В рассказе о жидкости говорилось, что ее молекулы только в среднем находятся на каком-то характерном расстоянии друг от друга. Ответ на вопрос, как взаимодействуют между собой молекулы и чему равно среднее расстояние а между ними, дает квантовая механика. Эта наука показывает, что, действительно, между молекулами на больших расстояниях возникают силы притяжения, а на очень малых расстояниях — силы отталкивания. На расстоянии а, которое условно можно назвать размером молекул, силы притяжения и отталкивания как раз уравновешиваются.

Теперь мы видим, что в жидкости, состоящей из несферических молекул, при умеренных температурах и плотности вещества появляется особое направление — ось L. Вдоль такой оси ориентируются молекулы-стержни и перпендикулярно к ней — молекулы-диски. Такие же оси имеются и в некоторых твердых кристаллах, состоящих, например, из продолговатых молекул. Это сходство между обычным кристаллом и удивительной жидкостью и привело к соединению двух старых понятий в одно новое — «жидкий кристалл». Наличие в жидкой среде и в кристаллической решетке выделенной оси придает материалам особые оптические свойства. Поэтому такую ось называют оптической. Таким образом, сходство жидкого кристалла с твердым кристаллом проявляется именно в оптических свойствах.

Поговорим теперь о поляризованном свете, благодаря которому оптические наблюдения становятся еще более занимательными. Каким же образом можно получить свет, в котором электрическое поле колеблется только вдоль одного направления, перпендикулярного лучу? Приведем примеры способов и устройств, применяемых для получения поляризованного света. В частности, рассеянный свет голубого неба при невысоком Солнце довольно сильно поляризован. Это нетрудно понять. Если Солнце невысоко над горизонтом, а мы смотрим в зенит, то луч Солнца и рассеянный луч составляют примерно прямой угол. В зените неполяризо-ванный солнечный луч возбуждает вторичные колебания Е по всем направлениям в плоскости, перпендикулярной солнечному лучу, но параллельной рассеянному лучу. А к наблюдателю приходит только один луч, который должен выбрать в этой плоскости только одно направление поляризации. Благодаря поперечности света это направление должно быть перпендикулярно рассеянному лучу.

Фактически в рассказе о поляризаторах мы упомянули двойное лучепреломление — различное преломление лучей в кристалле с оптической осью, зависящее от поляризации света. Двойное лучепреломление наряду с поперечной поляризацией, просто преломлением, отражением, интерференцией, дифракцией и рассеянием входит в число семи важнейших свойств света.

Как появилось такое название и какое отношение нити имеют к жидкому кристаллу? Это вопрос отнюдь не праздный, хотя вряд ли стоило именно так называть необычную жидкость. Но взгляните на типичную фотографию этой жидкости. Прекрасно видны тонкие и толстые нити, пересекающие снимок, которые и дали термин «нематик». Сходство большое. Мы понимаем, что оно вызвано каким-то сильным изменением направления оптической оси в пространстве. Это происходит в окрестности того места в материале, которое подверглось сильной деформации. Значит, и в жидкости имеется деформация? Да, может иметься. Только это деформация ориентации оси L.

Мы подошли к центральному пункту повествования об оптической оси нематика. Пора научиться ею управлять по желанию. Электрическое поле поможет это делать с легкостью. Оно поворачивает продолговатые молекулы, а значит, и ось L так, чтобы вектор L оказался либо параллелен полю Е, либо перпендикулярен к нему. Ничего другого, как правило, оптической оси не дано.

Циферблатами многих современных часов служат жидкокристаллические индикаторы. Давайте расмотрим, как жидкокристаллический индикатор отображает ту или иную цифру, букву, дату и т. п. Здесь имеются: два поляризатора, оси которых скрещены; две полированные стеклянные пластинки со скрещенными осями полировки; слой нематика между стеклами, вынужденный иметь твист-ориентацию; прозрачные электроды, нанесенные на стекла. Кроме того, под нижним поляризатором расположено зеркало, отражающее дошедший до него свет. Нижний электрод сделан сплошным, а верхний — фигурным. Фигурный электрод состоит обычно из нескольких маленьких электродов — сегментов, из которых можно составить любую цифру, букву, число и слово. Например, для изображения цифры достаточно семи сегментов. Каждый сегмент имеет свой собственный электрический контакт и включается в цепь по специальной команде. Электрическая цепь питается от пары слабеньких батареек (по 1,5 В каждая). Сигналы—команды замыкания цепи с нужным набором сегментов, т. е. цифр, букв и т. д., подаются миниатюрным генератором, работающим по специальной программе.

