Получение и применение кристаллов

СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА № 3

Реферат по физике на тему:

“Получение и применение кристаллов”.

Руководитель: Галикеева О.Е.

Выполнил: Шварц В.И.

Межгорье

2006

Введение.

Темой своего реферата я выбрал кристаллы, так как считаю эту область физики одной из самых интересных и для изучения и работы.

В наше время наука идёт вперёд с огромной скоростью. Для воплощения в жизнь некоторых проектов требуются материалы, обладающие определёнными свойствами, но эти материалы не существуют в природе, но их можно вырастить искусственно. Выращивать можно и встречающиеся в природе кристаллы – например алмазы – для снижения их стоимости или получения экземпляров больших размеров.

Ещё один вид кристаллов, повсеместно применяющийся в электронике – это жидкие кристаллы. Их можно увидеть везде – это экраны телевизоров и мониторы компьютеров, электронные часы и микрокалькуляторы, экраны мобильных телефонов цифровых фотоаппаратов и т.д. и т.п.

По моему мнению, изучение кристаллов, во всех их проявлениях, является наиболее перспективным и востребованным занятием в области физики твёрдого тела на несколько ближайших десятилетий.

Общие сведения о кристаллах.

Физика твёрдого тела (раздел физики, изучающий структуру и свойства твёрдых тел) – это одна из основ современного технологического общества. В сущности, огромная армия инженеров всего мира работает над созданием твёрдых материалов с заданными свойствами, необходимыми для использования в самых разнообразных станках, механизмах и устройствах в области связи, транспорта и компьютерной техники. Сегодня речь пойдёт о кристаллах.

Кристаллическими считаются вещества, атомы которых расположены регулярно, так что образуют правильную трёхмерную решётку, называемую кристаллической. Кристаллам ряда химических элементов и их соединений присущи замечательные механические, электрические, магнитные и оптические свойства.

Главным отличием кристаллов от других твёрдых тел является, как уже говорилось, наличие кристаллической решётки – совокупности периодически расположенных атомов, молекул или ионов.

Русский учёный Е.С.Фёдоров установил, что в природе может существовать только 230 различных пространственных групп, охватывающих все возможные кристаллические структуры. Большинство из них (но не все) обнаружены в природе или созданы искусственно. Кристаллы могут иметь форму различных призм, основанием которых могут быть правильный треугольник, квадрат, параллелограмм и шестиугольник.

Кристаллические решётки металлов часто имеют форму гранецентрированного (медь, золото) или объемно-центрированного куба (железо), а так же шестигранной призмы (цинк, магний).

В основе классификации кристаллов и объяснения их физических свойств может лежать не только форма элементарной ячейки, но и другие виды симметрии, например, поворот вокруг оси. Осью симметрии называют прямую, при повороте вокруг которой на 360° кристалл несколько раз совмещается сам с собой. Число таких совмещений называют порядком оси. Существуют кристаллические решётки, обладающие осями симметрии 2-го, 3-го, 4-го, и 6-го порядков. Возможна симметрия кристаллической решётки относительно плоскости симметрии, а также комбинация разных видов симметрии.

Большинство кристаллических тел являются поликристаллами, т.к. в обычных условиях вырастить монокристаллы достаточно сложно, этому мешают всевозможные примеси. В свете растущей потребности техники в кристаллах высокой степени чистоты перед наукой встал вопрос о разработке эффективных методов искусственного выращивания монокристаллов различных химических элементов и их соединений.

Существует три способа образования кристаллов: кристаллизация из расплава, из раствора и из газовой фазы. Примером кристаллизации из расплава может служить образование льда из воды (ведь вода — это расплавленный лёд), а также образования вулканических пород. Пример кристаллизации из раствора в природе выпадение сотен миллионов тонн соли 113 морской воды. При охлаждении газа (или пара) электрические силы притяжения объединяют атомы или молекулы в кристаллическое твёрдое вещество — так образуются снежники.

