|
Оглавление
Предисловие
Моей семье:
Галине, Анастасии и Тимофею Ego plus quam feci, facere non possum.
(Все, что я мог, сделал, большего не могу.) Марк Туллий Цицерон
Жидкие кристаллы прочно заняли свое место в современной жизни. Оглянемся вокруг: мы увидим их в дисплеях компьютеров, телевизионных экранах, телефонах и калькуляторах, настольных часах, фотокамерах и различных приборных панелях. Мы найдем их также в проекторах, пространственных модуляторах света, датчиках температуры и даже в микролазерах. Во всех этих технических новинках, появившихся при жизни всего лишь одного поколения, жидкие кристаллы играют ключевую роль. Происходит это потому, что жидкие кристаллы почти не потребляют энергии при их переключении из одного состояния в другое под действием внешних факторов, таких как температура, электрическое поле, свет определенного диапазона или механическое напряжение. К тому же, все больший интерес проявляется к биологическим аспектам жидких кристаллов. Армия людей, занимающихся жидкими кристаллами, неуклонно растет. Первые конференции на заре прошедшего века собирали пару десятков участников, чуть позже — порядка сотни. Начиная с 70-х годов обрушился водопад многоцветных конференций по жидким кристаллам, который быстро распался на отдельные, достаточно бурные, цветные ручьи. Кроме ноголюдных международных конференций появились европейские и национальные конференции (в том числе российские), отдельные конференции по химии (иногда, только по проблеме хиральности), оптике, фотонике и сегнетоэлектричеству жидких кристаллов. И каждая такая встреча привлекает сотни участников разного профиля (химиков, физиков, инженеров по электронике и фотонике, биологов и врачей). Соответственно, появились замечательные книги общего характера [...] и другие книги, освещающие отдельные профессиональные проблемы, относящиеся к физике [...] и практическим применениям [...] жидких кристаллов. Популярных же книг очень мало. Я могу только отметить пионерскую, часто цитируемую книжечку И. Г. Чистякова [...], заметное произведение книжного искусства А. С. Сонина [...], тоже небольшую, слегка научную книжку для школьников, написанную С. А. Пикиным в соавторстве со мною [...] и быстро раскупленную (сейчас никто не поверит) в количестве 150 тысяч экземпляров. Несколько позже в издательстве "Знание" вышла популярная брошюра В. А. Белякова [...]. На английском языке замечен симпатичный, философски окрашенный томик П. Коллингса [...]. Очевидно, что имеется большой разрыв между двумя группами упомянутых книг. [...] Популярные же книги написаны живо и, к удовольствию читателей, без единой формулы. Если мы проведем аналогию с тренажерами, то увидим, что вторая их группа подойдет для множества учеников спортивных школ, а первая — для олимпийцев. Но как тренироваться спортсменам промежуточного уровня? Именно этот разрыв я и хотел бы немного заполнить. Книга написана экспериментатором, который всю жизнь пытался понять и, по возможности, разъяснять себе и своим ученикам сложность физики жидких кристаллов с помощью простых аналогий. Каждый раз приходилось возвращаться к первоисточникам, которые мы изучали в средней и высшей школе. Может быть, поэтому в представляемой книге нет ни одной весьма надоедливой фразы "легко показать, что...". Я полагаю, если "легко", то нужно "показать", хотя бы с помощью простых моделей. Фактически в этой книге используется математика на уровне технических университетов. Там, где требуется большее (например, тензорная алгебра, вариационное исчисление или преобразования Фурье), объяснения становятся подробнее. Кроме того, в книге более 300 рисунков, разъясняющих суть проблемы, но, как правило, не содержащих частных сведений. В сущности, цель книги проста — это ознакомление читателя с наиболее важными идеями, относящимися к структуре и физическим свойствам жидких кристаллов, включая и некоторые теоретические аспекты. Ее публикация нацелена на широкий круг ученых (физиков, физико-химиков, инженеров и, отчасти, биологов) и, особенно, студентов и аспирантов соответствующего профиля, чему способствует Международная система единиц (СИ), используемая по всей книге. Книга состоит из трех частей: "Структура жидких кристаллов", "Физические свойства" и "Электрооптика". Понятно, что формально электрооптические свойства неотъемлемы от физических свойств. Однако именно они особенно важны для современных технологий и, кроме того, находятся в сфере интересов автора. Поэтому электрооптические свойства заслужили специальную, более уважаемую позицию. После краткого введения в разделе "Структура" имеется маленькая Глава 1, посвященная симметрии, используемой по всей книге. В Главе 2 мы обсуждаем молекулярные аспекты, а затем фундаментальную проблему физики жидкокристаллических фаз (или мезофаз), а именно выяснение распределения молекул