Вода нас изумляет с детства. С первых купелей человек не перестает поражаться свойствам жидкости, легко текущей между пальцев и причиняющей боль при резком шлепке по водной поверхности. Мы заворожено смотрим на весеннюю капель и потоки дождевой воды с замысловатыми завихрениями и водоворотами, на монументальные струи гигантских водопадов и переливы света, цвета и теней в лесном ручье, на голубое сияние моря и сверкающие горошины росы. Все эти явления связаны с такими свойствами жидкости, как текучесть и вязкость, поверхностное натяжение и сцепление с твердыми телами, способность отражать, преломлять и рассеивать свет. Такими же свойствами обладают и объекты, давшие название этой книге, хотя надо сразу сказать, что жидкие кристаллы имеют ряд особенностей, не присущих обычным жидкостям. Для понимания особенностей жидких кристаллов и надо вспомнить, что такое вообще жидкость.

Строение, силы взаимодействия молекул, поверхностное натяжение. Несмотря на кажущуюся простоту и доступность, жидкое состояние еще не изучено так полно и глубоко, как нам хотелось бы, по крайней мере так, как исследованы твердые кристаллы и разреженные газы. И дело здесь в том, что в жидкости составляющие ее атомы и молекулы довольно сильно взаимодействуют между собой (в отличие от газа) и в то же время могут свободно перемещаться относительно друг друга, не оставаясь на одном месте (в отличие от кристалла).

В жидкости атомы и молекулы не могут разойтись на сколь угодно большое расстояние друг от друга. Например вода, налитая в кастрюлю, не исчезает без каких- либо особых причин. Это означает, что между молекулами воды действуют значительные силы притяжения. Эти силы, правда, не так велики, как в кристалле, где они заставляют атомы и молекулы занимать строго определенные места в кристаллической решетке. Нагревание приводит к увеличению подвижности молекул. При высокой температуре они начинают метаться настолько быстро, что силы притяжения со стороны соседей уже не могут удержать молекулы в ограниченном объеме, и жидкость превращается в газ.

Внутри сосуда с жидкостью в среднем имеется баланс сил. Другое дело — на поверхности. Здесь равнодействующая сил притяжения направлена внутрь, и поэтому поверхность у жидкости не исчезает. Поверхностный слой играет роль упругой пленки, которая в условиях равновесия, имеет вполне определенную площадь. Всякое искусственное увеличение этой площади — растяжение пленки — приводит в действие упругие силы, которые стремятся сократить поверхность, т. е. восстановить ее равновесную площадь.

В то же время хорошо известно из опыта, что жидкость сильно сопротивляется сжатию. Не так-то просто сдавить поршнем воду в насосе, если все отверстия закрыты. Таким образом, молекулы сопротивляются более тесному сближению. Значит, они отталкивают друг друга, если оказываются на небольшом расстоянии, т. е., другими словами, молекулы не могут проникать друг в друга.

Сцепление с твердыми телами. Важен вопрос о том, как твердая поверхность взаимодействует с   наружным слоем молекул жидкости. На молекулы, находящиеся на твердой поверхности, действуют две силы притяжения: одна — со стороны жидкости, другая — со стороны твердого тела. Если молекулы жидкости, находящиеся вне наружного слоя, притягивают сильнее, то поверхность капли стремится как можно меньше соприкасаться с твердой поверхностью. Это пример несмачивания и, в частности, водоотталкивания. Если сильнее притягивает твердый материал, жидкость стремится занять как можно больше места на твердой поверхности. Это пример смачивания. В случае смачивания жидкость в узкой щели имеет вогнутую поверхность, а при несмачивании — выпуклую. Отсюда следует, что смачивающая жидкость должна втягиваться в капилляр — узкую щель между двумя твердыми пластинами. Это вызвано тем, что упругие силы изогнутой пленки стремятся сократить ее поверхность, т. е. центральная часть пленки должна продвинуться в щель. Но молекулы жидкости в точках соприкосновения со стенками вновь образуют вогнутую поверхность, стремясь как можно больше соприкасаться с твердым материалом, и т. д. В этом случае говорят, что жидкость движется под действием капиллярных сил.

