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.

Если мы используем обычную жидкость, то образование ячеек довольно трудно уловить глазом: ведь глаз может видеть только оптические неоднородности в жидкости, а они в этом случае выражены не очень явно. Дело в том, что различие в коэффициенте преломления между теплыми и холодными участками жидкости обусловлено различием в плотности жидкости а плотность жидкости не очень сильно зависит от темпера туры. Да и сама разница в температуре между теплыми и холодными участками совсем невелика — какие-то доли градуса. Бенар в своих опытах использовал весьма экзотическую жидкость — спермацет, встречающуюся лишь в теле китов, да и то не всех, а только кашалотов (эта жидкость практически не испаряется во время опытов). Но для нас это все равно простая жидкость, так как она не обладает порядком в ориентации молекулярных осей. А к чему приведет наличие такого порядка? Давайте призовем на помощь воображение. Пусть мы имеем жидкий кристалл с молекулами. Тогда все, что было сказано о простой жидкости, остается в силе; при определенной разнице температур между нижней и верхней поверхностями слоя жидкого кристалла начнется конвективное вихревое движение жидкости. Один из таких вихрей в виде длинного «рулончика», так сказать, в момент его рождения, пока молекулы еще сохраняют исходную ориентацию. Но посмотрим, что же «ощущают» молекулы в точке А. Да то же самое, что стволы, попавшие в речной водоворот,— вращающий момент сил со стороны вихря. Направление этого момента зависит от направления вращения вихря, поэтому в точках А, Б, В поворот молекул — стволов происходит в разные стороны. Ну хорошо, почему бы и дальше молекулам не продолжить свое вращение, сделав пару кувырков, как это сделали бы стволы в водовороте? А потому, что здесь кончается простая аналогия. Не будем забывать, что «все-таки нематик упругий». Действительно, у стенок жидкость не движется, и там молекулярная ориентация не изменилась. Значит, появилось искажение ориентапионной картины в целом, которое требует затраты упругой энергии. При больших углах отклонения молекул в точках А, Б, В и т. д. этот упругий момент может оказать серьезное сопротивление вращающему моменту, обусловленному движением жидкости и молекулярным трением. В результате, для заданной разности температур между нижней и верхней поверхностями, мы получим вполне стабильную молекулярную ориентацию. При этом особенно изумляет то, что молекулы жидкого кристалла, принимая участие в круговом движении по траекториям вихрей, все время остаются ориентированными так, как показано на рисунке.

Разумеется, возникшая молекулярная ориентация не замедлит проявить себя в оптических свойствах слоя. Давайте пропустим световой луч сквозь стеклянные пластинки, ограничивающие слой. Тогда для поляризованного света, имеющего колеблющийся вектор Е в плоскости рисунка, показатель преломления окажется зависимым от расстояния вдоль оси х. Это происходит потому, что молекула, находящаяся под углом к полю световой волны, не так сильно с ним взаимодействует, как та молекула, ось которой лежит вдоль направления поля.

Более того, показатель преломления не просто зависит от х, а является периодической функцией этой координаты. Значит, система «рулончиков» ведет себя как обойма цилиндрических линз, уложенных по соседству друг с другом. Проходя через такую обойму, лучи света фокусируются в тонкие светлые линии, между которыми находятся темные участки.

Рассматривая вихревые «рулончики» в микроскоп, будем фактически видеть картину распределения молекул по ориентациям. Чередование темных и светлых линий отражает ориентационный узор или орнамент, возникший в жидкокристаллическом слое.

Какой же это орнамент, скажет скептик, если всего-навсего видно чередование каких-то полосок. Да, в этом случае орнамент очень прост, но ведь это следствие очень простой геометрии, выбранной нами специально, чтобы разъяснить суть дела. А на самом деле температурные перепады могут быть произвольны, конвективные потоки весьма причудливы, и столь же причудливыми окажутся ориентационные узоры, а значит, и оптические картины, выявляющие угловые распределения молекулярных осей.

Рассмотренная нами тепловая конвекция наиболее проста с физической точки зрения, да она и всем хорошо знакома по бытовому примеру циркуляции воздуха в помещении, вызванной расположением батареи парового отопления строго под холодными окнами (заметьте, как раз так, как в нашем опыте с пластинами). Но для тех, кто интересуется практическими приложениями жидких кристаллов, более интригующим окажется другой пример конвекции в нематике. Речь идет о конвекции, вызванной протеканием электрического тока через жидкий кристалл.

Но сначала поговорим о токе. Чтобы сквозь вещество шел ток, нужны свободные заряды. Жидкие кристаллы состоят из сложных, но в среднем электрически незаряженных органических молекул. Чтобы получить заряженную молекулу — ион, нужно, по крайней мере, оторвать от нее один электрон, или, наоборот, посадить лишний. Хотя это и не так легко сделать (на это нужны энергии порядка единиц электрон, вольт, что приблизительно эквивалентно нагреву вещества до 10 000 К), но все-таки такие ионы, как положительные, так и отрицательные, образуются. Чаще всего это происходит за счет потери или приобретения электрона примесями, имеющимися в жидком кристалле. Но даже, если бы вещество было суперчистым, без единой чужеродной молекулы, все равно ионы рождались бы, например, за счет космического излучения или, что гораздо вероятнее, за счет ионизации молекул самого жидкого кристалла в области сильного электрического поля вблизи электродов.

