В рассказе о жидкости говорилось, что ее молекулы только в среднем находятся на каком-то характерном расстоянии друг от друга. Ответ на вопрос, как взаимодействуют между собой молекулы и чему равно среднее расстояние а между ними, дает квантовая механика. Эта наука показывает, что, действительно, между молекулами на больших расстояниях возникают силы притяжения, а на очень малых расстояниях — силы отталкивания. На расстоянии а, которое условно можно назвать размером молекул, силы притяжения и отталкивания как раз уравновешиваются.

Мы знаем, что атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженного облака электронов, окружающего ядро. Поэтому молекулы, составленные из атомов, представляют собой довольно ажурную конструкцию из ядер, укутанную электронными облаками. Если молекулы сближаются, то электронные облака соприкасаются первыми и начинают энергично отталкивать друг друга. Силы отталкивания быстро ослабевают при удалении молекул друг от друга. Атом в целом нейтрален: отрицательно заряженное облако в точности компенсирует положительный заряд ядра. Поэтому вопрос о силе взаимодействия атомов или молекул, которые сами по себе не являются электрически заряженными, усложняется в случае больших расстояний. Все же попытаемся разобраться в этом вопросе на примере атомов. 

Представим себе, что по какой-то случайной причине в первоначально нейтральном атоме произошло смещение отрицательно заряженного электронного облака относительно положительно заряженного ядра. Такая система эквивалентна двум зарядам противоположного знака, расположенным на некотором расстоянии друг от друга. Тогда, как мы знаем, в окрестности двух зарядов, имеющих противоположные знаки, возникнет электрическое поле Е. Это поле быстро убывает при удалении от атома. Если в окрестности атома / находится нейтральный атом 2, то электрическое поле, созданное атомом / в этом месте, должно сместить заряды электронов и ядра. В свою очередь такое относительное смещение зарядов в атоме 2 должно создавать электрическое поле в месте нахождения атома / и, таким образом, создавать соответствующее разделение зарядов в атоме.

Все это означает, что два нейтральных атома вызывают и поддерживают определенные значения электрического поля друг на друге и системы зарядов. Упомянутая система зарядов противоположного знака, расположенных на определенном расстоянии друг от друга, называется электрическим диполем (буквально — имеющим два полюса). К чему же приводит образование диполей? Разноименно заряженные части атома должны притягиваться друг к другу (соответствующие силы изображены пунктирными стрелками), а, значит, и атомы целиком должны притягивать друг друга. По тем же самым причинам и тому же механизму нейтральные молекулы должны притягивать друг друга за счет образования диполей.

При низкой температуре, когда тепловые толчки ослабевают, описанные силы притяжения и отталкивания выстраивают молекулы в геометрически четкие ряды и колонны — образуется кристалл. При умеренных температурах усиливающиеся тепловые толчки разваливают стройные шеренги молекул, но молекулы еще не могут в среднем далеко разойтись — это жидкость. Наконец, высокая температура не оставляет молекулам никаких шансов удержаться вместе — жидкость превращается в газ.

Интересно, что можно легко сделать наглядную механическую модель жидкости, насыпав в ящик стальные шарики стандартного размера. В этом случае силами, удерживающими шарики вместе, будут силы тяжести шариков и силы, действующие на них со стороны стенок ящика (упругая оболочка). Силы отталкивания теперь, естественно, связаны с твердой формой шариков. Тепловые толчки можно имитировать тряской ящика. Если ящик не трясти, то шарики образуют правильную решетку, а при заметной тряске начнут свободно перемещаться в любом направлении в пределах ящика. В жизни пример жидкого поведения массы почти твердых и довольно крупных шариков дают зыбучие пески. В таких песках песчинки — зерна округлой формы диаметром 0,1—1 мм— смачиваются водой подземных источников. Приобретенная зернами влажная оболочка не позволяет им слипаться, т. е. силы притяжения ослабевают. В результате зыбучие пески приобретают текучесть и, как известно, могут представлять опасность для сравнительно тяжелых объектов.