Исходная идея заключается в следующем: растворить какой-нибудь краситель непосредственно в жидком кристалле и посмотреть, как будут изменяться оптические свойства такого раствора под действием приложенного напряжения. Ну что же, давайте попробуем. Краситель искать не придется — возьмем обычные фиолетовые чернила, которые представляют собой раствор красителя «кристаллического фиолетового» в воде. А жидкий кристалл можно купить в магазине химических реактивов. Допустим, что нам повезло, и мы имеем вещество, являющееся нематиком при обычной (комнатной) температуре. Например, это может быть соединение, сокращенно обозначаемое четырьмя заглавными буквами МББА в соответствии с его очень строгим и очень длинным химическим наименованием. При температурах от 21 до 47 °С оно и является нематиком.

О голографии уже много говорилось, в том числе и в популярной литературе. Поэтому здесь мы ограничимся только самым кратким изложением того, что имеет отношение к теме нашей книги.

Интригующее греческое слово «голография» переводится весьма прозаически как «полная запись». Что при этом имеется в виду? Посмотрим сначала, как регистрируется изображение какого-либо предмета на обычную фотопластинку или фотопленку. Объектив формирует изображение предмета на пленке. В фотоэмульсии идет химическая реакция, которая при последующем проявлении приводит к почернению пленки в тех местах, где она была освещена. Существенно, что степень почернения определяется только интенсивностью света, т. е. амплитуды поля световой волны.

Нет нужды говорить современному человеку о пользе телевидения; каждый из нас провел у телевизора заметную часть своей жизни. И каждый знает, что чем больше экран, тем лучше. А вот от объема телевизора пользы нет никакой. И в то же время уменьшить его чрезвычайно трудно, несмотря на все успехи микроминиатюризации современных радиосхем. Виновником этого является вакуумная электроннолучевая трубка, которую никак не удается сделать плоской. Кроме того, трубка требует высоковольтного источника напряжения. Между тем, портативные телевизоры нужны не только для загородных пикников. Вы можете легко представить себе сотрудника уголовного розыска, которому .из диспетчерского пункта показывают интересующую его фотографию, вместо того чтобы долго и путанообъяснять приметы соответствующего лица с помощью голоса. На экране портативного телевизионного приемника можно, например, указать необходимые географические координаты объекта, скажем, геологу или командиру воинской части. Малогабаритная телевизионная система может служить также удобным видеотелефоном и т. п.

Сказав да, мы правильно ответим на этот вопрос. Но следующие вопросы окажутся потруднее: а почему связана и как именно? Более 40 лет назад советский физик, ныне член-корреспондент Академии наук СССР В. Н. Цветков поставил очень простой на вид эксперимент. Измерялась (просто с помощью секундомера) скорость вытекания жидкого кристалла из круглого капилляра, помещенного в зазор довольно сильного магнита. Исследовалось вещество. Это классический пароазоксианизол (сокращенно ПАА), сыгравший в физике жидких кристаллов ту же роль, что, например, германий в полупроводниковой технике или муха-дрозофила в генетике.

Вот теперь самое время опять поговорить о конвекции. Мы знакомились с этим явлением раньше при рассмотрении классического эксперимента, выполненного в начале этого века французским ученым Бенаром. Бенар наблюдал ячеистое движение жидкости в том случае, если подогревал слой снизу. При подогреве сверху движения не возникало, откуда сразу было ясно, что в этом явлении важную роль играет поле тяжести.

Явление, которое мы только что обсуждали, физики называют электрогидродинамической неустойчивостью. Если внешнее напряжение ниже порогового, то жидкий кристалл находится в покое. Если поле увеличить, будет достигнут порог неустойчивости, при котором и возникает вихревое течение жидкого кристалла в форме правильных ячеек или «рулонов».

Ели еще немного увеличить напряжение, скорость циркуляции жидкости в «рулонах» будет увеличиваться, но форма ячеек пока не меняется. Однако так долго продолжаться не может. 

Мы продолжаем «экспериментировать» с жидким кристаллом. Динамическое рассеяние света — один из наиболее доступных для наблюдения эффектов, и для опыта не требуется никаких сложных приспособлений. Самое главное для этого — иметь две стеклянные пластиночки (размерами, например, 30x20x2 мм8), покрытые с одной стороны прозрачным электропроводящим слоем двуокиси олова или окиси индия. При наличии печки, где температура примерно 400 °С, слой двуокиси олова наносится сам, если к стеклу поднести керамическую чашечку с хлорным оловом (чашечка должна быть, конечно на длинном проволочной ручке). Пластинки можно вырезать из обычного оконного стекла, причем края их должны быть сглажены хотя бы наждачной бумагой. Заметим» что В К. Фредерике и В. Н. Цветков, открывшие эффект динамического рассеяния света, использовали в качестве электродов проволочные сетки, поскольку замечательные свойства слоев двуокиси олова в 30х годах еще не были известны.