Наиболее распространёнными способами искусственного выращивания монокристаллов являются кристаллизация из раствора и из расплава. В первом случае кристаллы растут из насыщенного раствора при медленном испарении растворителя или при медленном понижении температуры. Такой процесс можно продемонстрировать в лаборатории с водным раствором поваренной соли. Если дать воде возможность медленно испаряться, то, в конце концов, раствор станет насыщенным, и дальнейшее испарение приведет к выпадению соли.

Если твёрдое вещество нагреть, оно перейдёт в жидкое состояние — расплав. Трудности выращивания монокристаллов из расплавов связаны с высокой температурой плавления. Например, для получения кристалла рубина нужно расплавить порошок оксида алюминия, а для этого его нужно нагреть до температуры 2030°С, Порошок высыпают тонкой струйкой в кислородно-водородное пламя, где он плавится и каплями падает на стержень из тугоплавкого материала. На этом стержне постепенно и вырастает монокристалл рубина.

Применение кристаллов.

1. Алмаз. Около 80% всех добываемых природных алмазов и все искусственные алмазы используются в Промышленности. Алмазные инструменты используются для обработки деталей из самых твёрдых материалов, для бурения скважин при разведке и добыче полезных ископаемых, служат опорными камнями в хронометрах высшего класса для морских судов и других, особо точных приборах. На алмазных подшипниках не обнаруживается никакого износа даже после 25 млн. оборотов. Высокая теплопроводность алмаза позволяет использовать его в качестве теплоотводящей подложки в полупроводниковых электронных микросхемах.

Конечно, алмазы используются и в ювелирных изделиях — это бриллианты.

2. Рубин. Высокая твёрдость рубинов, или корундов, обусловила их широкое применение в промышленности. Из 1 кг синтетического рубина получается около 40 000 опорных камней для часов. Незаменимыми оказались рубиновые стержни-нитеводители на фабриках по изготовлению химического волокна. Они практически не изнашиваются, в то время как нитеводители из самого твёрдого стекла при протяжке через них искусственного волокна изнашиваются за несколько дней.

Новые перспективы для широкого применения рубинов в научных исследованиях и в технике открылись с изобретением рубинового лазера, в котором рубиновый стержень служит мощным источником света, испускаемого в виде тонкого луча.

3. Жидкие кристаллы. Это необычные вещества, которые совмещают в себе свойства кристаллического твёрдого тела и жидкости. Подобно жидкостям они текучи, подобно кристаллам обладают анизотропией. Строение молекул жидких кристаллов таково, что концы молекул очень слабо взаимодействуют друг с другом, в то же время боковые поверхности взаимодействуют очень сильно и могут прочно удерживать молекулы в едином ансамбле.

Наибольший интерес для техники представляют холестерические жидкие кристаллы. В них направление осей молекул в каждом слое немного отличается друг от друга. Углы поворота осей зависят от температуры, а от угла поворота зависит окраска кристалла. Эта зависимость используется в медицине: можно непосредственно наблюдать распределение температуры по поверхности человеческого тела, а это важно для выявления скрытых под кожей очагов воспалительного процесса. Для исследования изготовляют тонкую полимерную плёнку с микроскопическими полостями, заполненными холестериком. Когда такую плёнку накладывают на тело, то получается цветное отображение распределения температуры. Этот же принцип используется в жидкокристаллических термометрах.

Наиболее широкое применение жидкие кристаллы получили в буквенно-цифровых индикаторах электронных часов, микрокалькуляторов и тд. Нужная цифра или буква воспроизводится с помощью комбинации небольших ячеек, выполненных в виде полосок. Каждая ячейка заполнена жидким кристаллом и имеет два электрода, на которые подаётся напряжение. В зависимости от величины напряжения, загораются те или иные ячейки. Индикаторы можно делать чрезвычайно миниатюрными, они потребляют мало энергии.

