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.

Так вот, если мы попытаемся влить чернила в МББА, у нас ничего хорошего не получится, водный раствор красителя будет просто находиться на поверхности жидкого кристалла. Если же взять порошок того же красителя и насыпать в МББА, он тотчас же опустится на дно пробирки и останется там навсегда.

В чем же здесь дело? Дело в том, что растворитель и растворяемое вещество должны подходить друг другу по строению своих молекул. При этом под строением понимается как геометрическая форма, так расположение в них электрических зарядов. Видно, что для молекулы жидкого кристалла характерна удлиненная форма. Обратите внимание на то, что такая форма задается скелетом из двух шестиугольников, связанных между собой азометиновым мостиком. Это бензольные кольца, состоящие из шести атомов углерода каждое. Углерод имеет четыре валентных электрона, с помощью которых он образует химические связи с другими атомами. Связи обозначаются черточками, и от каждого атома углерода в любой химической формуле должно отходить ровно четыре черточки. При этом со своим ближайшим соседом атом может поделиться одним, двумя или даже тремя электронами, т. е. установить с этим соседом одиночную, двойную или тройную связь. В бензольных кольцах, если двигаться по их периметру, одиночные и двойные связи чередуются. При этом каждый атом углерода прикрыт от внешней среды одним атомом водорода.

У молекулы МББА имеются, кроме того, два очень подвижных «хвостика». Слева стоит метокси-группа, а справа особенно гибкая бутильная (С4Н9—группа). Эти хвостики не несут заряда и не любят соседства с молекулами воды, имеющими большие электрические диполи. Правильнее будет сказать, что вода не любит с ними соседства, так как молекулам воды гораздо выгоднее соседствовать друг с другом. Притягивающиеся друг к другу диполи воды образуют при этом некоторое подобие подвижной кристаллической решетки, в которой молекулы не зафиксированы на своих местах, но все-таки достаточно тесно связаны друг с другом. В такую тесную «решетку» незаряженная молекула-«гость» войти не может, ее туда просто не впускают «хозяева». 

Красители, существующие в форме заряженных ионов, могут растворяться в воде, так как им с помощью кулоновских сил удается подстроиться к водной «решетке». Однако эти красители плохо растворяются в органических растворителях, в том числе и в жидких кристаллах типа МББА. Как раз таким красителем и является «кристаллический фиолетовый». Молекула этого красителя содержит три бензольных кольца, немного развернутых из плоскости рисунка и образующих «пропеллер». При этом с молекулы красителя снят один электрон и отдан хлору, так что отрицательный ион хлора может плавать в водном растворе совершенно независимо от оставшегося положительного иона красителя. Но это только в водном. Если же краситель попытаться растворить в жидком кристалле, молекулы которого обладают небольшими постоянными диполями, ионы не образуются, так как кулоновские силы, действующие со стороны растворителя, оказываются недостаточными, чтобы разлучить ионную пару. В этом случае краситель вместе с атомами хлора «предпочитает» остаться в виде кристалликов, чем и объясняется неудача нашей легкомысленной попытки. Но зато этот пример подсказывает, что краситель к жидкому кристаллу нужно подбирать, исходя из принципа родственности, в гостях у родственников мы часто чувствуем себя как дома; примерно так обстоит дело и с красителями в жидком кристалле.

В жидких кристаллах хорошо растворяются вещества молекулы которых содержат в своей основе бензольные кольца и подвижные концевые группы, например, краситель К.1. Бензольные кольца в нем соединены азомостиком, а слева и справа стоят дипольные диметиламино- и нитро-группы. В целом же молекула электрически нейтральна, и краситель не является ионным.

Родственность в строении бросается в глаза сразу же. Неудивительно поэтому, что краситель К1 не только легко растворяется, но его молекулы легко вписываются в молекулярную упаковку МББА, так что и молекулы-гости (К1) оказываются ориентированы точно так же, как и молекулы хозяина (МББА). Между прочим, сам краситель в отдельности плавится при высокой температуре, переходя непосредственно в обычную жидкость и не образуя жидкого кристалла. Это происходит из-за особого вида его концевых групп.

