Как появилось такое название и какое отношение нити имеют к жидкому кристаллу? Это вопрос отнюдь не праздный, хотя вряд ли стоило именно так называть необычную жидкость. Но взгляните на типичную фотографию этой жидкости. Прекрасно видны тонкие и толстые нити, пересекающие снимок, которые и дали термин «нематик». Сходство большое. Мы понимаем, что оно вызвано каким-то сильным изменением направления оптической оси в пространстве. Это происходит в окрестности того места в материале, которое подверглось сильной деформации. Значит, и в жидкости имеется деформация? Да, может иметься. Только это деформация ориентации оси L.

Вообще-то мы уже знаем, что при умеренной температуре молекулы жидкого кристалла стремятся ориентироваться вдоль одного и того же направления L. Но будет ли вектор L одним и тем же в каждой точке пространства, зависит от многих условий. К таким условиям относятся и внешние границы, и инородные вкрапления, и всякие воздействия на жидкий кристалл. Поэтому без особых на то оснований трудно требовать от жидкости неизменности направления L в любом месте. Хорошо, если касательные, проведенные к векторам L в раз-ных точках выделенного участка, окажутся хотя бы приблизительно параллельными. Однако в этой приблизительности и заключен сюрприз. 

Предположим, что в городе есть небольшая площадь, от которой по радиусам расходится множество улиц, и, кроме того, имеются окружные дороги, соединяющие эти улицы. Улицы так густо расположены, что отрезки окружных дорог соединяют соседние улицы почти под прямым углом к улицам. Мы еще не подозреваем о существовании площади. Мы стоим на углу А далеко от площади и собираемся совершить путешествие по городу, переходя с одной улицы на другую, параллельную предыдущей (как нам кажется), по самому короткому пути — отрезку окружной дороги. Отправимся в путь. Ясно, что в конце концов мы придем на тот же угол А, хотя нам и будут казаться параллельными все соседние улицы. При истинной параллельности улиц такого никогда бы не произошло. Удивленные итогом такого путешествия, мы можем дойти до угла В и повторить попытку, конечно, результат окажется таким же, но теперь заметим, что довольно круто поворачиваем налево. Наконец, дойдя до площади, вообще остановимся в растерянности, увидев, как улицы буквально разбегаются в разные стороны. Что же, такая ситуация не противоречит законам градостроительства и существует в действительности: в Париже есть такая площадь — площадь Шарля де Голля (еще ее называют — «Звезда»), в центре которой находится знаменитая Триумфальная арка.

Так и в жидком кристалле действительно существуют такие «звезды», «лучи» которых параллельны векторам L в каждой точке. Более того, звезды ориентации молекул могут быть самого разного типа. Так выглядят звезды в двух измерениях, т. е. на плоскости. Поскольку слой жидкого кристалла имеет еще и третье измерение (перпендикулярно плоскости рисунка), то точки — центры звезд — превращаются в линии. Вот эти-то линии или нити обычно и видны в нематике. Строго говоря, они являются дефектами ориентации вектора L. И, как всякий дефект, такие нити невыгодны для сообщества молекул.

Действительно, в центре звезды (и на площади) соседние молекулы (и улицы) должны очень резко изменять свою ориентацию. При этом одни их концы должны соединиться, а противоположные концы сильно разойтись. Но это несовместимо с балансом сил притяжения и отталкивания, благодаря которому и существует жидкий кристалл. Чтобы найти какой-то выход из этого противоречия, молекулы в самом центре звезды (и улицы на самой площади) вообще никак не ориентируются. Нить как бы «расплавляется» в обычную жидкость, а улицы на площади просто исчезают.

Нематик избавился бы от своих нитей, поскольку без них абсолютно все молекулы были бы параллельны друг ДРУГУ. что энергетически выгодно. Но этому мешают посторонние причины: нити могут прикрепиться своими концами к твердым частицам примеси внутри слоя, к каким-нибудь выступам и неровностям на твердой поверхности, соприкасающейся с нематиком, и т. д. Может даже оказаться так, что нити зацепятся друг за друга, образовав сеть, и будут мешать друг другу исчезнуть.