Жидкие кристаллы применяются в различного рода управляемых экранах, оптических затворах, плоских телевизионных экранах.

4. Полупроводники. Исключительная роль выпала на долю кристаллов в современной электронике. Многие вещества в кристаллическом состоянии не являются такими хорошими проводниками электричества, как металлы, но их нельзя отнести и к диэлектрикам, т.к. они не являются и хорошими изоляторами. Такие вещества относят к полупроводникам. Это большинство веществ, их общая масса составляет 4/5 массы земной коры: германий, кремний, селен и др., множество минералов, различные оксиды, сульфиды, теллуриды и др.

Наиболее характерным свойством полупроводников является резкая зависимость их удельного электрического сопротивления под воздействием различных внешних воздействий: температуры, освещения. На этом явлении основана работа таких приборов, как термисторы, фоторезисторы.

Объединяя полупроводники различного типа проводимости, можно пропускать электрический ток только в одном направлении. Это свойство широко используется в диодах, транзисторах.

Исключительно малые размеры полупроводниковых приборов, иногда всего несколько миллиметров, долговечность, связанная с тем, что их свойства мало меняются со временем, возможность легко изменять их электропроводность открывают широкие перспективы использования полупроводников сегодня и в будущем.

5. Полупроводники в микроэлектронике. Интегральной микросхемой называют совокупность большого числа взаимосвязанных компонентов — транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов, соединительных проводов, изготовленных на одном кристалле. При изготовлении интегральной схемы на пластинку из полупроводника (обычно это кристаллы кремния) наносятся последовательно слои примесей, диэлектриков, напыляются слои металла. В результате на одном кристалле формируется несколько тысяч электрических микроприборов. Размеры такой микросхемы обычно 55 мм, а отдельных микроприборов — порядка 106 м.

В последнее время всё чаще стали обсуждать возможность создания электронных микросхем, в которых размеры элементов будут сопоставимы с размерами самих молекул, т.е. порядка 10^-9 – 10^-10м. для этого на очищенную поверхность монокристалла никеля или кремния с помощью туннельного микроскопа напыляются небольшие количества атомов или молекул других веществ. Поверхность кристалла охлаждается до -269°С, чтобы исключить заметные перемещения атомов вследствие теплового движения. Размещение отдельных атомов в заданных местах открывают фантастические возможности создания хранилищ информации на атомном уровне. Это уже предел миниатюризации.

6. Вольфрам в молибден. На современном уровне технического развития резко возросли скорости нагрева и охлаждения деталей приборов и машин, значительно увеличился интервал температур, при которых им приходится работать. Очень часто требуется длительная работа при очень высоких температурах, в агрессивных средах. Также необходимы машины, способные выдерживать большое число температурных циклов.

При таких сложных условиях эксплуатации детали и целые узлы многих машин и приборов очень быстро изнашиваются, покрываются трещинами и разрушаются. Для работы при высоких температурах широко применяются тугоплавкие металлы, например, молибден и вольфрам. Монокристаллы вольфрама и молибдена, полученные при помощи зонной плавки, используются для изготовления сопел реактивных и прямоточных воздушно-реактивных двигателей обшивок головных частей ракет, ионных двигателей, турбин. атомных силовых установок и во многих других устройствах и механизмах Поликристаллические вольфрам и молибден применяются для изготовления анодов, катодов, нитей накаливания в лампах, высокотемпературных электрических печей.

7. Кварц. Эго диоксид кремния, один из самых распространённых минералов земной коры, по сути, песок. Природные кристаллы кварца имеют размеры от песчинок до нескольких десятков сантиметров, встречаются кристаллы размером до одного метра и более. Чистый кристалл кварца бесцветен, ничтожные посторонние примеси вызывают разнообразную окраску. Прозрачные бесцветные кристаллы — это горный хрусталь, фиолетовые — аметист, дымчатые — раухтопаз. Оптические свойства кварца обусловили широкое применение его в оптическом приборостроении: из него делают призмы для спектрографов, монохроматоров. Кварц, в отличие от стекла, хорошо пропускает ультрафиолетовое излучение, поэтому из него изготавливают специальные линзы, применяемые в ультрафиолетовой оптике.

