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.

Пусть в молекуле нематика диполь легко возникает вдоль длинной оси и с трудом вдоль короткой оси. Это означает, другими словами, что электронное облако легко смещается относительно положительного ядра вдоль молекулы и с большим трудом — поперек нее. Если поле Е и ось L составляют между собой некоторый угол, то фактически заряды в молекуле разводятся только составляющей поля Е вдоль оси L. Допустим, что заряды разошлись вдоль молекулы на определенное расстояние. Но в таком случае поле Е должно теперь действовать на каждый заряд в отдельности: с силой F=QE по направлению вектора Е на положительный заряд и с такой же силой в про. тивоположном направлении — на отрицательный за-ряд. Таким образом, возникают плечо и пара сил, создающие крутящий момент. Этот момент пары и поворачивает продолговатую молекулу так, чтобы она своей длинной осью ориентировалась вдоль поля Е. 

Бывает, продолговатая молекула устроена так, что электронное облако легче сместить вдоль поперечной оси. Тогда только проекция поля Е на поперечную ось создает диполь. В этом случае рассуждение полностью повторяется, но результат его, очевидно, таков: возникающий крутящий момент поворачивает молекулу так, чтобы ее продольная ось оказалась перпендикулярной полю.

Вообще-то, пока речь идет о поворотах одной-един-ственной молекулы, было бы неправильно говорить о повороте оптической оси нематика. Точно такие же повороты индивидуальных молекул происходят и в обычной жидкости. Эффект от них невелик. Но в том-то и дело, что в нематике все молекулы, взаимодействуя между собой, ориентируются одинаково. Поэтому, грубо говоря, достаточно толкнуть одну из них, чтобы другие, как костяшки домино, дружно повернулись вслед за первой. Здесь и кроется причина того, что для осуществления поворота именно оптической оси требуются небольшие усилия, в том числе и не очень сильное электрическое поле у обычной жидкости, не имеющей оптической оси. При отсутствие поля, молекулы под действием поля тоже могут выстроиться параллельно. Правда, для этого потребуется сильное электрическое поле. Тем не менее, оно порождает в жидкости оптическую ось. Чем сильнее поле, тем более упругой становится ориентация оси. Так происходит при нагреве нематика и «расплавлении» его в обыкновенное жидкое состояние. Но и в этом случае нематик оставляет свой след. Дело в том, что обычная жидкость, бывшая нематиком, хранит о нем память. Память в том смысле, что она состоит из знакомых нам зерен, которые теперь ориентированы совершенно хаотично. Однако размер этих зерен или число молекул в них сильно зависит от нагрева. С увеличением температуры зерна мельчают. Но, если жидкость нагрета немного выше температуры плавления нематика, размеры зерен еще велики — около 100 нм. Поэтому ориентировать молекулы полем гораздо легче вблизи температуры плавления, чем вдали от нее.

Казалось бы, сколь угодно слабое поле может поворачивать оптическую ось нематика. Так и будет, если жидкая среда простирается неограниченно по всем направлениям. В действительности же, как мы знаем, слой нематика должен иметь конечную толщину и жесткую ориентацию молекул на стеклянной поверхности. Таким образом, отклоняющее действие поля вступает в противоборство со стабилизирующим действием упругих сил. Фактически отклонение оптической оси в слое нематика начинается тогда, когда крутящий момент электрических сил станет равен или больше возвращающего момента упругих сил. Поэтому для нематика существует совершенно определенный порог поля или разности потенциалов на электродах, выше которого оптической осью уже нетрудно управлять.

Видно, что в центре слоя отклонение оптических осей наибольшее, а у стеклянных поверхностей — наименьшее. Это естественно, поскольку влияние твердой поверхности ослабевает в глубине слоя. С увеличением поля повороты оптических осей становятся все больше и достигают 90° почти во всем нематике, за исключением тонкого приповерхностного слоя, где молекулы прилипли к стеклу. Собственно говоря, такое поведение нематика и называется эффектом Фредерикса.

При умеренных значениях напряжения, превышающих порог, когда оптическая ось принимает не горизонтальное и не вертикальное, а какое-то наклонное положение, во всей своей красоте проявляется необычное двойное лучепреломление. Дело в том, что оно сопровождается цветовыми эффектами, если слой нематика освещается белым светом: по мере изменения угла наклона молекул нематик переливается всеми цветами радуги. Причина явления проста: происходит интервенция лучей, один из которых проходит сквозь нема-Ре п0 вертикали, а второй под определенным углом к вертикали, зависящим от ориентации оптической оси L. Б ведут себя в нематике так же, как и в исландском 
шпате. Если по одному и тому же направлению проходят оба луча, поляризованных во взаимно перпендикулярных направлениях Еой и Ецб. К наблюдателю сквозь второй поляризатор оба луча пройдут по тому же направлению с одинаковой поляризацией: векторы Е в них равны проекциям векторов !.о6 и Ell6 2 на ось поляризатора.