Молекулы бывают зеркально симметричные и зеркально несимметричные. Например, молекулы, из которых состоят нематики, зеркально симметричны. Действительно, поместив молекулы перед зеркалом, мы убеждаемся, что их зеркальные изображения нисколько не отличаются от них самих. А теперь для примера взглянем на обитателей морей и их отражения в зеркалах, мысленно расположенных по вертикали в середине картинок. Правый и левый дельфины, правая и левая половинки осьминога не совпадают между собой. Точно так же мы никогда не сможем совместить друг с другом правую и левую руки, любая из которых является зеркальным отражением другой. Все это примеры зеркальной несимметричности.Не будет преувеличением сказать, что людей уже на протяжении тысячелетий занимает вопрос о симметрии различных объектов по отношению к их изображению в зеркале.

Предполагается, что все знают, как работают физики. Физика — модная наука, о физиках написано много книг и сделано немало кинофильмов. А вот химиков в кино показывают гораздо реже. А зря, так как онито и являются настоящими Творцами с большой буквы — ведь химик создает новые молекулы — подлинные кирпичи мироздания.

Что же нового вносит спиральная форма молекул в ориентацию оптической оси жидкого кристалла? Прежде всего, глядя на вытянутую форму молекул, разумно предположить, что их можно расположить параллельно друг другу хотя бы в одном тонком слое. При этом есть возможность удобно подогнать молекулы одну к другой, что соответствует, как мы знаем, балансу сил, действующих между ними. Таким образом, выделенный слой, молекул имеет оптическую ось L. Но здесь надо оговориться, что вовсе не обязательно всем молекулам в та-ьом нематическом слое одновременно иметь совершенно одинаковую ориентацию всех частей молекул. Например, молекулы могут поворачиваться вокруг своих продольных осей, так что в разных местах основные (плоские) участки молекул лежат как плашмя, так и ребром к слою. Так происходит и в настоящем нематике. Поэтому рисунок нужен только как модель.  

Вращение линейной поляризации света впервые было обнаружено в кварцев 1811 г. Явление заключается в том, что свет, поляризованный по определенному направлению, пройдя кристалл вдоль оси винта, оказывается поляризованным по другому направлению, составляющему с первым угол. Угол ср прямо пропорционален толщине кристалла. Вообще мы уже видели примеры поворота поляризации и знаем, что он связан с двойным лучепреломлением света. В показанном  случае, поворот осуществлялся только при определенном расположении осей поляризатора и кристалла и определенной толщине кристалла. При этом в кристалле не имелось никакого винта оптических осей. Напротив, в других случаях, имелась спиральная ориентация оптических осей, которая создавалась искусственно. Эти примеры уже похожи на то, что наблюдается в кварце и холестерике.

С явлением оптической активности тесно связано другое замечательное явление — избирательное отражение света холестериком. Слово «избирательное» здесь совсем неслучайно: холестерик действительно отражает яркий свет лишь с избранной длиной волны Я, равной шагу холестерической спирали h. Отсюда и то богатство цветовой гаммы, которое так привлекает всех, кто смотрит на изделия из холестериков в изменяющихся условиях. К таким условиям относятся температура, механическая нагрузка, примеси, электромагнитное поле.

Мы назвали уже несколько способов управления оптическими осями холестерика. Но, пожалуй, самым популярным и эффектным стало изменение окраски холестерика в зависимости от температуры. При этом цвет холестерической пленки зависит от температуры в такой же степени, в какой чувствителен к нагреву или охлаждению шаг спирали. И здесь прослеживается интересная закономерность. При высокой температуре в обыкновенном жидком состоянии холестерик бесцветен, точнее, бецветно вещество, которое при более низкой температуре переходит в холестерическое состояние и становится обладателем холестерической спирали. При температуре такого перехода холестерик синеет и при дальнейшем охлаждении приобретает все цвета спектра от фиолетового и голубого до красного и желтого. Это означает, что по мере охлаждения холестерической жидкости шаг спирали увеличивается, а при нагревании — уменьшается. Такое поведение холестерика нетрудно объяснить, оно сходно с поведением твердых кристаллов при их генении температуры.

Глядя на мир широко раскрытыми глазами и воспринимая с их помощью громадный объем всевозможной информации, мы редко задумываемся над тем, что же такое глаз, чем он хорош и чем плох. Мы, конечно, имеем в виду не столько форму или цвет и даже не те тайные признаки, которые отличают Мику Морозова на известном портрете В. Серова от репинского «Мужика с дурным глазом». Мы говорим о характеристиках глаза как оптического прибора. 