Так устроены обычные жидкости, состоящие из относительно простых молекул. Однако нас поджидает замечательное открытие, если молекулы имеют отнюдь не сферическую форму, а, скажем, очень вытянутую в одном направлении или очень уплощенную. В этих случаях атомы в молекулах располагаются в основном либо вдоль определенной линии, либо лежат в выделенной плоскости.

Ясно, что по описанным выше причинам большая част», атомов одной молекулы стремится оказаться вблизи атомов другой молекулы, так как только в этом случае силы притяжения и отталкивания молекул уравновешиваются. Если сблизились лишь два конца соседних молекул, а другие два конца удалены друг от друга, то силы притяжения заставят удаленные концы сблизиться, а силы отталкивания не позволят молекулам проникнуть друг в друга. Но это означает, что выделенные оси (а) или плоскости (б) молекул должны быть параллельны друг другу. Несферичность формы молекул можно характеризовать вектором единичной длины е, который в случае (а) параллелен оси молекулы, а в случае (б) перпендикулярен плоскости молекулы.

Вот мы и подошли к понятию «жидкий кристалл». Жидким кристаллом называют жидкость описанных несферических молекул, которые не только удерживаются в среднем на некотором расстоянии а друг от друга, но и имеют векторы е, параллельные оси L. При этом расстояние а примерно равно толщине молекулы. Подчеркнем, что, хотя в таком состоянии оси или плоскости молекул оказываются параллельными, вещество все равно остается жидким. Центры масс молекул не образуют в данном случае какую-то периодическую решетку, как в кристалле, а располагаются хаотично в пространстве и могут в нем свободно перемещаться.

Разумеется, ориентация молекул в такой необычной жидкости подчиняется строгому порядку только при умеренной температуре, когда тепловые толчки не настолько сильны, чтобы разрушить этот ориентационный порядок. Сильное повышение температуры обязательно влечет за собой разрушение порядка в ориентации молекул, когда их хаотическое поступательное и вращательное движение становится преобладающим. Фактически при нагревании жидкий кристалл превращается в обычную жидкость.

Надо сказать, что существование того или иного жидкого состояния зависит не только от температуры. Большое значение имеет и то, сколько несферических молекул находится в единице объема, т. е. какова плотность вещества. Это особенно относится к молекулам, которые по какой-то причине слабо притягивают друг друга. Тогда надо выяснить, могут ли силы отталкивания молекул обеспечить ориентационный порядок при умеренных температурах. Оказывается, могут.

Если молекул-стержней мало, т. е. плотность вещества мала, то они при различных поворотах имеют возможность не касаться друг друга своими электронными облаками. В данном случае молекулы, не мешая друг другу, поворачиваются в пространстве как угодно, и, значит, всякий порядок отсутствует. Для этого достаточно отвести каждой молекуле в жидкости объем — кубик с размером ребра, примерно равным длине молекулы . В пределах такого кубика объемом /3 стержень действительно может быть ориентирован как угодно.

Поместим теперь то же число молекул в меньший объем, т. е. повысим плотность вещества. В результате на каждую молекулу станет приходиться меньший объем. Как будут размещаться молекулы в этом случае? Естественно, они смогут разместиться в меньшем объеме, если не будут поворачиваться как угодно, задевая друг друга, а займут более или менее параллельное положение. Если диаметр стержня а заметно меньше его длины и на каждую молекулу приходится объем аЧ, то все молекулы должны быть ориентированы одинаково, так как только в этом случае они не задевают друг друга . Но так произойдет лишь в случае очень высокой плотности. При средней плотности, когда на каждую молекулу приходится объем, меньший чем I3, но больший чем аЧ, ориентационный порядок будет, конечно, неполным, но все-таки заметным. Еще раз обратим внимание на то, что этот порядок связан с тем, что молекулы из-за сильного отталкивания не могут проникать друг в друга.