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.

Пленка устроена так. Тонкая прослойка молекул воды окружена с двух сторон дипольными молекулами. При этом дипольные головки обращены к воде, а длинные хвосты торчат наружу. Почему это так, будет ясно из следующей части. При этом поверхносгь мыльной пленки абсолютно нейтральна, так как хвосты не несут на себе никаких электрических зарядов. Такая пленка ни к чему не прилипает, а заключенная в оболочку вода испаряется очень медленно, что продлевает жизнь мыльных пузырей. Кроме того, мыльная пленка, как и всякая Жидкая пленка, обладает поверхностным натяжением, которое придает ей прочность и эластичность. Поэтому мыльные пузыри не разрушаются при легких прикосновениях, а отскакивают как упругие шарики и сохраняются сравнительно долго.

Но мыльная пленка обладает еще одной интересной чертой. Разница состоит только в том, что нематический порядок существует в толстой пленке жидкости, а индивидуальная мыльная пленка имеет толщину, равную сумме длин нескольких молекул. Таким образом, мы имеем дело с тонким слоем, в котором практически все молекулы, ориентированные одинаково (перпендикулярно поверхности), свободно перемещаются вдоль поверхности, но так, что центры масс молекул находятся на одной и той же плоскости. Эта плоскость называется смектической. Смектическая плоскость параллельна, естественно, поверхности такого тонкого слоя.

Можно сделать и толстую мыльную пленку, представляющую собой стопку тонких слоев, параллельных между собой. А можно поступить и иначе. Вместо смеси воды и мыла можно использовать молекулы одного сорта, имеющие удлиненную жесткую центральную часть и два гибких хвоста. Жесткий скелет заменит собой дипольные головки «мыльных» молекул, разделенные слоем воды, и теперь мы получим стопку слоев, которые могут скользить относительно друг друга, используя гибкие хвосты как некую «смазку». При этом толщина каждого слоя равна длине одной молекулы. Во всех слоях молекулы ориентированы одинаково и параллельны оси г. В каждом индивидуальном слое молекулы беспрепятственно передвигаются вдоль плоскости под воз-действием тепловых толчков. Но все плоскости в стопке слоев находятся друг от друга на совершенно определенном расстоянии. Это расстояние одинаково для любых соседних плоскостей и примерно равно длине молекулы.

Фактически только что, может быть неожиданно для самих себя, мы описали новую конструкцию кристаллической решетки. Эта решетка периодична только в одном направлении — вдоль оси г. Период решетки составляет примерно длину одной молекулы. В таком жидком кристалле, как и в нематике, имеется оптическая ось, которая не изменяет своей ориентации на любом участке тела, если не действуют нагрузки. Вдоль плоскостей этот жидкий кристалл ведет себя как обыкновенная жидкость. Но вдоль единственной кристаллической оси он демонстрирует свойства твердого тела, т. е. обладает упругостью. Если, например, потянуть за две поверхности такой толстой пленки в противоположные стороны по оси г, то расстояние между плоскостями увеличится. Однако при этом, как и в твердом кристалле, возникнут упругие силы, стремящиеся уменьшить период решетки. Поэтому после снятия усилий пленка вернется в исходное состояние, и период решетки станет прежним.

Такой жидкий кристалл, твердый лишь в одном измерении, называется смектическим или просто смектиком. Химики получили множество смектиков, состоящих только из молекул одного сорта, но эти молекулы всегда подчиняются двум требованиям — они длинные и «хвостатые». В некоторых случаях такие молекулы обладают еще и постоянными диполями, но отнюдь не всегда. Условие большой длины для молекул смектика довольно очевидно. Действительно, для того чтобы получился тонкий плоский слой молекул, не выскакивающих из него при умеренной температуре, необходимо гораздо большее сцепление между молекулами, чем в нематике. Конечно, при одном и том же расстоянии между параллельными молекулами их сцепление тем больше, чем они длиннее. Поэтому получается так: не очень длинные продолговатые молекулы образуют только нематик, а более длинные и более «хвостатые» молекулы могут создавать как нематик (при более высоких температурах), так и смектик (при более низких температурах). Постоянные диполи также содействуют большему сцеплению благодаря силам притяжения между разноименными электрическими зарядами.

Таким образом, в большинстве смектиков от мыльной пленки остается только свойство слоистости и жидкого поведения отдельных слоев. Изображают такие смектики обычно в виде стопки плоских слоев, внутри которых вертикальные черточки обозначают длинные оси молекул (рис. 106, а). Очень важно, что черточки перпендикулярны смектическим плоскостям и в том случае, когда слои искривляются под действием каких-либо сил. Это происходит все по той же причине более сильного сцепления молекул (по сравнению с нематиком). Следовательно, на каждом участке искривленного смектика десятую долю миллиметра, а толщина отдельного тонкого слоя — около одной миллионной доли миллиметра В этих условиях период возникающего искривления имеет промежуточное значение—около одной тысячной доли миллиметра.