Таким образом, будем считать, что ионы имеются (обычно в хорошо очищенных жидких кристаллах их примерно одному на каждые 100 миллионов нейтральных молекул). При этом число положительных и отрицательных зарядов равно друг другу не только по всему образцу в телом, но, если на то нет специальных причин,— и в каждом произвольно выбранном малом объеме вещества. При выполнении этого условия электронейтральности  получается выигрыш в электростатической энергии взаимодействия ионов. Но так бывает не всегда: могут обнаружиться причины, приводящие к нарушению нейтральности. Нам такой случай и интересен, так как мы опять хотим получить ориентационные картины, но теперь уже без использования температурных перепадов, а исключительно за счет внешнего электрического поля.

Допустим, что мы с самого начала имеем ориентированный, как и ранее, жидкий кристалл, который иа этот раз находится между обкладками плоского электрического конденсатора. Далее, не говоря пока о причине столь странного явления, мы допустим, что положительные и отрицательные ионы располагаются родственными группами так, как показано на рисунке. Тогда при включении поля произойдет вполне очевидная вещь: отрицательные ионы «поплывут» к аноду, положительные — к катоду. Но ведь ионы, так сказать, не бестелесны, если они «плывут», значит, есть перенос массы жидкости, т. е. поток. Поток должен где-то замыкаться. Это опять знакомые нам конвективные вихри.

Движение этих вихрей будет поддерживаться неограниченно долго, если прибывающие к аноду и катоду ионы будут там разряжаться, а в объеме на прежних местах будут рождаться новые заряды.

Таким образом, конвективные вихри уже есть. Значит, далее будет все так же, как и раньше: мы вновь получим искажение молекулярной ориентации значит, и точно такой же ориентационный орнамент, приводящий к системе чередующихся темных и светлых полос, хорошо различимых в поляризационный микроскоп.

Такие полосы впервые наблюдал в 1961 г. советский физик А. П. Капустин, а более подробно исследовал американский ученый Р. Вильяме. Согласитесь, что нелегко вообразить себе такой длинный и тонкий цилиндрический вихрь-«рулончик», диаметр которого равен ширине одной полосы (несколько микрометров), а длина соответствует размеру всей конструкции (она может доходить до 10 см и более).

Вихрями-«рулончиками» не просто приятно любоваться в микроскоп. На них можно наблюдать дифракцию монохроматического света, ведь мы же имеем дело с обоймой цилиндрических линз, образующих дифракционную решетку. Такие решетки, управляемые полем, можно, в принципе, использовать в лазерной технике для отклонения или расщепления световых пучков.

Оптические картины — вещь интересная, но нам еще нужно понять, отчего разноименные заряды оказались в разных местах, явно нарушив при этом электрическую нейтральность жидкости. Посмотрим на эту проблему с другой стороны. Давайте сделаем допущение о том, что у нас заранее, т. е. в отсутствие поля, есть искажение ориентации молекул , но зато среда всюду нейтральна.

Действительно, пусть где-то в объеме совсем рядом с другом находятся два разноименных иона. При включении поля положительный ион пойдет к катоду, а отрицательный — к аноду. Но они не свободны в выборе своего пути — мы же уже знаем, что проходить вдоль молекулярных осей ионам легче, чем поперек. Ионы идут - электродам как бы по кривому коридору: наличие «коридора» приводит к тому, что положительный заряд сместится вправо, а отрицательный — влево, т. е. наличие искаженной ориентации жидкого кристалла действительно приводит к разделению зарядов.

Обратите внимание на то, что действие поля вдоль оси г приводит к разделению зарядов в поперечном направлении, т. е. вдоль оси.

Но мы, кажется, зашли в тупик. Чтобы получить искажение ориентации, нужно иметь поток, вызванный разделенными в пространстве зарядами. И наоборот, чтобы разделить заряды, нужно иметь искажение ориентации. Не получается ли, что мы пытаемся приподнять себя за волосы? Оказывается, это не так — мы имеем дело с ситуацией, в которой есть все, кроме одного. Нам нужна только заводная ручка, чтобы пустить в ход весь механизм. Такой «заводной ручкой» служат случайные тепловые отклонения в ориентации молекул. Ведь молекулы находятся в состоянии непрерывного теплового движения. Значит, в какой-то момент может случиться так, что из-за теплового толчка в каком-то месте ориентация молекул только чуть-чуть отклонится от исходной. Этого вполне достаточно, чтобы тут же сработал механизм так называемой обратной связи. При наличии поля цепочка событий будет выглядеть так: минимальное случайное искажение ориентации вызовет столь же минимальное разделение зарядов; тут же дрейф зарядов в поле приведет к наличию потока жидкости, который в свою очередь вызовет искажение ориентации молекул. Цепочка замкнулась, и что самое главное, направление результирующего поворота молекул совпадает с исходным малым отклонением. Произошло усиление исходного отклонения. Обратная связь оказалась положительной. Теперь отклонение молекул, а значит, скорость жидкости будут нарастать, пока другие процессы не придержат этот рост. Мы имеем в виду прежде Всего упругие силы, действующие точно так же, как и в случае тепловой конвекции. В результате установится процесс равномерного вращения вихрей-рулонов.