Вообще законно поставить вопрос: почему при похожем молекулярном строении МББА совершенно бесцветным а К1 является красителем, интенсивно поглощающим синий и зеленый свет и свободно пропускающим красный. Это очень интересная и большая проблема, лежащая в основе целого научного направления физики и химии красителей, которое разрабатывали, в частности, выдающиеся советские ученые академики С. И. Авилов и А. Н. Теренин. Поговорим немного на эту тему. Это позволит нам лучше разобраться в некоторых интересных практических приложениях.

Все органические молекулы поглощают электромагнитное излучение, но, как правила, в ультрафиолетовой области спектра, где световые кванты обладают наибольшей энергией. Однако большая группа веществ погло-щает более длинноволновое излучение, а именно, свет видимого диапазона. Вот эти-то вещества и есть красители. А какой должна быть молекула, чтобы поглощать длинноволновый свет?

Свет хорошо поглощается в том случае, если он может заставить электроны молекулы колебаться с большой амплитудой на световой частоте. Мы сейчас хотим, чтобы хорошо поглощался сравнительно низкочастотный свет. Значит, электроны молекулы должны легко раскачиваться на низких частотах. Каждый из нас знает, что на больших качелях частота колебаний невелика, а вся прелесть качаний — в большой амплитуде. Так же обстоит дело и с электронами в молекуле. Для низкочастотных колебаний нужно, чтобы электрическое поле световой волны сравнительно свободно могло перемещать электроны на большие расстояния. Следовательно, строение молекулы красителя должно быть таким, чтобы обеспечить легкость перемещения электронов от одного конца молекулы к другому. Эта легкость достигается в том случае, если вдоль всего молекулярного скелета имеет место строгое чередование двойных и одиночных химических связей, так как лишний электрон с двойной связи может свободно перескакивать на соседнюю одиночную. Цепочку одиночных и двойных связей можно в какой-то мере уподобить рельсам для электронов. Кроме этого, желательно, чтобы концевые группы имели сравнительно большие разноименные заряды.

Роль этих концевых групп можно понять, если представить себе электроны в виде маленьких вагонеток на рельсах. В отсутствие заряженных групп вагонетки по одной равномерно расставлены вдоль рельсового пути. Разноименно заряженные концевые группы сталкивают электроны-вагонетки вдоль рельсов в один конец, образуя целый состав из вагонеток. Свет в этом случае играет роль локомотива, двигающего электроны вдоль рельсов.

В МББА, как и в К1, есть чередование двойных и одиночных связей, но нет сильно заряженных концевых групп, и в результате эта молекула чуть-чуть не дотягивает до того, чтобы быть красителем (она лишь немного поглощает синий свет, из-за чего вещество на просвет выглядит слегка желтоватым).

Чтобы электроны можно было перемещать как по рельсам, поле световой волны должно быть направлено вдоль молекулярного скелета (не может же локомотив двигать состав поперек рельсов. Значит, простая молекула красителя поглощает только тот луч света, который падает перпендикулярно ее длинной оси. Бывают и разветвленные молекулы, которые имеют две или более «рельсовые ветки», направленные под углом друг к другу и поглощающие свет разной поляризации и цвета.

Мы пока говорили о поглощении света электронами, но есть и другие поглотители. Например, тяжелые атомы кислорода могут колебаться по отношению к атому азота в нитрогруппе (—N0,), и эти колебания поглощают очень длинноволновый свет из инфракрасного диапазона. Вообще, все колебания атомных групп молекулы имеют, как радиостанции в эфире, свои характерные диапазоны поглощения инфракрасного излучения. И в этом случае поле волны должно быть направлено вдоль соответствующих химических связей.

Теперь у нас уже есть все основания рассмотреть оптические свойства раствора красителя. Если видимый свет будет падать на раствор сверху или снизу (лучи А) и его ноле будет направлено вдоль главной электронной дороги красителя, то свет поглощается. Лучи, идущие справа или слева ), поглощаться не будут (инфракрасные лучи при ¦ом могут поглощаться, например, на СН-связях в бензольных кольцах). Поляризованные лучи видимого света у которых электрическое поле перпендикулярно плоскости рисунка, не будут поглощаться даже в том случае, если они падают сверху или снизу. Разобравшись со свойствами такой оптической системы, можно выполнить целую серию элегантных опытов с молекулам, красителя.

