Монокристалл без огранки

Жидкий монокристалл?! На первый взгляд это еще более неуместное словосочетание, чем жидкий кристалл. Известно, что наиболее характерным внешним свойством твердого кристалла является его огранка. Крупные монокристаллы поражают правильностью форм, а тут монокристалл жидкий, а жидкость принимает форму сосуда, в который ее налили. Мы действительно нальем жидкий кристалл, но в сосуд специально подобранной формы.

Оказывается, термин «монокристалл» можно применять, когда речь идет о тонких (десятых и сотых долях миллиметра) слоях жидкого кристалла, заключенных между плоскими твердыми телами. Но не любой тонкий слой жидкого кристалла можно назвать монокристаллом. Необходимым условием является одинаковая направленность или ориентация длинных осей молекул. Такой слой жидкого кристалла по своим свойствам аналогичен пластинке, вырезанной из монокристалла, поэтому его с полным основанием можно назвать монокристаллическим.

Осталось получить тонкий слой нематического жидкого монокристалла, чем нам сейчас и предстоит заняться.

Прежде всего рассмотрим «устройство», в котором мы будем получать жидкий монокристалл и работать с ним в дальнейшем. Такое «устройство» называют оптической ячейкой. Как же изготовить оптическую ячейку? Для этого берут два плоскопараллельных стекла. На одну из поверхностей каждого стекла наносят прозрачный токопроводящий слой из оксида олова или оксида индия. Эти слои служат электродами.

Стекла складывают электродами вовнутрь и разделяют диэлектрическими прокладками. (Прокладки играют двоякую роль: изолируют электроды и задают толщину зазора между ними.) Зазор заполняется жидким кристаллом (рис. 14).

Исторически первый способ получения нематических монокристаллов состоял в обработке поверхностей оптической ячейки. Такая обработка в простейшем случае заключается в направленной полировке стекол. Иногда оказывается достаточно, например, натереть поверхность в одном направлении кусочком шерстяной ткани. В микроцарапины (которые при этом появляются) на поверхности, как в удобное ложе, укладываются молекулы, заставляя ближайших молекулярных соседей укладываться параллельно им (рис. 15).

Ориентирующее влияние поверхности на молекулы тем сильнее, чем ближе они находятся к поверхности, этим и объясняется малая толщина слоя нематика. Однородно ориентированные слои нематика с осями молекул (или директором), параллельными поверхностям пластин, принято называть планарной текстурой.

Часто бывает необходимо расположить молекулы жидкого кристалла перпендикулярно пластинам, ограничивающим монокристаллический слой. Такая ориентация молекул получила название гомеотропной текстуры (рис. 16). Для получения гомеотропной текстуры полировка пластин ничего не дает, поэтому для этих целей используют специальные молекулы — ориентанты.

По «внешнему виду» молекулы напоминают портновскую булавку с шариком. «Шарик» обладает постоянным дипольным моментом, а сама «игла» по строению напоминает молекулу жидкого кристалла. Дипольные шарики сильно притягиваются к поверхности стекла, особенно если там есть электрические заряды или мельчайшие капельки воды (молекула воды тоже дипольная молекула), а «игла» устанавливается перпендикулярно поверхности стекла. «Иглы» сильно притягивают длинные молекулы нематика, ориентируя их также перпендикулярно поверхности (рис. 17). Таким образом, подав собственный пример, ориентанты создают гомеотропную текстуру.

Пока неявно предполагалось, что обе пластины задают одинаковую ориентацию, однако широкое практическое использование получили монокристаллические слои нематиков, у которых направления ориентации молекул на пластинах образуют между собой угол 90°.

В этом случае направление директора внутри зазора между пластинами зависит от расстояния молекул до поверхности. Директор, в каждой точке зазора оставаясь параллельным пластинам, по мере удаления от одной и приближения к другой постепенно разворачивается так, чтобы на пластинах его ориентация точно совпадала с заданными для каждой пластины направлениями (рис. 18). На рисунке показаны проекции молекул на плоскость, перпендикулярную плоскости стекол. Такая закрученная структура получила название твист-структура (от англ, twist — кручение).

С появлением оптической ячейки каким только исследованиям и испытаниям она не подвергалась. На нее направляли свет с разной поляризацией, к ней прикладывали электрические и магнитные поля, ячейку нагревали и охлаждали, просвечивали рентгеновским излучением, получая дифракцию, вводили добавки. И одним из первых, кто уделил внимание оптической ячейке, правда, не совсем в таком виде, какая она есть сейчас, был известный советский ученый Всеволод Константинович Фредерикс.