широким фрон том во всех наиболе е развитых странах мира . Отечествен ные исследования сосредоточены как в а кадемических , так и от раслевых научно-исследовательских учреждени ях и имеют давние традиции . Шир окую известность и призна н ие получили выполненные еще в тридцатые годы в Ленинграде рабо ты В . К . Фредерикса к В . Н. Цветкова . В последние годы бурного изучения жидких крис таллов отечественные исследователи также вносят весомый вклад в развитие учения о жид к их крис т аллах 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 исс ле дователей широко известны научной общественнос ти и служат фундаментом ряда эффективных технических приложений жидки х кристаллов. Существование жидких кристаллов было установлено очень давн о , а именно в 1888 году , то ест ь по чти столетие назад . Хотя учёные и до 1888 года сталкивались с данным состоянием веществ а , но официально его открыли позже. Первым , кто обнаружил жидкие ? кристаллы , бы ?л авст рийский ученый- ботаник Рейнитцер. Исследуя новое син те з ированное им вещество холестерилбензоат, он об н а ружил , что при температ уре 145° С кристаллы этого ве щ ?ества плавятся , образуя мутную сильно рассе ивающую свет жидкость . При продолжении нагрева по достижени и температуры 179° С жидкость просветляется , т . е. начи на ет вести себя в опт ?ическом отноше н ии , как обычная жидк ость , например вода . Неожиданные ? свойст ва холестерилбензоат обнаруживал в мутной фазе Рассматри вая эту фазу под поляризацион ?ным микроскопом , Рей нитцер об наружил , что о на обладает д вупреломлением . Это означает , что показатель п реломления света , т . е ск орость света е этой фазе , зависит о т поляризации. Явление двупреломления — это типично крис талличе ский эффект , состоящий в том , что с корость света в кри сталле зависит от ори ентации плоскости поляризации света . Существенно , что она достигает экстремального максимальн ог о и минимального значений для двух вза имно ортогональных ориентаций плоскости поляризации . Разумеется , ориентации поляризации , со ответствующие экстремальным значениям скорости с вете в кристалле , определяются анизотропией с войств кристалла и одно значно з а даются ориентацией кристаллических осей отно сите льно направления распространения света. Поэтому сказан ное поясняет , что существование дву преломления в жидкости , которая должна быть изотроп ной , т . е . что ее свойства должны быть независящими от направлен ия , представлялось парадоксальным . Наиболее правдоподобным в то время могло казаться наличие в мутной фазе нерасплавившихся малых частичек кристалла , кристаллитов , которые и являлись источником двупреломления . Однако более детальные исследов ания , к которы м Рейнитцер привлек известного немецкого фи зика Леймана , показали , что мутная фаза не является двух фазной системой , т . е . не содержит в обычной жидкости кристаллических включений , а являет ся новым фазовым состоянием вещества . Этому фазовому состоянию Лей м ан дал название “жидкий кристалл” в связи с одно вре менно проявляемыми им свойствами жидкости и кристал ла . Употребляется также и другой термин для названия жидких кристаллов . Эт о — “мезофаза ” , что буквально означает “промежуточная фаза ”. В то врем я сущес твование жидких кристаллов пред ст авлялось каким-то курьезом , и никто не мог предполо жить , что их ожидает почти через сто лет большое буду щее в технических приложениях . Поэтому после некото рого интереса к жидким кристаллам сразу после их о т крытия о ни х через некоторое в ремя практически за были. Тем не мене е , уже в первые годы были выяснены мно гие другие удивительные свойства жидких крис таллов . Так , некоторые виды жидких кристаллов обладали не обычно высокой оптической активн остью. Оптической акт ивност ью называют способность неко торых веществ вращать плоскость поляризации проходя щег о через них света . Это означает , что ли нейно поля ризованный свет , распространяясь в таких средах , изме няет ориентацию плоскости п оляризации . Причем угол поворота плоскос т и поляризации прямо пропорционален пути , пройденному светом Так , в твер дых телах , как , впрочем , и в обычных жи д костях , удельная вращательная способность Ра имеет вполне определенный , независящий от д лины волны све та знак . Это означает , что вращение плоск ости поляри зации света в них происходит в определенном направле нии . Против часовой стрелки при положительном ф а и по часовой стрелке при отрицательном Ра . При этом подра зумевается , что наблюде ние за вращением плоскости по ляризации осуще ствляется вдоль направления распрост ранен ия света . Поэтому все оптически активные в еще ства подразделяются на правовращающие (если враще ние происходит по часовой стрелке ) и левовращающие (если вращение происходит проти в часовой стрелки ). В случае оптически активных жидких кристаллов та кая классификация сталкивала сь с трудностями . Дело в том , что напра вление (знак ) вращения в жидких кристал лах зависело от длины волн света . Для коротких длин в олн величина Ра , например , могла быть поло жи тельной , а для более длинноволнового света — отрица тель ной . А могло быть и наоборот . Однако ха рактерным для всех случаев было изменение знака вращения плос кости поляризации в зав исимости от длины волны света , или , как говорят , инверсия знака оптической активности . Такое поведение вращения пл оскости п оляризации со вершенно не укладывалось в рамк и существовавших представлений об оптической активности. Удивительными были также и другие свойства , такие , как сильная температурная зависимость названных ха рактеристик , их очень высокая чувствительно сть к внеш ним магнитным и электричес ким полям и так далее . Но прежде чем пытаться объяснить перечисленные свойства , необ ходимо понять , как устроены жидкие кристаллы , и , в частности , ознакомиться с их стр уктурными свойствами , ибо в конечном итоге для объ я снения описанных свойств наиболее существенными оказываются именно стру ктур ные характеристики жидких кристаллов. Здесь следует сказать , что в конце девятнадцатого — начале двадцатого века многие очень а вторитетные учёные весьма скептически относились к от крытию Рейнит-цера и Лемана . ( Имя Лемана также можно по праву свя зыват ь с открытием жидких кристаллов , поскольку он очень активно участвовал в первых и сследованиях жидких кристаллов , и даже самим термином “жидкие кри сталлы” мы обязаны именно ему .) Дело в том , что не только описанные противоречивые свойства жид ких кри сталлов представлялись многим авторитетам весьма со мнительными , но и в том , что свойства различных жидко кристаллических веществ (соединений , обладавших жид кокристаллической фаз ой ) оказыва л ись существенно раз личным и . Так , одни жидкие кристаллы обладали оче нь большой вязкостью , у других вязкость бы ла невелика . Одни жидкие кристаллы проявляли с изменением тем пературы резкое изменение окраски , так что их цвет пробегал все тона радуги , другие жидкие кристаллы та кого резкого изменения окраски не про являли . Наконец , внешний вид образцов , или , как принято говорить , тек стура , различных жид ких кристаллов при рассматрива нии их под микроскопом оказывался совсем различным . В од ном случае в поле по л яризационног о микроскопа могли быть видны образования , похожие на нити , в дру гом — наблюдались изображения , похожие на горный рельеф , а в третьем — картина напоминала отпечатки пальцев . Стоял также в опрос , почему жидкокристаллическая фаза наблюдает ся при плавлении только некоторых вещес тв ? Время шло , факты о жидких кристаллах постепенно нак апливались , но не было общего принципа , ко торый позволил бы установить какую-то систему в представле ниях о жидких кристаллах . Ка к говорят , настало время для классифи к ации предмета исследований . Заслуга в создани и основ современной классификации жидких кри сталлов принадлежит французскому ученому Ж . Ф риделю . В двадцатые годы Фридель предложил разделить все жидкие кристаллы на две большие группы . Одну группу жидких кри с таллов Фридель назвал нематическими , дру гую смектическими . (Почему такие на первый взгляд не понятные названия дал Фридель разно видностям жидких кристаллов , будет понятно не сколько ниже .) Он же пред ложил общий терми н для жидких кристаллов — “мезо морфная фаза” . Эт от термин происходит от греческого слова “мезос” (промежуточный ), а вводя его , Фридель хотел подчеркнуть , что жидкие кристаллы зан имают про межуточное положение между истинными кристаллами и жидкостями как по температур е , так и по своим физи чес к им свойствам . Нематические жидкие кристаллы в классификации Фриделя включали уже упоминавшие ся выше холестерические жидкие кристаллы как подкласс . Когда классификация жидких кристал лов была созда на , более остро встал вопро с : почему в природе реализу ется жи дкокристаллическое состояние ? Полным ответом на подобный вопрос принято считать создание м икроско пической теории . Но в то время на такую теорию не при ходилось и надеяться (кстати , последовательной микро скопической теори и ЖК не существует и по сей ден ь ), поэтому большим шагом вперед было создание чешским ученым X. Цохером и голландцем С . Озерном феноме нологической теории жидких кр исталлов , или , как ее при нято называть , тео рии упругости ЖК . В 30-х годах в СССР В . К . Фредерике и В . Н . Цветков первым и из учили не обычные электрические свойст ва жидких кристаллов . Можно условно считать , что рассказанное выше отно силось к предыс тории жидких кристаллов , ко времени , когда исследования ЖК велись малочисленными коллек тива ми . Современный этап изучения жидких кр и сталлов , который начался в 60-е годы и придал науке о ЖК сегод няшние формы , методы исследований , широкий размах р абот сформировался под непосредственным влиянием успехов в технических прило ж ениях жидких кристаллов , особенно в системах отображения информации . В это время было понято и практически доказано , что в наш век микроэлектроники , характер изующийся внедрением микроминиатюрных электронных устройств , потребляю щих ничтожные мощности эне ргии для устройств инди кации информ а ции , т . е. связи прибора с человеком , наи более подходящими ока зываются индикаторы на ЖК . Дело в том , что такие устройства отображения инфор мации на ЖК естественным образом вписываются в энер гетику и габариты микроэлектронны х с хем . Они потреб ляют ничтожн ые мощности и могут быть выполнены в виде миниатюрных индикаторов или плоских экранов . Все это предопределяет массовое внедрение жидкокристал лических индикаторов в сис т е мы отобр а жения информа ции , свидете л ями которого мы являемся ” настоящее время . Чтобы осознать этот процес с , достаточно вспом нить о часах или микро калькуляторах с жидкокристалли ческими индикато рами . Но это только начало . На смену тр адиционным и привычным устройствам идут жидко кристаллические системы отображения информации. jkbk часто бывает , технические потребности не только стимулируют разработку проблем , связа нных с практи ческими приложениями , но и часто заставляют переос мыслить общее отн ошение к соответствующему разделу науки . Так произошло и с жидкими кристаллами . Сейчас понятно , что это важнейший раздел физики конденсиро ванного состояния. Другим важным об стоятельством является то , что пров одимость в жидких кристаллах носит ионный харак тер . Это означает , что ответственными за перенос элек трического тока в ЖК явля ются не электроны , как в ме таллах , а г ораздо более массивные частицы . Это поло жител ьно и от р ицательно заряженные фра гменты моле кул (или сами молекулы ), отдавшие или захватившие из быточный электрон . По эт ой причине