Все многообразие мира кристаллов, видимое нами, связано с существованием 230 способов, которыми южно расположить атомы в кристаллической решетке. При этом подразумевается, что в решетке обязательно имеются три независимых выделенных направления, вдоль которых атомы периодически занимают свои места, а ре-метка в целом обладает симметрией. Понятие симметрии существует в нашем сознании как призна:. внутренней красоты, согласованности и уравновешенности пропорций и частей, которые составляют гармоничное целое Благодаря равновесию сил атомы и молекулы выстраиваются в кристалле правильными рядами, колоннами и слоями. По разным направлениям расстояния и силы взаимодействия между частицами, из которых складывается кристалл, могут быть различны. Поэтому кристалл растет с неодинаковой скоростью по разным направлениям и вырастает в форме многогранника. На гранях осаждаются и закрепляются все новые и новые слои.

Ну уж, скажет читатель-скептик, к коксу то жидкие кристаллы вряд ли имеют отношение. И действительно, никто об этом и не подозревал на протяжении многих лет. И только после получения химиками диско-молекул в чистом виде вдруг выяснилось, что подобные вещества существуют вокруг нас в огромных количествах — буквально в миллионах тонн, а технологическую значимость жидкокристаллического состояния трудно переоценить.

Кто не пускал мыльные пузыри! Это действительно увлекательное занятие. И очень полезное с научной точки зрения, хотя бы потому, что они имеют прямое отношение к жидким кристаллам, о которых мы сейчас расскажем. Речь пойдет о смектических жидких кристаллах или, коротко говоря, о смектиках. «Смеша» в переводе с греческого означает «мыло». Уже давно было обнаружено, что есть сорт жидких кристаллов, которые по своему строению похожи на мыльные пленки. Как же сконструирована жидкая мыльная пленка, служащая поверхностью пузыря? Не так просто, как могло бы показаться.

Смектиков много. Точнее, много разных типов смектического состояния. Только что мы рассмотрели самый простой из них — так называемый смектик типа А. Буква А в данном случае означает только первую букву латинского алфавита. Остается заключить, что есть еще смектики В, С, D, E, F, G, И и т. д. Алфавитный порядок в обозначении новых типов смектического состояния в целом отражает возрастающую сложность строения жидких кристаллов, которые проявляют твердость не во всех измерениях. Легко понять, что комбинации кристаллических решеток разного вида с разными ориентациями молекул в этих решетках весьма многочисленны. Реально обнаружен примерно десяток таких комбинаций. Мы остановимся на некоторых из них. При охлаждении некоторых веществ смектик А превращается в смектик В. По внешнему виду смектик В напоминает мед и обладает примерно такой же вязкостью. Под микроскопом этот жидкий кристалл выглядит как цветное мозаичное панно. По дифракции рентгеновских лучей в этом смектике заключают, что в смектической плоскости такого кристалла, по крайней мере на небольших участках, молекулы расположены в правильном порядке. Обычно в этой плоской мини-решетке центры масс молекул располагаются в вершинах правильных шестиугольников. До сих пор не ясно, простирается ли в каждой смектической плоскости правильная шестиугольная решетка до бесконечности или все-таки размер «правильного» участка ограничен. Оказывается, это трудный и весьма принципиальный научный вопрос. Ответ на него можно будет получить только после выяснения всех деталей взаимодействия молекул внутри плоскости и в соседних плоскостях.

До сих пор в рассказе о смектиках мы подразумевали, что их молекулы обладают зеркальной симметрией, т. е. если их вертеть перед зеркалом, то обязательно найдется такое положение молекулы, при котором она точно совпадет со своим изображением в зеркале. Ну, а если ни одного такого положения не удастся найти? В этом случае, как мы уже знаем, молекула и ее отражение в зеркале являются оптическими антиподами. В холе-стерике правые и левые молекулы образуют соответственно вправо и влево закрученные спирали оптических осей. В некоторых смектиках может происходить нечто похожее, но, правда, не во всех. Так, в смектике А, где длинные оси молекул жестко перпендикулярны смекти-ческим плоскостям, слабенькое влияние выступов и отростков молекулярного контура ничего не сможет сделать с конструкцией этого жидкого кристалла.

Все хорошо знают, что вещества плавятся при нагреве и затвердевают при охлаждении. Обратное утверждение звучит парадоксально. Тем не менее, жидкие кристаллы позволяют сделать исключение из общего правила. Конкретно речь пойдет о плавлении смектика А в нематик. Плавление любых кристаллов означает полное разрушение кристаллической решетки. В данном случае исчезает периодическое расположение параллельных смектических плоскостей, т. е. разрушается решетка, существовавшая в единственном измерении. Изучать плавление смектика А при понижении температуры интересно не только с точки зрения науки о строении кристаллов, но и в практическом отношении. Очень часто желательно иметь материалы, которые работали бы при низких температурах так же хорошо, как и при высоких. Это относится, в частности, и к нематикам, которые, как мы уже знаем, являются ценными оптическими материалами.