Вязкое течение, вихревое движение. Обычно молекулы жидкости, попавшие на твердую поверхность, накрепко прикрепляются к ней, так что оторвать их почти невозможно. Поэтому, если сдвигать верхнюю стеклянную пластинку параллельно нижней (неподвижной) со скоростью v , то скорость самого верхнего слоя жидкости будет равна v, а самого нижнего — нулю. На промежуточной глубине скорость имеет значение, промежуточное между 0 и v, как показано на рисунке. Жидкость течет как бы слоями, каждый из которых — со своей скоростью. Разная скорость слоев возникает из-за трения между ними, которое в жидкости называется вязкостью. Собственно говоря, вязкость описывает силу, которая возникает только при движении слоев жидкости относительно друг друга. Остановка пластины немедленно приводит к прекращению действия этой силы в жидкости. Этим жидкость отличается от кристалла, в котором, как в пружине, после снятия нагрузки продолжает действовать упругая сила, возвращающая атомы на место. Между прочим, жидкость может показаться твердой и упругой, если воздействовать на нее очень быстро (резко шлепнуть ладонью, бросить плоский камешек почти параллельно поверхности воды). Молекулы за время такого воздействия отчасти сохраняют свои мгновенные расположения в пространстве, и жидкость ведет себя в эти мгновения почти как твердое тело.

Если медленно тянуть верхнюю пластину с постоянной скоростью, устанавливается плавное слоевое течение. При этом молекулы постоянно перескакивают из слоя в слой, быстрые молекулы замедляются, медленные — ускоряются, т. е. происходит обмен импульсами движения, что и создает механизм трения. Когда на пути такого потока встречается какое-нибудь препятствие, то слои плавно обтекают его. Но стоит заметно увеличить скорость v, как такое спокойное течение разрушается, и за цилиндром возникают завихренности и водовороты. Это явление мы часто наблюдаем в бурных ручьях после мощного ливня. Причина его состоит в том, что при быстром течении на расстояниях, сравнимых с размером препятствия, молекулы не успевают перескакивать из слоя в слой так, чтобы обеспечить налаженный механизм трения и плавно замедлить скорость слоев. В этом случае вязкость жидкости не столь существенна, слои ломаются, перемешиваются, словом, начинается вихревое движение жидкости. Этот эффект важен для работы многих машин и, в частности, для движения подводных лодок, которым он сильно мешает вследствие большой затраты энергии и образующегося шума.

Конвективные явления. Не обязательно для всех этих явлений, чтобы на пути потока жидкости встретилось твердое препятствие. Бывают случаи, когда в чистой жидкости, первоначально неподвижной, возникает сначала плавное, а затем и вихревое течение. Например, это происходит при конвекции. Конвекция — очень распространенное явление, которое наблюдается, если подогреть слой жидкости снизу, а верхний слой оставить холодным. При этом более холодные, а значит, более плотные, верхние слои стремятся опуститься вниз, в то время как более теплые, т. е. менее плотные, нижние слои устремляются вверх под действием сил Архимеда. Плавный процесс движения начинается, когда выталкивающие силы Архимеда сравняются с силами трения и превзойдут их. Естественно, что слоистое течение между пластинами не может в одной точке начаться, а в другой оборваться. Оно должно быть замкнутым вследствие закона сохранения массы, т. е. иметь вид каких-то слоеных ячеек. На одном краю ячейки жидкость теплее, а на другом — холоднее, чем было бы в отсутствие движения. Но тогда по соседству с данной ячейкой равноправно должны появиться и другие такие же. Так и получается на опыте, что вдоль пластинки жидкость разбивается на подобные конвективные ячейки. Чем больше разница температур нижних и верхних слоев, тем быстрее течение в ячейках, а при очень большой скорости ячейки разрушаются и образуются вихри.

Конвективные потоки наблюдаются не только на лабораторном столе, но и в огромных масштабах — в океанах воды и воздуха. Циркуляция громадных масс воды и воздуха, вызванная неодинаковым нагревом суши, моря и атмосферы, фактически обусловливает все капризы погоды, штормы и тайфуны, многие сезонные погодные явления на разных континентах.   

Конвективные ячейки иногда можно наблюдать в иллюминатор самолета, летящего над грядой облаков: видны почти правильные шестиугольники со сторонами в несколько километров. Это явление связано с более высокой температурой Земли и нижнего слоя облаков по сравнению с температурой воздуха на большой высоте. Форма ячеек при взгляде сверху объясняется тем, что в плоскости облачного слоя все направления равноправны, и поэтому конфигурация ячейки должна быть симметричной. Шестиугольники — как раз такие симметричные фигуры, которые можно вплотную подогнать одну к другой. То же наблюдается и в миниатюре в тонком слое жидкости между двумя стеклянными пластинками. При этом длина стороны шестиугольника примерно равна толщине слоя, поскольку никакого другого характерного расстояния в этом слое нет.

Мы вспомнили, пожалуй, самые важные свойства обычных жидкостей (и плотных газов), присущие, как будет видно, и жидким кристаллам. Однако эти свойства заиграют в жидких кристаллах новыми красками, поскольку они будут сочетаться со свойствами твердых кристаллов. Чтобы увидеть это, надо познакомиться с особенностями устройства и взаимодействия молекул.