электропроводность жидких кристаллов сильно зависит от количества и хими ческ ой природы содержащихся в них примесей . В част ности , э лектропроводность нематика можно целена правленно изменять , добавляя в него контролируемо” количество ионных добавок , в качестве которых могут выступать некот орые соли. Из сказанного понятно , что ток в ж идком кристалле представляет собой направленное движе ние ионов в системе ориентирова нных палочек-молекул . Если ионы представить се бе в виде шариков , то свойство нематика обладать проводимостью вдоль директора в р . больше , чему , представляется совершенно естес твенным и по нятным . Действительно , при движени и ш ариков вдоль директора они и спытывают меньше помех от молекул-палочек , чем при движении поперек молекул-палочек . В р езультате чего и следует ожидать , что прод ольная проводимость о II будет превосходить поперечную про води мость. Более того , обсуждаемая моде ль шариков-ионов в сист еме ориентированных палочек-молекул с необходи мос тью приводит к следующему важному заключению . Двигаясь под действием электрического тока поперек направления директора (мы считаем , что поле приложе но поперек директора ), ионы , стал к иваясь с молекула ми-палочками , будут стремиться развернуть их вдоль нап равления движения ионов , т . е . вдоль направ ления электрического тока . Мы приходим к з аключению , что электрический ток в жидком кристалле должен приво дить к переориентации директора. Э ксперимен т подтверждает выводы рассмотренной выше прос той механической модели прохождения тока в жидком кристалле . Однако во многих случаях ситуа ция оказывается не такой простой , к ак может показать ся на первый взгляд. Часто постоя нное напряжение , приложе нное к слою не матика , вызывает в результате возникшего тока не однородное изменение ориентации молекул , а периоди ческое в пространстве возмущение ориентации директо ра . Дело здесь в том , что , говоря об ориентирующем молекулы нематик а воздействии ионов но с ителей ток а , мы пока что пренебрегали тем , что ио ны будут вовле кать в свое движение также и молекулы нематика . В ре зультате такого вовлечения прохождение тока в жид ком кр исталле может сопровождаться гидродинамичес кими потоками , вследствие чего может у с тановиться пе риодическое в пространстве распреде ление скоростей течения жидкого кристалла . Вс ледствие обсуждав шейся в предыдущем разделе связи потоков жидкого кристалла с ориентацией директора в слое нематика воз никнет пер иодическое возмущение распред е ления д иректора . Подробней на этом интересном и в ажном в при ложении жидких кристаллов явлении мы остановимся ниже , рассказывая об элект рооптике нематиков. Флексоэлектричес кий эффект. Говоря о форме м о лекул жидкого кристалла , мы пока аппроксимир овали ее ж есткой палочкой . А всегда ли такая аппроксимация хороша ? Рассматривая модели структур молекул , можно прийти к заключению , что не для всех соединений приб лижение молекула-палочка наиболее адекватно и х фор ме . Далее мы увидим , что с формой молекул связан р я д интересных , наблюдаемых на опыте , свойств жид ких крист аллов . Сейчас мы остановимся на одном из таких свойств жидких кристаллов , связанном с отклоне нием ее формы от простейшей м олекулы-палочки , про являющемся в существовании фл ексоэлектрического эффек т а. Интересно , что открытие флексоэлектрического эф фекта , как и ногда говорят о теоретических предсказа ниях , было сделано на кончике пера американским физи ком Р . Мейером в 1969 году. Рассматривая м одели жидких кристаллов , образо ванных не моле кулами-палоч ками , а молекулами более сложн ой формы , он задал себе вопрос : “Как фо рма молекулы может обнаружить себя в макр оскопических свойствах ?” Для конкретности Р . Мейер предположил , что молекулы имеют гр ушеобразную или банановидную форму . Далее он предположил , чт о отклонение формы молекулы от простейшей , рассматривавшейся ранее , сопровождается возникновением у нее электри ческого дипольного момента. Возникновение д ипольного момента у молекулы не симметричной формы — типич ное явление и связано оно с тем , что располож ение “центра тяжести” отрица тельн ого электрического заряда электронов в молеку ле может быть несколько смещено относительно “центра тяжести” положительных зарядов атомн ых ядер моле кулы . Это относительное смещение отрицательных и по ложительных зарядов от н осительно друг друга и приво дит к возникновению электрического дипольного мо мен та молекулы . При этом в целом молекула остается нейт ральной , так как величина о трицательного заряда элек тронов в точности р авна положительному заряду ядер . Величина дип ольн о го момента равна произведению за ряда одного из знаков на величину их относительного смещения . Направлен дипольный момент вдоль направ ления смещения от отрицат ельного заряда к положи тельному . Для грушеобр азной молекулы направление ди польного момента по симметричным соображениям должно совпадать с осью вращения , для банановидной молекулы — направлено поперек длинной оси. Рассматривая ж идкий кристалл таких молекул , легко понять , что без влияния на него внешних воздей ствий дипольный момент макроскопически мало го , но , разуме ется , содержащего большое число молекул объема жид кого кристалла , равен нулю . Это связано с тем , что нап равление директора в жидком кристалле задается орие н тацией длинных осей молекул , количество же молекул , дипольный момент которых на правлен по директору в ту и другую ст орону — для грушеобразных молекул , или для банановидных молекул — п оперек направления ди ректора в ту и друг ую сторону , одинаково . В ре зультате дипольный момент любого макроскопиче ского объема жидк ого кристалла раве н нулю , так как он равен сумме дипольных моментов отдельных молекул. Так , однако , дело обстоит лишь в неискаженном об разце . Стоит путем внешнего воздействия , например ме ханического , исказить , скажем , изогнуть его , ка к моле кулы начнут выстраиваться , и ра спределение направле ний дипольных моментов отдел ьных молекул вдоль ди ректора для грушеподобн ых молекул и поперек директо ра для банан овидных будет неравновероятным . Это означает , что возникает преимущественное направление ориен тации дипольных моментов о т дельных молекул и , как следствие , появляется макроск опический дипольный момент в объеме жидкого кристалла . Причиной такого выстраивания явля ются сферические факторы , т . е . фак торы , об еспечивающие плотнейшую упаковку молекул . Плотней шей упаковке молекул и м енно и соответствует такое выстраивание молекул , при котором их дипольные моменты “смотрят” п реимущественно в одну сто рону. С макроскопиче ской точки зрения рассмотренный эффект проявл яется в возникновении в слое жидкого крис талла электрического поля при д еформации . Как видно из рисунка , это связано с тем , что при выстраива нии диполей на одной поверхности деформированного кристалла ока зывается избыток зарядов одного , а на прот ивоположной поверхности — другого знака . Таким обрезом , нал ичие или отсутствие фл ексоэлектрического эффекта несет информацию о форме молекул и ее дипольном моменте . Для молекул-палочек такой эффект отсутствует . Для только что рассмотренных форм моле кул эффект есть . Од нако , как уже , наверное , заметили наиболее внимательные читатели , д л я грушеподоб ных и банановидных молекул для наблюдения возникновения электрического поля в слое н адо вызвать в нем разли чные деформации . Г рушеподобных молекулы дают эф фект при попере чном изгибе , а банановидные — при продольном изгибе жидкого кристалла Пре дсказанный теоретически флексоэлектри ческий эффект вскоре был обнаружен эксперимен тально . При чем на эксперименте можно было пользоваться как пря мым , так и обратным эффектом . Это означает , что можно не тол ько путем деформации ЖК индуцировать в не м электр и ческое поле и макроскопи ческий диполь ный момент (прямой эффект ), но и , прикладывая к об разцу внешнее электриче ское поле , вызывать дефор мацию ориентации дир ектора в жидком кристалле. Мы поняли что такое жидкие кристаллы , ну а для чего же они н ужны ? Эле ктронная игра , электронны й словарь и телевизор на жк” Известно , како й популярностью пользовались различные электронн ые игры , обычно устанавлива емые в специальной комнате аттракционов в местах об щественного отдыха или фойе кинотеатров . Успехи в разработке матричных жидкокристаллических ди сплеев сделали возможным создание и массовое производство подобных игр в миниатюрном , так сказать , карманном ис полнении . Игра “Ну , погоди !” , ос воена отечественной промышленность ю . Габариты этой игры , как у записной к ниж к и , а основным ее эле ментом является жидкокристаллический матричный дис плей , на котором высвечиваются изображения волка , зай ца , кур и катящихся по желобам яиче к . Задача играюще го , нажимая кнопки управления , заставить волка , пере мещаясь от желоба к жел о бу , ловить скатывающиеся с желобов яички в корзину , чтобы не дать им упасть на землю и разбиться . Здесь же отметим , что , помимо раз влекательного назначения , эта игрушка выполняет роль часов и будильника , т . е . в другом режиме работы на дисплее “высвечива е тся” время и может подаваться зву ковой сигна л в требуемый момент времени. Еще один вп ечатляющий пример эффективности со юза матричных дисплеев на жидких кристаллах и микро эл ектронной техники дают современные электронные словари , которые начали выпускать в Я понии . Они пред ставляют собой миниатюрные выч ислительные машинки размером с обычный карман ный микрокалькулятор , в память которых введен ы слова на двух (или больше ) языках и которые снабжены матричным дисплеем и кл а виатурой с алфавитом . Набирая на кла в иатуре слово на одном языке , вы м оментально получаете на дисплее его перевод на другой язык . Представьте себе , как улучшит ся и облегчится процесс обучения инос транным язы кам в школе и в вузе , если каждый учащийся будет снаб жен подобным словарем ) А набл ю дая , как быстро изде лия микроэлектроники внедряются в нашу жизнь , можно с уверенностью сказать , что такое время не за горами ) Легко предста вить и пути дальнейшего совершенствова ния та ких словарей-переводчиков : переводится не одно слово , а целое предложе н ие . Кром е того , перевод мо жет быть и озвучен . Словом , внедрение таких словарей-переводчиков сули т революцию в изучении языков и технике перевода. Требования к матричному дисплею , используемому в качестве экрана телевизора , оказываются значительно в ыше 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 изобра же ние на экране формируется из 625 строк (и прибли зи тел ьно из такого же числа элементо в состоит каждая строка ), а время записи одного кадра 40 мс . Поэтому практическая реализация тел евизора с жидкокристалли ческим экраном оказывает ся более трудной задачей . Тем не менее , налицо первые успехи в техническом решен ии и этой задачи . Так , японская фир ма “Сони” наладила про изводство миниатюрного , умещающегося практически на ладони телевизора с черно-белым изображением и размером экр ана 3,6 см . Несо мненно , в будущем удаст ся создать телевизоры на ЖК как с более крупным и э к ранами , так и с цветным изображением. Союз микроэлек троники и жидких кристаллов оказы вается чрез вычайно эффективным не только в готовом и зделии , но и на стадии изготовления интегр альных схем . Как известно , одним из этапов производства микросхем являе тся фотолито графия , которая состоит в нанесении на пов ерхность полупроводникового материала специ альных масок , а затем в вытравливании с помощь ю фотографической техники так называемых лито графических окон . Эти окна в результате да льнейшего