Рідкі кристали

М. Дьоміна


Ви коли-небудь пробували вимірювати температуру маленькій дитині, яка жодної хвилини не може посидіти спокійно? Але ж треба ще тримати під пахвою крихкий термометр! У 90-ті роки XX століття на радість мамам з’явилися дивні градусники, майже іграшки. Тонку щільну смужку накладали на чоло дитини, і на ній висвічувалася цифра, що відповідає температурі тіла, причому швидко й із високою точністю. А для грубого визначення температури (нижче або вище 37° С) використовували смужки, на яких загорялися або зелена літера Н (healthy — здоровий), або червона Т (treat — лікувати).

 

Рідкі кристали (РК) — чудові й дивні речовини, які поводяться одночасно і як рідина (їх можна налити в склянку), і як кристал (утворюють подібність одномірної або двовимірної кристалічної структури). Уже через 5–10 років РК стали звичними: індикатори на панелях мікрохвильових печей, холодильників, пральних машин, будильників, наручних годинників, плоскі екрани телевізорів і моніторів, інформаційні табло в аеропортах — ці й багато інших пристроїв для відображення інформації працюють на рідких кристалах.

 
РК було відкрито більше 100 років тому. 1888 року австрійський учений-ботанік Ф. Рейнітцер вивчав органічну речовину холестерилбензоат. Він виявив, що за температури 145 °С вона перетворювалася на мутну рідину, яка сильно розсіює світло, з незвичайною поведінкою. Під поляризаційним мікроскопом він спостерігав явище двопереломлення (залежність показника переломлення світла від орієнтації площини поляризації) — типово кристалічний ефект. Це не відповідало існуючим тоді уявленням про три стани речовини: рідкий, твердий і газоподібний. Адже будь-яка рідина ізотропна — її властивості не залежать від напрямків. Утім, за подальшого нагрівання до 179 °С вона знову ставала прозорою й оптично поводилася як звичайна вода. Німецький фізик О. Леманн, до якого Ф. Рейнітцер звернувся по допомогу й пораду, назвав її «рідким кристалом». Але відкриття не було визнано вченим світом.
 
Ішов час, і речовин, які могли ставати рідкими кристалами, з’являлося дедалі більше: приблизно п’ять із кожної тисячі знову синтезованих органічних сполук. Виявилося, що РК-стан можливий тільки в органічних речовин, молекули яких мають подовжену (наприклад, сигароподібну) форму. Будову найбільш простого РК можна уявити як набір однаково орієнтованих (паралельних одна одній) паличок-молекул, які рухаються хаотично (як у будь-якій рідині), однак напрямок залишається незмінним. Так, короткі олівці в довгій плоскій коробці можуть обертатися, рухатися поступально, але ніколи не встануть поперек. У більш складних РК молекули одного напрямку утворюють тонкі шари, повернені один відносно одного, як стопка аркушів паперу, покладених зі зсувом, спіраллю. Саме такою будовою й пояснюються дивні властивості РК — сильна температурна залежність, висока чутливість до зовнішніх магнітних і електричних полів, тиску, оптична активність (здатність обертати площину поляризації минаючого крізь них світла). Але якщо РК нагріти (згадаємо досліди Ф. Рейнітцера), то впорядковане розташування молекул порушується й виходить звичайна рідина, а за досить низьких температур — звичайне тверде тіло. Тому РК іще називають мезоморфною фазою, або просто мезофазою, що буквально означає «проміжна фаза».
 
Переломним моментом в історії РК став 1963 рік, коли заповзятливий американець Дж. Фергюсон одержав патент на РК-пластинку для виявлення теплових полів, не видимих оком. Він використав властивість РК змінювати колір під впливом температури. А 1968 року в США був продемонстрований принципово новий індикатор: до різних частин тонкої РК-плівки прикладали електричне поле, і на ній виникало зображення літер, цифр, геометричних фігур, утворене прозорими й непрозорими ділянками плівки. Можливість так просто управляти властивостями РК відкрила воістину безмежні перспективи їх застосування.
 
Залежність кольору РК від температури використовують у медичній діагностиці. Якщо хворий орган виділяє навіть незначно підвищену кількість тепла, його легко побачити за зміною кольору РК-плівки, накладеної на тіло пацієнта. Так само виявляються несправні елементи інтегральних схем і друкованих плат: сильно нагріті або, навпаки, холодні, непрацюючі, вони видні як яскраві плями.
 
Галузь застосування РК, яка розвивається найбільш активно, — це інформаційна техніка: від простих одноколірних індикаторів електронних годинників до LCD-телевізорів (lіquіd crystal dіsplay) із зображенням високої якості. Основа будь-якого РК-індикатора — електрооптична комірка: тонкий шар РК розташований між двома плоскими скляними пластинками з нанесеним на них прозорим провідним шаром (оксиди Стануму або Індію). Така комірка міститься між двома поляризаційними фільтрами. Поляризоване світло рухається крізь шар РК. Його молекули під дією напруги змінюють поляризацію світла на певний кут, і другий фільтр пропускає вже тільки частину світла. У такий спосіб формується зображення точки (її називають пікселем) різного ступеня яскравості. Щоб одержати кольорове зображення, на кожний піксель треба брати не одну, а три комірки з кольоровими світлофільтрами основних кольорів — червоного, зеленого й синього. Це трошки схоже на штору-жалюзі. Коли стулки повернені від вікна, все світло потрапляє в кімнату, коли закриті — світла немає, а якщо напіввідчинені — кімната освітлена частково. А тепер повісимо на вікно три жалюзі червоного, зеленого й синього кольорів. Відкриваючи й закриваючи їх, можна (теоретично) на просвіт побачити різні кольори, а закривши всі відразу — чорний колір.
 
Ми тільки звикли до плоских екранів, а вже розроблені РК-композити (тонкі полімерні плівки з диспергованими в них краплями РК), які дозволять зробити телеекран, що згортається в трубку.
Dounload PDF

Відгуки читачів