Что же нового вносит спиральная форма молекул в ориентацию оптической оси жидкого кристалла? Прежде всего, глядя на вытянутую форму молекул, разумно предположить, что их можно расположить параллельно друг другу хотя бы в одном тонком слое. При этом есть возможность удобно подогнать молекулы одну к другой, что соответствует, как мы знаем, балансу сил, действующих между ними. Таким образом, выделенный слой, молекул имеет оптическую ось L. Но здесь надо оговориться, что вовсе не обязательно всем молекулам в та-ьом нематическом слое одновременно иметь совершенно одинаковую ориентацию всех частей молекул. Например, молекулы могут поворачиваться вокруг своих продольных осей, так что в разных местах основные (плоские) участки молекул лежат как плашмя, так и ребром к слою. Так происходит и в настоящем нематике. Поэтому рисунок нужен только как модель.  

Но есть другая возможность взаимной ориентации оптических осей L, и L2. Если расстояние между соседними тонкими слоями меньше, а, векторы L, и L2 не могут быть строго параллельны. Это вызвано тем, что теперь молекулы не смогли бы свободно поворачиваться вокруг продольных осей; мешали бы выступы. А ведь мы знаем, что тепловые толчки мешают молекулам удерживать в одном и том же положении все элементы их конструкции. Только ориентация продольных осей остается неизменной, потому что вдоль них расположена основная масса атомов. Таким образом, мы приходим к выводу, что векторы L! и L2 должны составить между собой малый угол а. Тогда наступает равновесие сил, так как плоские участки молекул расположены ближе, и в то же время молекулы получают определенную свободу для поворотов вокруг своих длинных осей.

Такие рассуждения, пусть грубые и приближенные, дают представление о том, как молекулы с выступами могли-бы расположиться в соседних слоях, а, следовательно, и в стопке слоев. И тут важно, какой винт — правый или левый — образуют молекулы холестерика. Соответственно, при переходе от слоя к слою по вертикали, совпадающей с осями винтов, оптические оси поворачиваются против часовой стрелки. При этом как плоские, так и спиральные участки молекул 1 и 2 могут сближаться на минимальное возможное расстояние, при котором имеется баланс сил. Следовательно, левые молекулы образуют в стопке слоев левую спираль оптических осей.

Точно так же правые молекулы образуют в пространстве правую спираль холестерика. Холестернческую спираль называют еще твист-ориеитацией, так как английское слово «твист» означает кручение, закручеиность. Оно дало название целому направлению в танцевальном искусстве. Словно застыла в таком танце и ориентация молекул холестерика, причем именно потому, что они не совпадают со своим зеркальным отражением.

Замечательным обстоятельством является то, что слоистое строение холестерика с той или иной спиралью оптических осей возникает в веществе само собой, без каких-либо посторонних причин. Не нужно никаких воздействий и дефектов, чтобы образовался винт. Этим хо-лестерик отличается от многих твердых кристаллов, в которых своеобразное слоистое строение и наблюдаемый винт часто связаны с существованием дефектов кристаллической решетки. Поясним это на примере роста некоторых твердых кристаллов. Как правило, кристалл растет прямо из жидкого раствора вещества. При этом сначала появляется одна кристаллическая плоскость, на нее осаждаются из раствора свободные атомы, образующие вторую кристаллическую плоскость, и т. д. Нередко бывает так, что уже первая плоскость содержит дефект. Дефект этот выглядит так, как будто плоский диск разрезан по радиусу до центра, а крайние точки разреза раздвинуты по вертикали. Эта раздвижка равна расстоянию между соседними атомами в кристаллической решетке. Затем края вновь «сшиваются» между собой. 

Подобные дефекты встречаются сплошь и рядом. И заметим, что они тоже образуют винт (в данном случае правый). Если теперь представить себе, что на первый виток такого винта осаждаются атомы вещества слой за слоем, то в результате получается длинный винт с правой нарезкой. Это и есть выросший кристалл Вид сверху на такой кристалл напоминает красивую спираль. Примером такого рода в природе могу служить также раковины моллюсков.

Конечно, не следует думать, что в твердых кристаллах винт в пространстве образуется только благодаря дефектам. В некоторых кристаллах, например, в кварце и киновари, спираль образуется из-за особого расположения атомов в кристаллической решетке без всяких дефектов. Можно сказать, что у таких кристаллов типа, а, спираль имеется в каждой ячейке решет-ки. Атомы образуют в ячейке нечто вроде винтовой лестницы, и из этих одинаковых ячеек, как из стандартных кубиков, складывается изящное здание кристалла. Шаг винта здесь равен размеру ячейки или, другими словами, периоду кристаллической решетки. Ясно, что шаг винта в кристалле с дефектом фактически равен расстоянию между соседними атомами в бездефектной кристаллической решетке, т. е. периоду такой решетки. Другое дело — холестерин. Здесь шаг спирали h очень велик по сравнению со средним расстоянием между соседними молекулами, примерно равным толщине молекул а. Это связано с тем, что образование твист-ориентации оптических осей вызывается небольшими, почти атомными, выступами молекул. В то же время образование самой оптической оси в отдельном нематическом слое,- главным образом, зависит от основных (плоских) участков молекул.