процесса про и з водства прео бразуются в элементы и соединения ми кроэлект ронной схемы . От того , насколько малы разм е ры соответствующих окон , зависит число элеме нтов схемы , которые могут быть размещены н а единице площади полупроводника , а от то чности и качества вытравли в ания о кон зависит качество микросхемы . Выше уже говорилось о контроле качества готовых микрос хем с помощью холестерических жидких кристалл ов , которые визуализируют поле температур на работающей схеме и позволяют выделить уч астки схемы с аномальным теплов ы д елением . Не менее полезным оказалось применен ие жидких кристаллов (теперь уж нематических ) на стадии контроля качества литографических работ . Для этого на полупроводниковую пла стину с протравленными литогра фическими окнами наносится ориентированный слой нематика , а затем к ней прикладывается электрическ ое напряжение . В результате в поляризованном свете карти на " вытравленн ых окон отчетливо визуализируется . Более того , этот метод позволяет выявить очень малые по размерам неточности и дефекты литогра фиче ских работ , 1 протяженность которых всего 0,01 мкм . Некоторое время тому назад необыч ной популярностью в США пользовалась новинка юве лирного произво дства , получившая название “перстень настроения” . За год было продано 50 мил лионов таких перстней , т . е. практически каждая взрослая женщина имела это ювелирное изделие . Что же п ривлекло внима ние любител и бижутерии к этому перстню ? Оказывается , он обладал совершенно мист ическим св ойством реагиро в ать на настроение его владельца . Реакция состояла в том , что цвет камешка перстня следовал за настроением вла дельца , пробегая все ц вета радуги от красного до фио летового . В от это сочетание таинстве нного свойства уга дывать настроение , декоративность перстня , обеспечи ваемая яркой и меняющейся окраской камешка , плюс низкая цена и обеспечили успех перстню настроения. Пожалуй , и менно тогда впервые широкие массы стол кнулис ь с загадочным термином “жидки е крист аллы” . Дело в том , что каждому владельцу перстня хотелось знать его секрет слежения за настроением . Однако ни чего толком не было известно , говорилось , только , что кам ешек перстня сделан на жидком кристалле . Д ля чита теля , который знаком с жидкими к ристаллами , нужно сде лать уточнение — на холестерическом жидком кри сталле , а секрет перстня настроения связан с его удивительными оптическими свойствами . Тем , который только слышал о жидких кри сталлах , а может быть , и не слыш ал о них вообще , чтобы раскрыть секрет п ерстня настрое ния , необходимо сначала познакомить ся с тем , что такое жидкие кристаллы , и тогда он узнает не только о том , как жидкие кристаллы позволяют следить за настроени ем человека , но и о многих дру гих удивит е льных их свойствах и практических применениях. О БУДУЩИХ ПРИМЕНЕНИЯХ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ Жидкие крист аллы сегодня и завтра. Многие оптиче ские эффекты в жидких кристаллах , о которых рассказы валось выше , уже освоены техникой и используются в изделиях мас сового производства . Например , всем из вест ны часы с индикатором на жидких кристалла х , но не все еще знают , что те же жидкие кристаллы использу ются для производств а наручных часов , в которые встро ен кальк улятор . Тут уже даже трудно сказать , как на звать такое устройство , то ли часы , то ли компьютер . Но это уже осво енные промышленностью изделия , хотя всего дес ятилетия назад подобное казалось нереальным . Перспективы же будущих массовых и эффективных при менений жидких кристаллов еще более удивительны . По э т ому стоит рассказать о нескольких технических идеях применения жидких кристаллов , которые пока что не реализованы , но , возможно , в ближайшие нескольк о лет послужат основой создания устройств , которые станут для нас такими же привы чными , какими , скажем , се й час являю тся транзисторные приемники. Управляемые оп тические транспаранты. Рассмотрим пр имер достижения научных исследований в процес се создания жидкокристаллических экранов , отображ ения информации , в частности жидкокристаллических экранов телевизоров . Изв естно , что ма ссовое создание больших плоских экранов на жидких кристаллах сталкивается с трудностями не принципиального , а чисто технологиче ского характера . Хотя принципиально возможность со зд ания таких экранов продемонстрирована , однако а связи со слож н остью их прои зводства при современной технологии их стоимо сть оказывается очень высокой . По этому возник ла идея создания проекционных устройств на жидких кристаллах , в которых изображение , по лучен ное на жидкокристаллическом экране малого размера могло бы быть спроектирован о в увеличенном виде на обычный экран , подобно тому , как это происходит в кино театре с кадрами кинопленки . Оказалось , что такие устройства могут быть реализованы на жидких кристал лах , если использовать сэндвич евые структуры , в кото рые н аряду со слоем жидкого кристалла входит слой фотополупроводника . Причем запись изображения в жидком кристалле , осуществляемая с помощью фотопо лупроводника , производится лучом света . О подобном проекторе уже рассказывалось в гл аве VII. Теперь же познакомим ся с физическими явлениями , положенными в основу его работы. Принцип записи изображения очень прост . В отсутст вие по дсветки фотополупроводника его проводимость очен ь мала , поэтому практически вся разность п отенциа лов , поданная на электроды оптической яче йки , в кото рую еще дополнительно в веден слой фотополупровод ника , падает на этом слое фотополупроводника . При этом состояние жидкокристаллического слоя соответствует отсутс твию напряжения на нем . При подсветке фото по лупроводника его проводимость резко в о зрастает , так как свет создает в н ем дополнительные носители тока (свободные эл ектроны