Кварц также обладает пьезоэлектрическими свойствами, т.е. способен преобразовывать механическое воздействие в электрическое напряжение. Благодаря этому свойству кварц широко применяется в радиотехнике и электронике — в стабилизаторах частоты (в том числе и в часах), всевозможных фильтрах, резонаторах и тд, С помощью кристаллов кварца возбуждают (и измеряют) малые механические и акустические воздействия.

Из плавленого кварца изготавливают тигли, сосуды и другие емкости для химических лабораторий.

Способы повышения прочности твёрдых тел.

Поликристаллическими являются стальные каркасы зданий и мостов, рельсы железных дорог, станки, детали машин и самолётов. Значения реальной и теоретической прочности расходятся в десятки, даже сотни раз. Причина кроется в наличия внутренних и поверхностных дефектов в кристаллических решётках.

Для получения высокопрочных материалов нужно выращивать монокристаллы, но возможности без дефектов. Это очень сложная задача. Большинство современных методов упрочнения материалов основано на другом способе: в кристалле создаются препятствия перемещению дефектов. Ими могут служить дислокации (нарушения порядка расположения атомов в кристаллической решётке) и другие, специально созданные, дефекты.

К таким методам относятся, например:

легирование стадо: вводят в расплав небольшие добавки хрома или вольфрама, при этом прочность возрастает в три раза;

высокоскоростная кристаллизация: чем быстрее отводится тепло от затвердевшего слитка, тем меньше размеры кристаллов. При этом улучшаются физические и механические характеристики. Для быстрого отвода тепла расплавленный металл струёй нейтрального газа распыляется в мельчайшую пыль, которую затем спрессовывают при высоких давлении и температуре

Повышение прочности кристаллических тел даёт выигрыш в размерах Различных агрегатов, позволяет уменьшить их массу, повышает рабочую температуру и увеличивает срок службы.

Механизм выращивания кристаллов.

Механизм роста кристаллов долгое время считалось очевидным, что при росте кристалл строится слой за слоем. Сначала завершается построение одного слоя, потом начинается укладка следующего и т. д. В результате грани, наращиваясь слой за слоем, перемещаются параллельно самим себе, как при кладке кирпичной стены. О справедливости такого предположения, казалось бы, говорят факты существования плоских граней у кристаллов. Ясно, что осаждение нового атома наиболее вероятно в точке А поверхности, где он будет удерживаться тремя Соседями, так как в любой другой точке поверхности грани он будет удерживаться меньшим числом соседей (см. приложение). Когда закончится застройка четвертого ряда, начнется застройка пятого и т. д., пока не завершится вся плоскость.

После этого рост кристалла затрудняется, так как образование нового Слоя событие менее вероятное. В любом месте на завершенной плоскости атом будет связан с небольшим числом атомов кристалла. Вероятность того, что эта слабая связь будет Нарушена тепловым Движением, велика, поэтому атом не может закрепиться на кристалле.

При таком механизме застройки атомных плоскостей скорость роста кристалла должна быть очень малой. В опыте же по выращиванию кристаллов из паров с пересыщением всего 1% была обнаружена скорость роста кристалла в 10¹⁰⁰⁰ больше рассчитанной теоретически!

Дефекты в кристаллах.

Объяснение расхождению теории и практики было найдено лишь сравнительно недавно. Легкость, с какой начинается застройка новой атомной плоскости можно объяснить тем, что реальные кристаллы имеют множество дефектов структуры.

Описывая строение кристаллов, мы пользовались их идеальными моделями. Отличие реальных кристаллов от идеальных заключается в том, что реальные кристаллы не обладают правильной кристаллической решеткой, а имеют целый ряд нарушений в расположении атомов, называемых дефектами. Знание условий образования дефектов и способов их устранения играет большую роль при использовании кристаллов на практике.

