Вещества, способные в определенном температурном интервале выше точки плавления сочетать одновременно свойства жидкостей (текучесть, способность к образованию капель) и свойства кристаллических тел (анизотропии), называются жидкими кристаллами или жидкокристаллическими.

Со времени открытия жидких кристаллов прошло более 100 лет. Впервые их обнаружил австрийский ботаник Фридрих Рейнитцер, наблюдая две точки плавления сложного эфира холестерина — холестерилбензоата. При температуре плавления 145⁰C кристаллическое вещество превращалось в мутную, сильно рассеивающую свет жидкость, которая при 179⁰C становилась прозрачной. В отличии от точки плавления температуру, при которой происходило просветление образца, Рейнитцер назвал точкой просветления. Пораженный этим необычайным явлением, свидетельствующим как будто о двойном плавлении, Рейнитцер отправил свои препараты немецкому кристаллографу Отто Леману с просьбой помочь разобраться в странном поведении холестерилбенозоата. Исследуя их при помощи поляризационного микроскопа, Леман установил, что мутная фаза, наблюдаемая Рейнитцером, является анизотропной. Поскольку свойства анизотропии присуще твердому кристаллу, а вещество в мутной фазе было жидким, Леман назвал его жидким кристаллом.

В зависимости от характера расположения молекул различают три основных типа структур ЖК-соединений: смектический, нематический и холестерический. Указанные типы структур относятся к так называемым термотропным жидким кристаллам, образование которых осуществляется только при термическом воздействии на вещество (нагревание или охлаждение). На рис. 1 показаны схемы расположения молекул в трех перечисленных структурных модификациях жидких кристаллов.

В смектическом кристалле (смектики – от греч. слова "смегма" – мыло) молекулы располагаются в слоях, и их центры тяжести подвижны в двух измерениях (на смектической плоскости). При этом длинные оси молекул в каждом слое могут располагаться как перпендикулярно плоскости слоя (ортогональные смектики), так и под некоторым углом (наклонные смектики). Направление преимущественной ориентации осей молекул принято называть директором, который обычно обозначается вектором n (рис.1,а).

Нематический тип (нематики от греч. "нема" — нить) характеризуется наличием только одномерного ориентационного порядка молекул (рис.1,б). При этом центры тяжести молекул расположены в пространстве хаотично, что свидетельствует об отсутствии трансляционного порядка.

Наиболее сложный тип упорядочения молекул жидких кристаллов холестерический (холестерики) (рис.1,в), образуемый хиральными (оптически активными) молекулами, содержащими асимметрический атом углерода. Это означает, что такие молекулы являются зеркально-несимметричными в отличие от зеркально-симметричных молекул нематиков. Впервые холестерическая мезофаза наблюдалась для производных холестерина, откуда и произошло ее название. Холестерики во многих отношениях подобны нематикам, в которых реализуется одномерный ориентационный порядок. Они образуются также при добавлении небольших количеств хиральных соединений к нематикам, в этом случае дополнительно реализуется спиральная закрученность молекул, и очень часто холестерик называют закрученным нематиком.

Особый интерес представляют оптические свойства холестерических фаз (рис. 2). Так как эти вещества имеют спиральную структуру с шагом спирали P от десятых долей мкм, то видимое и ИК-излучение дифрагирует на спиральной структуре, что приводит к селективному отражению волн, распространяющихся вдоль оси спирали. Отражение падающих волн холестерическими плоскостями аналогично отражению от кристаллических плоскостей. Волны, отражённые разными плоскостями, могут при интерференции, и ослаблять, и усиливать друг друга. Если свет падает перпендикулярно плоскостям, то условие усиления таково: между соседними эквивалентными плоскостями должно укладываться строго половина волны падающего света. Мы хотим, чтобы колебания, отражённых от первой и второй плоскостей, проходили в одинаковых фазах, то есть значение электрического поля Е в каждой точке и в любое время были одинаковы. При этом амплитуды Е обеих волн складываются – происходит усиления света. Так будет если волна 2, вошедшая в кристалл, на пути от первой ко второй плоскости и обратно отстанет от волны 1 ровно на длину волны λ. Но в холестерике такие плоскости находятся на расстоянии h/2 друг от друга. Поэтому условие усиления в данном случае есть h/2= λ/2, или h=λ. Поэтому длина волны максимума брэгговского отражения λ_max и его полуширина Δλ определяются как