В своих рассуждениях мы можем пойти дальше и поинтересоваться, чему же равны угол а и шаг спирали h в холестерике. Разумеется, эти величины — параметры вещества, состоящего из конкретных молекул. Но приближенно их можно оценить. Например, естественно думать, что угол а тем меньше, чем меньше энергия взаимодействия выступа одной молекулы с соседней молекулой. В то же время угол а должен уменьшаться с усилением взаимодействия основных участков молекул. Поскольку, грубо говоря, выступ содержит примерно один атом, а плоский участок — 100 атомов, то отношение этих энергий взаимодействий составляет около 0,01. Поэтому угол а составляет сотые доли полного оборота (360°), т. е. около 1°. В свою очередь шаг спирали h, при типичном значении должен составлять несколько сотен нанометров. Значит, он сравним с длиной волны света в видимой части спектра (от красного цвета до фиолетового), что и определяет, как мы увидим, наблюдаемые красочные оптические эффекты в холестериках.

Кстати, такую же оценку угла между оптическими осями в соседних нематических слоях мы получили бы, если бы заглянули в геометрическую суть этого вопроса. В самом деле, угол а фактически равен отношению отрезка Дуги, на котором располагается спиральный выступ мо-Лекулы, к радиусу этой дуги, примерно равному полной Длин молекулы. Реально такой кусочек дуги составляет сотые доли нанометра, а длина молекулы — несколько нанометров. Отсюда тоже получается малое значение угла а и, соответственно, большая величина шага твист-ориентации.

Наши заключения о характерных энергиях взаимодействия молекул и параметрах холестерической спирали позволяют сделать и другие важные выводы. Например, можно понять, почему слоистое строение холестерика так сильно зависит от различных облучений, присутствия каких-либо примесей (проще говоря, загрязнений) и т. п. Действительно, если существование спирали зависит от незначительного выступа на длинной плоской молекуле, то не так уже трудно поставить под угрозу такое существование, разрушив этот выступ. Последствия облучения холестерика, например ультрафиолетовым светом, именно таковы. Такой свет разрушает слабые спиральные участки молекул, сбивая атомы с выступов в основные плоскости, или превращает правые молекулы в левые и наоборот.

Таким образом, под действием облучения спиральные участки молекул могут распрямляться. Чем больше энергия отдельных квантов, попадающих в спиральный выступ, тем большему разрушению ои подвергается — вплоть до полного исчезновения винта. Чем интенсивнее излучение или чем дольше оно действует, тем большее число молекул холестерика теряет свои спиральные свойства. Поэтому под влиянием всех этих причин или, другими словами, фотохимических реакций угол а становится все меньше, а шаг спирали — все больше. В конечном счете шаг может обратиться в бесконечность, т. е. холестерин превратится в обыкновенный нематик.

Облучение способно и на большее, если конструкция молекулы настолько слабо скреплена, что под действием csera разрушаются связи между атомами даже в основном остове молекул. В этом случае сильно ослабевает взаимное притяжение остовов — длинных плоских участков. Поэтому становится невозможным даже существование нематика, т. е. холестерик превращается в обычную жидкость. Конечно, такое происходит тогда, когда вследствие облучения накопятся многочисленные «дефектные» молекулы. Для этого, как и при фотографировании, нужно подобрать необходимое время экспозиции.

Наблюдать явление очень просто. Надо прикрыть от облучения пленку холестерика, экспонируя лишь избран-ные участки, которые и потеряют свойства холестерина. Поместив затем облученную пленку между скрещенными поляризаторами, мы увидим такую картину. Неэкспонированные участки останутся светлыми, посколь-к> здесь свет пройдет сквозь оптическую систему. Экспонированные участки станут черными, так как в обычной жидкости нет оптических осей и двойного лучепреломления, и, следовательно, свет проходит сквозь нее, не изменяя поляризации, а второй поляризатор не пропускает такой свет.

К подобным последствиям приводит и смешивание холестерика с обычной жидкостью, каким-либо немати-ком, а также с другим холестериком, имеющим противоположный винт. При этом ослабляется роль спиральных участков, которыми обладают молекулы разбавляемого холестерика. Шаг первоначальной холестерической спирали увеличивается, а при большом разбавлении образуется просто нематик. Сильное разбавление обычной жидкостью ликвидирует, естественно, оптическую ось вообще.

Наиболее точную информацию о том, как изменяется шаг спирали, какова бы ни была причина этого изменения, Дает прохождение поляризованного света сквозь пленку холестерина. Одним из впечатляющих свойств здесь является вращение поляризации света по мере его прохождения в толщу пленки.