Наблюдать такую мелкую рябь можно только в мик-роскоп. Подобное явление в более крупных масштабах нетрудно увидеть и в домашних условиях, если склеить стопку гибких полосок бумаги, скажем, клейстером ц попробовать растянуть ее, пока клейстер не высох. В смектике это же явление происходит и в том случае, когда расстояние между стеклянными пластинками поддерживается неизменным, а смектик сдавливается вдоль смектических плоскостей. Похожий эффект искривления слоистой конструкции в гармошку происходит, к сожалению, и в жизни, когда сталкиваются, например, автомобили. На самом деле передняя и задняя части кузова специально конструируются так, чтобы они в критических ситуациях могли бы сами искривиться в упругую гармошку, но тем самым предохранили пассажирский салон от сильного удара.

На практике сжатие смектика поперек исходной оптический оси осуществляется с помощью сравнительно длительного разогрева смектика на каком-либо участке (например, лучом лазера) и последующего резкого охлаждения этого участка (лазерный луч мгновенно выключается). При этом участок, где действовал луч, быстро остывает и, следовательно, сжимается вдоль смекти-ческой плоскости, что и приводит к появлению «гармошки» оптических осей. Такая гармошка действует как дифракционная решетка, которая благодаря интерференции лучей, проходящих сквозь нее в разных местах, усиливает освещенность экрана на определенных участках, но ослабляет освещенность по соседству. В результате оптическая картинка на экране выглядит как периодическое чередование светлых и темных полосок.

Образованию «гармошки» соответствует определенное значение относительного удлинения смектика вдоль оптической оси или его сжатия поперек оси. При этом значении, называемом порогом, проигрыш в одном виде энергии компенсируется выигрышем в энергии другого вида. В данном случае проигрыш связан с неодинаковой ориентацией оптических осей на разных участках, что, как мы знаем, энергетически невыгодно. Выигрыш связан с тем, что упругая энергия решетки в одном измерении заметно меньше, если смектические плоскости скошены. Ведь при этом расстояние между плоскостями заметно меньше, чем в том случае, когда все они параллельны поверхности стекол. Собственно, такова первопричина явления. Поэтому баланс именно таких изменений энергии определяет пороговое значение относительного удлинения.

Таким образом, растянув смектик на одну тысячную долю от его общей толщины, мы добьемся волнообразного искривления смектических плоскостей. Если мы значительно превзойдем этот порог, то подобная «гармошка» уже не будет в состоянии уберечь смектик от разрыва, и при скошенности смектических плоскостей расстояния между ними увеличатся очень сильно. В результате произойдет разрыв смектика, а точнее — отрыв двух соседних плоскостей друг от друга. В образовавшуюся пустоту притекут молекулы из соседних участков и образуют еще один (дополнительный) тонкий смектический слой, который как бы вклинится между существовавшими слоями. Дальнейшее увеличение приложенные сил F приведет к возникновению все новых и новых дополнительных смектических плоскостей, с которыми неизбежно связано появление большого числа дефектов кристаллической решетки.

Дефект решетки в данном случае — это место, в котором происходит встраивание дополнительной смектн-ческой плоскости в прежнюю решетку. Эти дефекты напоминают дефекты в нематике, о которых мы уже говорили. На рисунке дефект изображен в виде точки. В сущности, точка — это центр дефекта. В объеме смектика точка заменяется линией, перпендикулярной в данном случае плоскости рисунка. Как и в нематике, обход вокруг центра дефекта по кольцевой тропинке приведет нас на то же место, но окажется, что по разные стороны от оси кристалла, проведенной через центр, числа плоскостей будут отличаться ровно на единицу. Таково общее свойство подобных дефектов во всяких твердых кристаллах.

Дефекты смектика замечательны тем, что они закрепляют «испорченную» кристаллическую решетку, т. е. мешают жидкому кристаллу вернуться в прежнее идеальное (без дефектов) состояние. Дефекты так сильно переплетаются, перепутываются между собой, что без специальной обработки смектика невозможно распутать такой клубок. В этом случае говорят, что «гармошка» оптических осей «запоминается» жидким кристаллом. Такая оптическая «память» может быть очень долгой и измеряться годами. «Стереть» дефекты с «лица» смектика можно, например, нагрев вещество так сильно, чтобы оно стало нематиком, а затем охладить вещество, вновь превратив его в смектик. Помочь в этом может и сильное электрическое поле. Именно эти свойства смектиков обеспечили им применение в технике, о чем мы еще расскажем.