где  n =  0.5(n_||+n_{_|_}), Δn = n_|| - n _{_|_}  – средний показатель преломления и оптическая анизотропия холестерического жидкого кристалла. Значение λ_max сильно зависит (через P) от температуры (рис.3), давления и внешних полей. При повышении температуры шаг спирали уменьшается, вещество синеет, при понижении шаг увеличивается, вещество последовательно приобретает все цвета спектра, от синего до красного. При приложении внешнего поля холестерическая спираль начинает постепенно раскручиваться, при этом шаг спирали увеличивается. При некотором, так называемом, критическом напряжении поля спираль можно полностью раскрутить, превратив таким образом холестерический жидкий кристалл в нематический (один из видов эффекта Фредерикса).

 

Свойство холестерика отражать свет с избранной длинной волны (h=λ) обуславливает соответствующую окраску вещества. Это явление лежит в основе широкого применения холестериков в качестве простых и эффективных термоиндикаторов для медицинской диагностики, отыскания повреждений в сложных электронных схемах, контроля температурного поля в лопатках турбин и т.п. Сейчас синтезированы холестерические вещества, в которых весь спектр цветов, от красного до синего, наблюдается при изменении температуры всего на 0,01 градуса, что говорит о большой чувствительности устройств на их основе.

Шаг холестерической спирали также очень чувствителен к содержанию примесей в холестерике. В последние годы разрабатываются смеси холестерических жидких кристаллов, резко изменяющие цвет (а следовательно, и шаг спирали) под действием малых, но опасных концентраций вредных паров различных химических соединений. Такие ЖК-индикаторы могут за очень короткое время (1-2 мин) менять цветовую окраску при превышении допустимой концентрации вредных паров, выполняя таким образом роль своеобразных химических датчиков.
Нематические жидкости нашли широкое применение и в совсем другом плане. Оказывается, полимерные нити, получаемые из хорошо ориентированного нематического раствора полимерных молекул, приобретают огромную прочность. Это объясняется тем, что в таких нитях практически все молекулы хорошо «подогнаны» друг к другу, то есть их главные оси параллельны между собой, а это многократно усиливает межмолекулярные сцепления. Такие полимерные нити служат прекрасным средством упрочнения самых ответственных узлов в механизмах, машинах и аэрокосмических конструкциях, работающие при очень высоких температурах и нагрузках.

 

 

 

 

Основой любого ЖК-индикатора является так называемая электрооптическая ячейка, устройство которой изображено на рис.1. Две плоские стеклянные пластинки с нанесенным на них прозрачным проводящим слоем из окиси олова или окиси индия, выполняющие роль электродов, разделяются тонкими прокладками из непроводяшего материала (полиэтилен, тефлон). Образовавшийся зазор между пластинками, который колеблется от 5 до 50 мкм (в зависимости от назначения ячейки), заполняется жидким кристаллом, и вся конструкция по периметру "запаивается" герметикой или другим изолирующим материалом (рис. 1). Полученная таким образом ячейка может быть помешена между двумя очень тонкими пленочными поляризаторами, плоскости поляризации которых образуют определенный угол с целью наблюдения эффектов ориентации молекул под действием электрического поля. Приложение к тонкому ЖК-слою даже небольшого электрического напряжения (1,5—3 В) вследствие относительно низкой вязкости и внутреннего трения анизотропной жидкости приводит к изменению ориентации жидкого кристалла. При этом важно подчеркнуть, что электрическое поле воздействует не на отдельные молекулы, а на ориентированные группы молекул (рои или домены), состоящие из десятков тысяч молекул, вследствие чего энергия электростатического взаимодействия значительно превышает энергию теплового движения молекул. В итоге жидкий кристалл стремится повернуться таким образом, чтобы направление максимальной диэлектрической постоянной совпало с направлением электрического поля. А вследствие большой величины двулучепреломления процесс ориентации ведет к резкому изменению структуры и оптических свойств жидкого кристалла.