Схемы возникновения дефектов в кристаллах показаны на рисунке 27. Самые простые дефекты в идеальной кристаллической решетке возникают в результате замещения собственного атома чужеродным, внедрения атома в междоузлие, отсутствия атома в одном из узлов кристаллической решетки.

Дислокации. Особую роль в процессе роста кристалла играют несовершенства его структуры, называемые дислокациями (смещениями). Простейшими видами дислокации являются краевая и винтовая. Краевая дислокация образуется в месте обрыва “лишней” атомной полуплоскости (см. приложение). В случае винтовой дислокации атомные плоскости образуют систему, напоминающую винтовую лестницу. Количество дислокаций в кристаллах может быть очень большим, достигая 10⁸ – 10⁹ см^-3. Кристаллов без дислокаций не существует. Постоянное наличие открытой ступеньки винтовой дислокации создаёт благоприятные условия для роста кристаллов.

ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ.

Большинство веществ может находиться в трех состояниях –

твёрдом, жидком и газообразном. Однако некоторые органические вещества, молекулы которых имеют нитевидную форму или форму плоских пластин, могут находиться в особом: состоянии, обладая одновременно свойством анизотропии и текучести. Это состояние, сочетающее свойства кристалла и жидкости, называют жидкокристаллическим состоянием. В среднем на каждые 200 сложных органических соединений приходится одно, способное к образованию жидких кристаллов.

Строение жидких кристаллов.

В зависимости от внутреннего строения жидкие кристаллы разделяют на три класса: нематический, смектический, холестерический.

Наиболее простая их разновидность – нёматики (от греч. «нема» – нить), образуется длинными сигарообразными или нитевид­ными молекулами. В жидкокристаллическом состоянии «сигары» взаимно параллельны, но беспорядочно сдвинуты вдоль своих осей. В смектических жидких кристаллах (от греч. «смегма» – мыло) степень упорядоченности выше. Молекулы смектика сгруп­пированы в слои. Общим для всех смектиков является слабое взаимодействие молекул между слоями. Слои легко скользят друг относительно друга, поэтому смектики на ощупь скольз­кие, мылоподобные.

Наиболее сложно устроены холестерики. Молекулы холестери-ка отличаются от молекул нематика тем, что имеют на своем конце отросток из одного или, нескольких атомов, выступающих, торчащих сбоку. Наличие этих выступающих частей приводит к тому, что «укладка» молекул по длине сопровождается закру­чиванием структуры вокруг оси, перпендикулярной длинным осям молекул. Поворот осей молекул в соседних слоях невелик, пол­ный поворот молекулы совершают примерно через 300 слоев. На шаг спирали влияют давление, воздействие электрических и магнитных полей.

Одновременное сочетание свойства кристаллов – анизотро­пии – и свойства жидкости – текучести – объясняется тем,, что вытянутые или плоские, как дощечки, молекулы, как и в «настоя­щих» кристаллах, расположены упорядочение. Но в отличие от кристаллов, где «дальний порядок» расположения атомов или молекул имеется во всех трех направлениях, в жидких кристаллах он существует лишь в одном направлении. Молекулы жидкого кристалла совершают тепловое движение весьма своеобразно. Их центры масс движутся хаотично, но оси молекул при этом переме­щаются параллельно самим себе и осям других соседних, молекул, сохраняя взаимную ориентацию. Зависимость свойств вещества от направления ориентации молекул вызывает макроскопическую анизотропию в большой области.