Лучи проходят слой нематика с разной скоростью. Поэтому в зависимости от длины волны, толщины слоя и угла наклона оси L лучи на выходе из нематика запаздывают по-разному. Например, может оказаться так, что лучи усилят друг друга, пройдя второй поляризатор с поляризацией ЕВЬ1Х0Д. При этом запаздывание необыкновенного луча должно быть таково, чтобы векторы Е6 г и E6 2 были противоположны по направлению.

Но такое взаимное усиление возможно лишь для лучей определенного цвета (определенной длины волны). А если ориентация оси L изменится, то изменится и цвет яркого луча. Поэтому и возникает такая красочная картина при увеличении напряжения, подаваемого на слой нематика. Интересно, что если первый поляризатор исключает либо поляризацию Ен6 lt либо поляризацию Ео падающих лучей, то сквозь нематик проходят только либо обыкновенные, либо необыкновенные лучи и ни-какой интерференции между ними не происходит. Таким образом, несложная оптическая система, управляв, мая электрическим полем, может превратить белый парусник в стремительный бриг с алыми пару, сами. Другой пример проявления описанного эффекта показан на обложке, где с помощью наложения неодно, родного электрического поля инженер-художник изобразил хамелеона, меняющего свою окраску.

Поместив слои нематика между скрещенными поляризаторами, в сильном поле мы будем наблюдать знакомые оптические эффекты. Во всех этих случаях свет не будет пропущен сквозь оптическую систему, так как слои нематика практически не будут изменять поляризацию света. Таким образом, появляется принципиальная возможность управления интенсивностью света, например в системе (в) — прозрачной в слабом поле. Можно было бы использовать и слой (а), если ось полировки стекол расположить под углом 45° к осям поляризаторов. При этом толщину слоя надо подобрать так, чтобы осуществлялся поворот поляризации света на 90° после выхода из нематика.

Простота и доступность нарисованных схем восхищает. Не надо кропотливой, почти ювелирной работы, необходимой при изготовлении твердых кристаллов для тех же целей. Не надо мощных импульсов электрического поля, используемых для поворота оптической оси в твердом кристалле. В нематике независимо от толщины слоя пороговое напряжение может составлять всего доли вольта, а толщина слоев, используемых на практике, примерно равна сотой доле миллиметра! Это и обусловило громадный практический интерес к жидким кристаллам при создании оптических индикаторов и затворов всевозможных типов.

Оптические индикаторы и затворы по командам извне пропускают и гасят сигналы, подаваемые световым лучом. Видимо, первым придумал такой затвор шотландский физик Керр в 1876 г., причем тогда использовалась обычная жидкость. Сегодня эффект возникновения оптической оси в обычной жидкости под действием сильного электрического поля широко используется. В затворах меняется, например, нитробензол. Такие затворы обладают одним ценным качеством. Они невероятно быстро работают. В некоторых жидкостях между моментами включения поля и возникновения оптической оси проходит совсем ничтожное время ~10~1J с. Поэтому системы Керра применяются там, где необходима сверхвысокая скорость и точность: для измерения скорости света, в сверхскоростной фотографии, при исследовании взрывов и распространения пламени, для управления лазерными лучами.

Малое время реакции обычной жидкости на действие поля объясняется тем, что здесь, как мы знаем, поворачивается каждая молекула в отдельности. Сопротивление ее повороту со стороны остальных молекул ничтожно. Вот тут-то, в быстродействии, жидкие кристаллы вообще и нематик в частности не выдерживают конкуренции, потому что в нематике действует огромный и слаженный ансамбль молекул или, по крайней мере, крупнозернисто-сть необычной жидкости. В самом деле, в этом случае должны разом поворачиваться миллионы молекул. И хотя мы выигрываем в энергетической экономичности такого поворота, зато начинаем проигрывать в скорости его осуществления. Причина — вязкость вещества, которая сказывается как раз на таких больших масштабах.

Когда мы сравнивали оптические оси со струнами в вязкой жидкости и с водорослями в морской воде, то имели в виду именно это обстоятельство. И те, и другие не могут долго колебаться, если перестать на них воздействовать: колебания быстро угасают вследствие трения (вспомним, как колышутся водоросли!). Конечно, чем сильнее электрическое поле, тем быстрее оптическая ось изменит свое направление в нематике. Однако пока самые быстрые процессы в жидком кристалле протекают медленнее 10в с.