Давайте рассмотрим, как на опыте наблюдают дефекты в слое нематика. В данном случае это нить, прикрепившаяся вертикально к поверхностям стекол. Оси поляризаторов обычно скрещивают. В отсутствие дефектов, когда ось L параллельна оси одного из поляризаторов, свет сквозь такую оптическую систему не проходит и слой нематика кажется черным. Но если в поле зрения попадается нить, вокруг которой вектор L причудливо изменяет свою ориентацию, свет местами находит себе дорогу сквозь оптическую систему. Это происходит благодаря эффектам поворота поляризации света. Если нити в слое нематика не прямолинейны, а изгибаются и петляют, то светотень на экране принимает самые замысловатые формы.

Некоторые нити сами по себе не очень «прочны». Если мысленно ухватиться за центр звезды, и потянуть весь пучок лучей вертикально к плоскости рисунка, то все эти лучи на большом расстоянии от плоскости станут практически параллельными. Что ж, это наиболее выгодная ориентация молекул. И если у нематика есть малейшая возможность толкнуть эту нить, например, течением, то происходит так называемое «вытекание» нити в третье измерение — вертикально к плоскости звезды. Однако не все звезды так неустойчивы. Попробуйте, тоже мысленно, потянуть за центр звезды.  Как ни тянуть этот дефект, все равно его форма в целом сохранится и обязательно останется уз-кий «залив», доходящий до центра звезды. Можно в третье измерение, даже сформулировать простое правило, которое подскажет, какие дефекты устойчивы, а какие нет. Будем обходить центр города-звезды из точки А по кольцу. Примем, что на любых соседних улицах, которые мы пересекаем, нумерация домов возрастает в одном и том же направлении L. Придем по кольцу снова в точку А. И тут окажется, что либо направления нумерации — векторы L — на ближайших улицах совпадут, либо будут прямо противоположными. Так вот, если после такого обхода векторы L параллельны, то звезда неустойчива, а если антипараллельны, то дефект устойчив.

И последнее, что здесь следует сказать. Тонкий слой нематика, если не принять специальных мер, выглядит мутным. Обычная жидкость при тех же условиях была бы прозрачной. Это отнюдь не случайно. Дело в том, что в тонком слое мало молекул. Они рассеивают свет слабо, если слабо связаны друг с другом: интенсивность такого рассеянного света пропорциональна числу молекул. Но в нематике очень многие молекулы одинаково ориентированы, т. е. могут согласованно излучать вторичные волны. Размеры отдельных «зерен» с N одинаково ориентированными молекулами достигают сотен нанометров, т, е. это крупные области. Не надо думать, что подобные зерна вечны и резко отделены друг от друга. Напротив, они могут существовать очень недолго, их границы сильно размыты, т. е. такие области с одинаковой ориентацией молекул непрерывно рождаются и исчезают. Тем не менее, за время своего существования они успевают сильно рассеять свет. Интенсивность света, рассеянного зернами, пропорциональна N2. При этом такие области сильно рассеивают вперед белый свет. Это полностью аналогично туману — воздуху с капельками воды.

Разумеется, такого рассеяния не было бы, если бы все зерна имели одну и ту же ориентацию, как в твердом кристалле. В обычных же условиях тепловые толчки мешают зернам нематика ориентироваться параллельно. В каждом зерне все молекулы ориентированы одинаково, поскольку здесь силы притяжения молекул успешно противостоят тепловым толчкам. Дело обстоит так, как будто слой нематика постоянно «растрескивается» на кусочки со своими собственными направлениями вектора L. «Трещины» и есть дефекты ориентации молекул. Со временем какие-то трещины залечиваются, но возникают новые, размеры зерен все время изменяются, словом, нарисованная картина как бы плывет на наших глазах. Так происходит во всех случаях, и даже в твердых кристаллах, когда тепловое расшатывание конкурирует со стабилизирующими силами.