и дырки ). В результате происхо дит перераспределение электрических напряжений в яче йке — теперь практически все напряжение падает на жид кокристаллическом слое , и состоян ие слоя , в частно сти , его оптические характеристики , изменяются соответ ственно величине поданного напряжения . Таким образом , изменяются оптически е характеристики жидкокристал лического слоя в результате действия света . Ясно , что при этом в принципе може т быть ис пользован любой электрооптический эффект из о писанных выше . Практи чески , конечно , выбор эле ктрооптического эффекта в та ком сэндвичевом устройстве , называемом электрооптическим транспаранто м , определяется наряду с требуемыми оптически ми характери с тиками и чисто техно логическими причинами . Важно , что в описываемом транспаранте изменение оптических характеристик жидкокристаллического слоя происх одит локально — в точке засветки фотополупро водника . П оэтому такие транспаранты обладают очень вы с окой р азрешающей способностью . Так , объем информа ции , содержащейся на телевизионном эк ране , может быть записан на транспаранте р азмерами менее 1х 1 см 2 . Описанный способ записи изображения , поми мо все го прочего , обладает большими достоинст вами , так как он делае т ненужной с ложную систему коммутации , т . е . систему по двода электрических сигналов , которая применяется в матричных экранах на жидких кри сталла х. Пространственно-временные модуляторы света. Уп равляемые оптические тра нспаранты могут быть исполь зованы не то лько как элементы проекционного устрой ства , н о и выполнять значительное число функций , свя занных с преобразованием , хранением и обра боткой оп тических сигналов . В связи с тен денциями развития ме тодов передачи и обработ ки информации с использова ни е м о птических каналов связи , позволяющих увеличить быстродействие устройств и объем передаваемой инфор мации , управляемые оптические транспаранты на жид ких кристаллах представляют значитель ный интерес и с этой точки зрения . В этом случае их еще принято на з ы вать пространственно-временными модуляторами света (ПВМС ), или световыми клапанами . Перспе ктивы и мас штабы применения ПВМС в устро йствах обработки опти ческой информации определяю тся тем , насколько се годняшние характеристики оптических транспарантов м о гут быт ь улучшены в сторону достижения максимальной чувствительности к управляющему излучению , п овыше ния быстродействия и пространственного разр ешения световых сигналов , а также диапазона длин волн излуче ния , в котором надежно работают эти устройства . К ак уже отмечалось , одна из основных проблем — это проб лема быстродействия жидкокристаллических элементов , одн ако уже достигнутые характеристики модуляторов света позволяют совершенно определенно утвержд ать , что они займут значительное место в системах обр абот ки оптической информаци и . Ниже рассказывается о ря де возможных п рименений модуляторов света. Прежде всего , отметим высокую чувствительность модуляторов света к управляющему световому потоку , кото рая характеризуется интенсивностью светового по т ока . К роме того , достигнуто высокое пр остранственное разрешение сигнала — около 300 линий на 1 мм . Спектральный диапазон работы мо дуляторов , выполненных на различных полупроводнико вых материалах , перекрывает длины волн от ультрафио летового до ближнего и нфракр асного излучения . Очень важно , что в связи с применением в модуляторах фо то полупроводников удается улучшить временные хар акте ристики устройств по сравнению с быстрод ействием соб ственно жидких кристаллов . Так , мо дуляторы света за счет свойств фотополупр о водника могут зарегистриро вать опти ческий сигнал продолжительностью всего меньше 1 с . Разум еется , изменение оптических характеристик жидкого кристалла в точке регистрации сигнала пр оис ходит с запаздыванием , т . е . более медле нно , в соответ ствии с времене м измене ния оптических характеристик жидкого кристалла при наложении на него (или снятии ) элект рического поля. Какие же , к роме уже обсуждавшихся функций , могут выполня ть модуляторы света ? При соответствующем под б оре режима работы модулятора они могут вы де лять контур проектируемого на него изображения . Если кон тур перемещается , то можн о визуализировать его дви жение . При этом существенно , что длина волны записы вающего из ображения излучения и считывающего излу чения могут отличаться . Поэтому модуляторы св е та по зволяют , например , визуализировать и нфракрасное из лучение , или с помощью видимого света модулировать пучки инфракрасного излуч ения , или создавать изобра жения в инфракрасно м диапазоне длин волн. В другом ре жиме работы модуляторы света могут выделять области , подвергнутые нестационарному осве щению . В этом режиме работы из всего и зображения выделяются , например , только перемещающ иеся по изо бражению световые точки , или м ерцающие его участки . Модуляторы света могут использоваться как усилители яркости света (в 10^ — 10° раз и более ) В связи же с их высокой пространственной разрешающей спо собностью их использование оказывается эквивален тным усилителю с очень большим (10" — 10^) числом каналов . Пе речисленные функциональные возможности оптических модуляторов д ают Основание использовать их 6 многочисленн ых задачах обработки оптической инфор мации , т аких как распознавание образов , подавление по мех , спектральный и корреляционный анализ , инт ерфе рометрия , в том числе запись голограмм в реальном мас штабе времени , и т . д . Насколько широко перечислен ные возможности жидкокристаллических оптических мо дуляторов реали зуются в надежные технические устрой ства , пок ажет ближайшее будущее. Оптический м икрофон. Только что было рассказ ано об управлении световыми потоками с п омощью света . Однако в системах оптиче ской обработки информации и связи