по их ориентациям. Общее описание наиболее важных жидкокристаллических фаз приводится в Главе 3, начиная с простейшей нематической фазы и заканчивая хиральными и ахиральными сегнетоэлектрическими фазами. После чтения этой главы те, кто хотел только познакомиться с жидкими кристаллами, могут отдохнуть или навсегда оставить эту книгу. Следующая глава знакомит читателя с основными концепциями рентгеноструктурного анализа кристаллов и его приложений к конкретным жидкокристаллическим фазам. Следует отметить, что в книгах по жидким кристаллам не уделялось значительного места для обсуждения этой проблемы, и Глава 4 — это попытка выправить положение. В Главе 5 мы имеем дело с фазовыми переходами — ключевой проблемой физики жидких кристаллов, которая активно обсуждалась в разных книгах на разных уровнях. Здесь мы только познакомимся с основными идеями теории фазовых переходов между наиболее важными мезофазами. Глава 6 открывает вторую часть книги и знакомит читателя с анизотропией магнитных и электрических свойств мезофаз. Далее основное внимание направлено на анизотропию транспортных свойств, особенно на электропроводность. Положения этой главы будут использованы в дальнейшем при рассмотрении электрооптических свойств жидких кристаллов в последующих главах. В Главе 7 подробно обсуждаются упругие свойства и дефекты различных мезофаз, а в Главе 8 — течение и вязкость жидких кристаллов. Последняя из двух глав наиболее трудна в математическом смысле, и, чтобы представить важнейшие теоретические результаты как можно яснее, мы специально фокусируем все внимание на экспериментальном методе определения пяти коэффициентов вязкости нематической фазы с помощью вязкого тензора напряжений Лесли. Главой 9 заканчивается обсуждение анизотропных физических свойств. Теперь основным предметом является взаимодействие жидких кристаллов (в основном нематических) с твердотельными подложками. Проблемы пограничных слоев, поверхностной поляризации и энергии сцепления жидкого кристалла с поверхностью занимают здесь центральное место. Эта глава фактически является мостом между второй и третьей частями книги. Оставшиеся три Главы 10, 11 и 12 посвящены оптике и электрооптике соответственно нематических, холестерических (хиральных) и смектических (сегнето- и антисегнетоэлектрических) фаз. В отличие от моей ранней книги [...], здесь детально рассматриваются только наиболее основополагающие принципы и самые интересные эффекты. Цитируемой литературы здесь немного, поскольку я умышленно включил в списки только книги, обзорные статьи и наиболее плодотворные работы, открывающие дальнейшие пути исследования и применения жидких кристаллов. Работа над книгой заняла около десяти лет, и в течение семи из них (2003–2009) я читал курс по физике жидких кристаллов аспирантам Университета Калабрии в Италии. Среди студентов были не только физики, но также и химики, а иногда инженеры и даже биологи. Я старался сделать лекции серьезными, доступными и интересными, но что получилось, судить не мне. Это же относится и к книге. Я очень обязан профессору Р. Бартолино (Roberto Bartolino) за приглашение работать в Италии, а также его сотрудникам и моим коллегам (Profs. G. Cipparrone, R. C. Umeton, C. Versace, G. Strangi, а также Drs. M. de, A. Mazzulla, P. Pagliusi, F. M. Giocondo и многим другим) за гостеприимство. Все они были неизменно дружески расположены и внимательны ко мне, и я от них многому научился. За постоянную поддержку и помощь я глубоко благодарен сотрудникам лаборатории жидких кристаллов Института кристаллографии РАН М. И. Барнику, A. Р. Гейвандову, В. В. Лазареву, С. П. Палто, Н. М. Штыкову, Б. А. Уманскому, С. Г. Юдину, С. В. Яблонскому, С. В. Яковлеву и особенно Б.И. Островскому, который перевел на русский язык и значительно улучшил Главы 4 и 5. С перечисленными сотрудниками я проработал многие годы и имею удовольствие работать сегодня. И, конечно, я выражаю сердечную признательность моим друзьям-коллегам С. А. Пикину, Е. И. Кацу, М. А. Осипову, Г. С. Чилая, D. Demus, E. Dubois-Violette, G. Durand, D. Dunmur, G. Gray, E. Guyon, W. Haase, W. de Jeu, A. Petrov, L. Pohl, J. Prost, и K. Yoshino за исключительно полезные и приятные дискуссии по многим важным вопросам, касающимся, а чаще и не касающимся жидких кристаллов, но всегда привносящим многоцветность в нашу научную жизнь. Введение