Жидкокристаллическое состояние существует в определенном

для каждого вещества интервале температур. У одних веществ этот интервал невелик (?T ? 0,01 К), у других довольно широк (?T ? 120 К). Температуры перехода из твердого в жидкокристалли­ческое состояние довольно различны, от –20 до +400°С. При охлаждении жидкий кристалл превращается в твердый, а при нагревании, когда ориентация молекул расстраивается тепловым движением и исчезает анизотропия, – в обычную жидкость. У жид­кокристаллических тел имеется как бы две температуры плав­ления. Удлиненная форма молекул вещества – условие необходимое, но недостаточное для образования жидких кристаллов: Например, молекулы парафина СН₃ – СН₂– СН₂... длинные, но жид­ких кристаллов не образуют потому, что им не хватает жесткости и они легко изгибаются. Но и жесткость не является достаточ­ным условием. Имеется много веществ с длинными и жесткими молекулами, но не способных образовывать жидкокристалличе­ское состояние. Способность вещества образовывать жидкие кристаллы определяется не только формой и механическими свойствами молекул, но и характером сил молекулярного взаимо­действия.

Оптические свойства жидких кристаллов.

Обычно ориентация молекул нематика распространяется не на весь объем жидкого кристалла, а лишь на небольшие его области – домены. На гра­нице раздела доменов, где изменяется направление ориентации молекул, происходит изменение диэлектрической проницаемости, так как поляризуемость вдоль и поперек молекул различна. На границе раздела двух доменов происходит частичное отражение и преломление света. Поэтому нематики непрозрачны, как молоко.

Существует много способов сделать нематическую жидкость однодоменным и, следовательно, прозрачным кристаллом. Одина­ково ориентировать все молекулы нематика можно легкой поли­ровкой поверхностей стеклянных пластин, ограничивающих нематик. Для этого достаточно протереть стекло шерстяной тканью в избранном направлении. При этом образуются микроборозды глубиной и шириной всего 10 – 100 нм. Длинные молекулы нема­тика укладываются в эти борозды, ориентируя и остальные моле­кулы. При больших толщинах влияние борозд ослабева­ет. Но если разместить нематик между двумя параллельными пластинами с зазором 0,01 – 0,1 мм и расположить полировочные борозды пластин параллельно, то все молекулы тонкого слоя будут ориентированы одинаково, а полученная пленка – монокристалл нематика – будет прозрачной.

А если повернуть пла­стинку относительно дру­гой на 90° вокруг оси, перпендикулярной¹ их пло­скости, то ориентация в ближайших к пластинам молекулярных слоях ока­жется взаимно перпенди­кулярной, а молекулы в объёме пленки, стремясь равняться на молекулы, лежащие в углублениях борозд, со­вершат постепенный плавный разворот на 90°. В итоге структура нематика окажется закрученной. Ориен­тацию молекул жидких кристал­лов можно изменять электриче­ским полем.

Для технических примене­ний очень существенно, что в жидких кристаллах, где в Мак­роскопических областях – до­менах – уже имеется ориента­ция молекул, дли создания пол­ной их ориентации по объему требуется не более 5 В. Часто пороговое напряжение ориента­ции составляет доли вольта.

Упругость ЖК.

Выше в основном говорилось о Наблюдениях, связанных с проявлением необычных оптических свойств жидких кристаллов. Первым исследователям бросались в глаза, естественно, свойства, наиболее до­ступные наблюдению, а такими как раз и были оптические свойства. Техника оптического эксперимента уже в XIX, в. Достигала высокого уровня, а, например, микроскоп, даже поляризационный, т, е позво­ляющий освещать объект исследова­ния поляризованным светом и ана­лизировать поляризацию прошедшего света, был вполне доступным прибо­ром для многих лабораторий.

Оптические наблюдения, дали значительное количество фактов о свойствах жидкокристаллической фазы,

которые необходимо было понять и описать. Одним из первых достижений, в описании свойств жидких кристал­лов было создание теорий упругости жидких кристаллов.