возникает необходимость преобразовывать не только свет овые сигналы в световые , но и другие с амые разнообразные воздействия в световые сиг налы . Такими воздействиями могут быть давлени е, звук , температура , деформация и т . д . И вот для преобразования этих воз дейст вий в оптический сигнал жидкокристаллические ус тройства оказываются опять-таки очень удобными и пер спективными элементами оптических сист ем. Конечно , существует масса методов п реобразовывать перечисленные воздействия в оптические сигналы , одна ко подавляющее большин ство этих методов связано сна чала с прео бразованием воздействия в электрический сигнал , с помощью которого затем можно управлять световым потоком . Таким образом , ме т оды эти двусту пенчатые и , следовательно , не такие уж простые и эко номичные в реализации . Преимущество применения в этих целях жидких кристаллов состоит в том , что с их помощью самые разнообразные воздейс твия можно не посредственно переводить в опти чески й сигнал , что уст раняет промеж уточное звено в цепи воздействие — све товой сигнал , а значит , вносит принципиальное упроще ние в управление световым потоком . Другое достоин ст во ЖК-элементов в том , что они легко совместимы с уз лами волоконно-оптических устро йств. Чтобы проиллюс трировать возможности с помощью ЖК управлять световыми сигналами , расскажем о прин ципе работы “оптического микрофона” на ЖК — устрой ства , предложе нного для непосредственного перевода акустическо го сигнала в оптический. Принципиальная сх ема устройства оптического мик рофона о чень проста . Его активный элемент представляе т собой ориентированный слой нематика . Звуков ые колебания создают периодические во времени деформации слоя , вызывающие также переориент ации молекул и модуляцию поляризации (интенсивности ) проходящего поляризованного светового потока. Исследования х арактеристик оптического микрофона на ЖК , вып олненные в Акустическом институте АН СССР , показали , что по своим параметрам он не уступает су ществующим образцам и может быть использ ован в оп тических линиях связи , позволяя осуществлять непосред ственное пр еобразование звуковых сигналов в оптиче ские . Оказалось также , что почти во всем темпера турном интервале существования нематической фазы его акустооптические характеристики практич е ски не изменяются [9]- Прежде чем перейти к другому п римеру возможного применения ЖК в оптических линиях связи , напомним , что оптическое волокно представляет собой оптиче ский волновод . Свет из этого волновода не выходит наружу по той причине , что сн аружи на волокно нанесено покры тие , диэ лектрическая проницаемость которого больше , чем во внутренней части волокна , в результате чего про исходит полное внутреннее отражение света на границе внутренней части и вн ешнего покрытия . Волноводный ре жим распространени я света в волокне . может быть , также достигнут не только за счет резк ой диэлектрической границы , но и при плавн ом изменении показателя прелом ления (диэлектричес кой проницаемости ) от середины к поверхности волновода . По аналогии с оптическими волокнами в то нком с лое жидкого кристалла также может быть ре ализован волно водный режим распространения света вдоль слоя , если обеспечить соответствующее изменение диэлектриче ской проницаемости в п ределах толщины слоя . А как мы знаем , и зменения диэлектрических характ е ристик 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 измене ния ориента ции директора по толщине , что для опреде ленной поляризации света такой слой оказывается опти ческим волноводом. Каждый увидит здесь очевидную аналогию между оп тическим волокном-волноводом и жидкокристалличе ским волново дом . Но имеется здесь и очень существен на я разница . Эта разница состоит в том , что если диэлек трические характеристики опт ического волокна , а следо вательно , и его в олноводные свойства , неизменны и фор мируются при его изготовлении , то диэлектрические , а следовательно , и волноводные свойства ЖК-волнов ода легко изменя т ь путем внешних воздействий. Это значит , например , что если жидкокр исталличе ский волновод включен в канал волок онной связи , то световой поток , идущий по этому каналу , можно моду лировать , меняя х арактеристики ЖК-элемента . В про стейшем случае это может бы ть просто прерывание с ве тового потока , которое может происходить в ЖК-элементе при таком переключении электриче ского сигнала на нем , которое приводит к исчезновению его волноводных свойств . Кстати сказать , этот же ЖК-элемент может выполня ть и функции опт и ческого микрофон а , если он устроен так , что акустический сигнал вызывает в нем воз мущение ориентаци и директора. Как сделать стереотелевизор. В качестве еще одного заманчивого , неожиданного и касающегося практически всех применений жидких кристалло в стоит назвать идею создания системы стереотелевидения с применением жидких кристал лов . Причем , что представляется особен но заман чивым , такая система “стереотелевидения на жи дких кристаллах” может быть реализована ценой очень простой модификации передающей теле к амеры и до полнением обычных тел евизионных приемников специ альными очками , стекла которых снабжены жидкокристаллическими фильтрам и. Идея этой системы стереотелевидения чрезвычайно проста . Есл и учесть , что кадр изображения на телеэкра не формируется постр очно , причем так , что сначала вы свечиваются нечетные строчки , а потом четные , то с по мощью очков с жидкокристаллическими фильтрами лег ко сделать так , чтобы правый глаз , например , видел тол ь ко четные строчки , а левый — нечетные . Для этого доста точно си нхронизировать включение и выключение жидко кристаллических фильтров , т . е . возможность восприни мать изображение на экр ане попеременно то одним , то другим глазом , делая попеременно прозрачным то одно , то другое стекло