Во-первых, задав ориентацию красителя с помощь жидкого кристалла и направляя на раствор свет под раз. личными углами, можно снять карту электронных и колебательных «рельсовых путей» в этой молекуле. Это очень эффективный способ изучения строения сложных молекул. Кроме того, с помощью мощного лазерного инфракрасного света можно точно «сселять» по цели, т. е. раскачивать полем именно ту химическую связь которую мы хотим разорвать и таким образом провести фотохимический развал молекулы. Такие же фотохимические реакции можно осуществить и с помощью видимого и ультрафиолетового света, раскачивая теперь уже не атомы, а электроны. Во-вторых, можно использовать эффект Фредерикса для того, чтобы поворачивать молекулы красителя желаемым образом по отношению к световому лучу.

Рассмотрим, например, такой опыт. В стеклянной кювете с прозрачными электродами находится жидкий кристалл с растворенным в нем красителем типа К1. Кристалл, а следовательно и краситель, ориентированы вертикально, например, с помощью полировки поверхностей электродов. Свет имеет вертикальную поляризацию, так что поле направлено вдоль длинных осей молекул красителя, и поэтому поглощается красителем. Монохроматический свет с длиной волны, соответствующей области поглощения красителя, при достаточной толщине слоя будет поглощаться полностью.

Теперь мы хотели бы включить поле и переориентировать жидкий кристалл так, чтобы его молекулы, а вместе с ними и молекулы красителя, выстроились вдоль кетового луча. Это получится в том случае, если вдоль пси молекулы жидкого кристалла располагается большой диполь. Например, если у молекулы МББА заменить бутильный хвост на нитрильную группу, мы получим как раз такой жидкий кристалл, какой нам нужен. Включение поля приведет к эффекту Фредерикса, и краситель приобретет ориентацию.

Таким образом, мы получили световой затвор, перекрывающий или пропускающий наш луч. Соответствующий электрооптический эффект принято называть эффектом «гость — хозяин».

Пусть имеется пучок белого света с направлением колебаний. Такой пучок частично пройдет сквозь затвор даже в отсутствие поля. Краситель «вырежет» из видимого спектра свои участок (например, синий), и на выходе будет световой пучок с урезанным спектром, т. е. окрашенный (в данном случае красный). Спектральный состав прошедшего света можно исследовать с помощью спектрофотометра. 

Спектрофотометр — это оптический прибор, основным элементом которого является стеклянная или кварцевая призма, разлагающая белый свет на все цвета ра-Дуги. Кроме того, в нем имеется устройство (фотоприемник), регистрирующее интенсивность цветных лучей, прошедших сквозь исследуемый объект. В хорошем спектрофотометре интенсивность лучей, прошедших сквозь объект, автоматически сравнивается с интенсивностью исходных лучей. В результате способ-кость объекта поглощать лучи автоматически регистрируется на бумаге в зависимости от длины волны света, и эта кривая называется спектром поглощения объекта. Если спектрофотометр записывает долю света, поглощенного красителем, то в отсутствие поля будет видна характерная полоса поглощения (кривая а), а при включенном поле она практически исчезает.

При использовании белого света затвор выполняет функции светофильтра, управляемого электрическим полем. Если в жидком кристалле растворить более сложный краситель или даже несколько разных, то можно заставить поглощаться свет с разными направлениями колебаний, да еще и в разных участках спектра. Тогда, при наложении внешнего напряжения на жидкий кристалл, мы будем переключать цвет прошедшего света, а не просто менять его интенсивность. Сейчас есть такие красители, которые позволяют переключать цвет с желтого на сиреневый или с красного на фиолетовый. При этом вдобавок можно еще и обойтись без поляризатора, т. е. работать с естественным белым светом.

Нетрудно догадаться, что, используя эффект «гость — хозяин», можно удовлетворить эстетические потребности широкого круга людей, предпочитающих индикаторы разных цветов в циферблатах электронных часов и калькуляторов, приборных щитках автомобилей и в измерительной технике. Кроме того, цвет и сам по себе несет информацию, иногда жизненно важную, как это может быть в случае устройств аварийной сигнализации. А если кто-либо из читателей захочет сконструировать цветной телевизионный экран на жидких кристаллах, вспомните о «гостях в чужом доме».