Постараемся проследить за ходом мысли и, аргументами .создателей теории упругости ЖК. Рассуждения были (или могли быть) Приблизи­тельно такими. Установлено, что в жидком кристалле, конкретно не­матике, существует корреляция (вы­страивание) направлений ориентации длинных осей молекул. Это должно означать, что если по ' какой-то причине' произошло небольшое Нару­шение в согласованной ориентации молекул в соседних точках нематикй, то возникнут силы, которые будут стараться восстановить порядок, т. е. согласованную ориентацию молекул. Конечно, исходной, микроскопической причиной таких возвращающих сил является взаимодействие между собой отдельных молекул. Однако надеяться на быстрый успех, рассмат­ривая взаимодействия между собой отдельных молекул, да еще таких сложных, как в жидких кристаллах, было, мягко сказать, трудно. Поэтому создание теории пошло по феноме­нологическому пути, т. е. по пути, в рамках которого вводятся некото­рые, параметры (феноменологиче­ские), значение которых соответ­ствующая теория не берется опре­делить, а оставляет их неизвестными или извлекает их значения из хранения с, экспериментом. При этом теория извлекает их значения из сравнения с экспериментом. При этом теория не рассматривает моле­кулярные аспекты строения жидких кристаллов, а описывает, их как сплошную, среду, обладающую, упру­гими свойствами. Для кристаллов, существует Хоро­шо развитая теория упругости. Еще в школе учат тому, что деформация тела прямо пропорциональна приложенной силе и обратно пропорциональна модулю упругости K. Возникает вопрос: если оптические свойства жидких кристаллов подобны свойствам обычных кристаллов, то, жидкий кристалл, подобно кристаллу, обладает и упругими свойствами? Может показаться на первый взгляд, что эта мысль совсем уж тривиальна. Однако не торопитесь с суждениями. Вспомните, что жидкий кристалл течет, как обычная жидкость. А жидкость не проявляет свойств упругости, за исключением упругости по отношению всестороннему сжатию, и поэтому для неё модуль упругости по отношению к обычным деформациям равен нулю. Казалось бы, парадокс. Но его разрешение в том, что жидкий кристалл – это необычная жидкость, а анизотропная, т.е. жидкость, 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, непосредственно при­менить к жидким кристаллам. Во-первых, существенно, что, когда говорят о деформации в жидких кристаллах, то имеют в виду откло­нения направления ориентации моле­кул от равновесного направления. Для нематика, например, это озна­чает, что речь идет об изменении от точки к точке в образце под влиянием внешнего воздействия ори­ентации молекул, которые в равно­весной ситуации, т. е. в отсутствие воздействия, во всем образце ориен­тированы Одинаково. В обычной же теории упругости деформации описывают смещение отдельных то­чек твердого тела относительно друг друга под влиянием приложенного воздействия. Таким образом, дефор­мация в жидком кристалле – 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 течение, что также вносит новый элемент и тем самым усложняет рассмотрение по сравнению с обычной теорией упру­гости. Поэтому в этой книге мы огра­ничимся рассказом об упругости жид­ких кристаллов в отсутствие течений.

Оказывается, любую деформацию в жидком кристалле можно пред­ставить как одну из трех допусти­мых в ЖК видов изгибных деформа­ций, либо как комбинацию этих трех видов деформаций. Такими главными деформациями являются поперечный изгиб, кручение и про­дольный изгиб. В поперечном изгибе меняется от точки к точке вдоль оси образца направление, перпендикулярное (поперечное) направлению длинных осей молекул, в продольном изгибе изменяется ориентация осей молекул, а в кручении происходит поворот молекул вокруг оси.

Коэффициенты, устанавливающие связь между упругой энергией жид­кого кристалла и изгибными дефор­мациями, называют упругими моду­лями. Таких упругих модулей в жидких кристаллах по числу деформа­ций три – K₁, K₂, /K₃. Численные значения их несколько, отличаются друг от друга. Так, модуль про­дольного изгиба K₃ оказывается больше других модулей. Как правило, наименьшую упругость жидкий крис­талл проявляет по отношению к кру­чению, т. е. модуль K₂ меньше осталь­ных.