очков с высвечиванием четн ых и нечет ных строк. Теперь соверш енно ясно , какое усложнение передаю щей телека меры даст стереоэффект телезрителю . На до , чтоб ы передающая телекамера была стерео , т . е . чтобы она обладала двумя объективами , со ответствую щими восприятию объекта левым и пр авым глазом чело века , четные строчки на экране формировались с по мощью правого , а нечетные — с помощью левого объ ектива передающей камеры. Система очков с жидкокристаллическими фильтра ми — затворами , синхрониз ированными с работой телеви зора , может оказат ься непракти чной для массового при менени я . Возможно , что более конкурентоспособной ока жется стереосистема , в которой стекла очков снабжены обычными поляроидами . При этом каж дое из стекол оч ков пропускает линейно-поляри зованный свет , плоскость поляризации которого п ерпендикулярна плоскости поля ризации света , пропускаемого вторым стеклом . Стерео же эффект в этом случае достигается с помощью жидко кристаллической пленки , нанесенной на экран телевизо ра и пропускающей от четных строк свет одной линей ной поляризации , а от нечетных — другой линейной по ляризации , пе рпендикулярной первой. Какая из описанных систем стереотелевидения будет реализо вана или выживет совсем другая система , по кажет будущее. Очки для к осмонавтов. Знакомясь ранее с ма ской для электросварщика , а теп ерь с очками для стереотелевидения , бы заметили , что в этих устройствах управляемый жидкокр исталлический фильтр перекрывает сразу все по ле зрения одного или обоих глаз . Между тем сущест вуют ситуации , когда нельзя пере крывать все поле зрения человека и в т о же время необходимо перекрыть от дельные участки поля зрения. Например , така я необходимость может возникнуть у космонавто в в условиях их работы в космосе при чрез вычайно ярком солнечном освещении , не ослабленном ни атмосферой , ни облачностью . Э ту задачу как в случае маски для электросварщика или очков для стереотеле виден ия позволяют решить управляемые жидкокристалличе ские фильтры. Усложнение очков в этом случае состои т в том , что поле зрения каждого глаза теперь должен перекрывать не один фильтр , а нес колько независимо управляемых ф ильтров . Например , фильтры могут быть выполнен ы в виде концентрических колец с центром в центре стекол очков или в виде полосок на стекле очков , каждая из которы х при включении перекрывает только часть поля зрения глаза. Таки е очки могут быть полезны не только космонав там , но и людям други х профессий , работа которых мо жет быть св язана не только с ярким нерассеянным осве щением , но и с необходимостью воспринимать большой объем зрительной информации. Например , в кабине пилота современно го самолета огромное количество панелей прибо ров . Однако не все из них нужны пилоту одновременно . Поэтому использо вание пилотом очков , ограничивающих поле зрения , мо жет быть полезным и облегчающим его работу , так как помогает сосредоточивать е г о внимание только на части нужных в данн ый момент приборов и устраняет отвлека ющее влияние не нужной в этот момент информ ации . Конечно , в случае пилота можно пойти и по-другому пу ти поставить ЖК-фильтры на индикаторы пр иборов , чтобы иметь возможность экр аниров ать их показания. Подобные очки будут очень полезны также в биоме дицинских исследованиях работы оператора , связанной с восприятием большого количества зрительной и нфор мации . В результате таких исследований мо жно выявить скорость реакции оператора н а зрительные сигналы , оп ределить наиболее трудные и утомительные этапы в его р аботе и в конечном итоге найти способ оптимальной организации его работы . Последнее значит определить на илучший способ располож ения панелей приборов , тип индикаторов прибор ов, цвет и характер сигналов разли ч ной степени важности и т . д. Фильтры подобн ого типа и индикаторы на жидких кристалла х , несомненно , найдут (и уже находят ) широко е применение в кино -, фотоаппаратуре . В эти х целях они привлекательны тем , что для управления им и требуется ничтожное кол ичество энергии , а в ряде случаев позво ля ют исключить из аппаратуры детали , совершающи е механические движения . А как известно , м еханические системы часто оказываются наиболее громоздкими и не надежными. Какие механические детали к ино -, ф отоаппаратуры имеются в виду ? Это прежде в сего диафрагмы , фильт ры — ослабители светового потока , на конец , прерывате ли светового потока в киносъе мочной камере , синхрони зованные с перемещением фотопленки и обеспечиваю щие покадровое ее экспонирован ие. Принципы устройства таких ЖК-элементов яс ны из предыдущего . В качестве прерывателей и фильтров-ос лабителей естественно использовать ЖК-ячейки , в кото рых под действием электрич еского сигнала изменяется пропускание света п о всей их площади . Для диафраг м бе з механических частей системы ячеек в виде кон центрических колец , которых могут под действием элек т рического сигнала изменять площадь пропускающего свет прозрачного окна . Следует также отме тить , что сло истые структуры , содержащие жидки й кристалл и ф ото полупроводник , т . е . элементы типа управляемых оп тических транспар антов , могут быть использованы не только в качестве индикаторов , например , экспозиции , но и для автоматической установки диафрагмы в кино -, фотоаппаратуре. При всей п ринципиальной прост оте обсуждаемых устройств их широкое внедрение в массовую продукци ю зависит от ряда технологических вопросов , связанных с обеспечением длительного срока работы ЖК-элементов , их работы в широком температурном интервале , на конец , конкуренции с традиционным и и устоявшимися техни ческими решениями и т . д . Однако решение всех этих проблем — это только вопрос времени , и скоро , на верное , трудно будет себе представ ить совершенный фо тоаппарат , не содержащий ЖК- устройства.