Такой результат качественно мож­но понять, вспоминая обсуждавшуюся выше модель нематика как жидкости ориентированных палочек. Действи­тельно, чтобы осуществить продоль­ный изгиб, надо прикладывать усилия, которые стремятся изогнуть эти, па­лочки (а они жесткие!). В деформации же кручения, например, происходит просто поворот палочек-молекул от­носительно друг друга, при этом не возникает усилий, связанных с де­формацией отдельной палочки-моле­кулы.

Поэтому и оказывается, что упру­гость по отношению к продольному изгибу (модуль K₃) больше упругости по отношению к кручению (модуль K₂). Модуль же K₁ имеет промежу­точную, между K₂ и K₃ величину. В приближенных расчетах различием модулей часто пренебрегают и полагают K₁=K₂=K₃=K.

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

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

Изложенная теория упругости при­менена для описания и других типов жидких кристаллов. Для них, однако, требуется определенная мо­дификация теории, которая, в част­ности, позволяет объяснить, почему в холестерике ориентация молекул не постоянна в пространстве, а изменяется от точки к точке.

Буквенно-цифровые индика­торы.

Промышленность сейчас освоила индикаторы, основан­ные на ориентационном эффек­те и на эффекте динамического рассеяния света. Наиболее про­сто устроен индикатор для рек­ламы (рис. 39). Для получе­ния изображений цифр и букв на стеклянные пластины нано­сят прозрачные и токопроводящие слои оксида олова (IV) в виде шрифта, подобно «вось­меркам» на почтовых конвер­тах. Элементы «восьмерки» электрически изолированы. Пластины склеивают так, что­бы направления полировки сов­падали, токопроводящие эле­менты «восьмерок» находились с внутренней стороны и были обращены друг к другу. Зазор между пластинами, составляю­щий 10–30 мкм, заполняют жидким кристаллом. К прозрач­ным электродам в нужной ком­бинации подают напряжение. В участках жидкого кристалла, находящихся под напряжением,

разрушается монокристаллическая структура. Вследствие динамического рассеяния эти участки становятся Непро­зрачными и начинают сильно рассеивать свет. Элементы «восьмерки», на которые пода­но напряжение, начинают «све­титься», а окружающее их по­ле и элементы «восьмерок» без напряжения остаются темными из-за прозрачности.

Индикаторы на ориентационном эффекте используют в микрокалькуляторах и в часах. Между двумя стеклян­ными пластинами находит­ся слой нематического жидкого кристалла. Обращенные друг к другу поверхности стеклянных пластин полированы во взаимно перпендикулярных направлениях, поэтому структура нематика между пластинами закручена на 90⁹, Такая структура жидкого кристалла влияет на проходящий через него свет. Если над слоем жидкого кристалла и под ним поместить специальные прозрачные пластины, называемые поляроидами, то свет, падающий сверху, свободно проходит через кристалл и поляроиды отра­жается от зеркала и свободно выходит в обратном направлении. Если же закрученную структуру жидкого кристалла разрушить, например вызвав ориентацию молекул электрическим полем между двумя прозрачными электродами, то свет после прохождения через кристалл не проходит к зеркалу через поляроид. Из-за отсутствия отражения света участки знака, между которыми приложено на­пряжение, на общем светлом фоне кажутся темными. Подавая напряжение на различные участки «восьмерки» в тех или иных комбинациях, получают темные изображения цифр или букв на светлом фоне.

Основные преимущества жидких кристаллов в системах ото­бражения информации – малое пороговое напряжение ориента­ции (менее 5 В), ничтожное потребление энергии. Циферблат электронных часов потребляет доли микроватта на 1 см².

Жидкокристаллические устройства с большим числом элемен­тов и сложной электронной схемой управления могут служить в качестве телевизионных экранов.

Список литературы.

1. Школьникам о современной физике. Москва “Просвещение” 1990г.

2. Факультативный курс физики. Москва “Просвещение” 1986г.

3. Физика №4/06