Наши учителя физики в школах и университетах очень внятно объяснили нам, что все вещества существуют в форме газов, жидкостей или твердых тел. При охлаждении вещества между этими фазами происходят превращения (фазовые переходы), как правило, в следующей последовательности: газ → жидкость → кристалл. И мы, конечно, верили учителям, хотя и тогда жидкие кристаллы уже были рядом с нами на протяжении целого века. Сегодня мы убеждаем студентов, что, если органические молекулы имеют форму палочек, то вещество из газовой фазы переходит в нормальную (изотропную) жидкость, а затем в странную, анизотропную, жидкую фазу, называемую нематический жидкий кристалл. Дальнейшее охлаждение заставляет анизотропную жидкость дополнительно приобрести слоевую структуру, подобную стопке бумаги, но с гораздо более тонкими слоями. Эта стопка похожа на одномерный кристалл, состоящий из двумерных жидких слоев. Теперь это смектическая-А фаза с молекулами, расположенными перпендикулярно плоскости слоев. Каждый такой слой легко скользит по соседнему слою. Французский химик Ж. Фридель был первым [...], кто распознал эти три фазы. При дальнейшем охлаждении молекулы слегка наклоняются, чтобы образовать энергетически более выгодную смектическую-С фазу, причем угол наклона с понижением температуры увеличивается. Но это еще не все! В некоторых веществах при охлаждении смектика-А однородность слоев нарушается, и они приобретают плоскую гексагональную структуру смектической Bhex фазы. Но и в этой фазе слои легко скользят относительно друг друга. И только при дальнейшем охлаждении вещество приобретает трехмерную кристаллическую структуру. Таким образом, в одном и том же образце вместо двух фазовых переходов газ — жидкость и жидкость — кристалл наблюдается цепочка из пяти-шести переходов. В других веществах можно обнаружить иные последовательности. Например, органические молекулы, имеющие форму дисков, образуют колоночные фазы, состоящие из молекулярных столбиков, упакованных в двумерную кристаллическую структуру. При этом вдоль столбиков расстояние между молекулами не фиксировано, и получается одномерная жидкость в направлении колонок и в то же время двумерный кристалл в поперечном направлении. Наглядной картиной мог бы быть греческий храм с жидкими колоннами... Сегодня мы определяем жидкие кристаллы как жидкости с определенным дальним порядком в расположении молекул. Их можно было бы называть и анизотропными жидкостями, но этот термин уже использовался ранее для жидкостей, искусственно упорядоченных внешними полями. Каждая жидкокристаллическая фаза (мезофаза) — это макроскопически однородное промежуточное состояние между изотропной жидкостью и кристаллическим твердым телом. История жидких кристаллов берет начало от проф. Ф. Рейницера (Пражский Университет), обнаружившего в 1888 г. странную фазу, промежуточную между жидким расплавом и кристаллической фазой при нагревании и охлаждении холестерил-бензоата [...]. Для дальнейшего изучения Рейницер отправил образцы этого вещества проф. О. Леману (Университет Карлсруэ), известному специалисту в области поляризационной микроскопии. Старинные фотографии Рейницера и Лемана, праотцов жидкокристаллического сообщества. Именно Леман, исследуя подарок Рейницера, понял, что имеет дело с новым состоянием вещества. Позже он также наблюдал промежуточные фазы в похожих соединениях и сначала назвал их текучими кристаллами ( fliebende Kristalle) [...]. Однако, через пять лет Леман решил, что термин "жидкие кристаллы" ( flüssige Kristalle) лучше отражает сущность мезофаз, и даже использовал его в названии самой первой книги по жидким кристаллам [...] (вообще, по интереснейшей истории жидких кристаллов лучше обратиться к книгам [...]). Сегодня мы, конечно, знаем, что эфиры холестерина состоят из молекул, имеющих слегка закрученную структуру. При охлаждении из изотропной фазы эти вещества переходят в другую фазу, называемую холестерической. Именно эта, жидкокристаллическая фаза обладает уникальными свойствами. На рис.[...] показаны фотографии поликристаллического слоя холестерил-ацетата, наблюдаемые с помощью поляризационного микроскопа. При дальнейшем нагревании вещество становится жидким и приобретает яркие дифракционные цвета, см. рис.[...]. С повышением температуры наблюдается фазовый переход в изотропную фазу, которая, хотя и оптически активна, не обладает двулучепреломлением и потому выглядит черной в скрещенных поляроидах. На рис.[...] можно видеть черные пятна (капли изотропной фазы) на ярком фоне перегретой холестерической фазы. Следует отметить, что цветовая картина "холестерической фазы", наблюдавшаяся Рейницером, заметно отличается от вида классической холестерической фазы, показанной на нашем рисунке. Та фаза выглядела мутной и имела синеватый оттенок. Понадобилось столетие, чтобы понять ее структуру: оказывается, Рейницер наблюдал голубую фазу (см. Главу 3) со структурой жидкой решетки, состоящей исключительно из дефектов изначально идеальной спирали. Голубая фаза периодична и показывает брэгговскую дифракцию во всех трех измерениях. Получается, что Рейницер открыл первый настоящий фотонный кристалл! В наше время исследование фотонных кристаллов, в основном искусственных, — одно из приоритетных направлений современной оптики [...]. Момент открытия жидких кристаллов оказался как бы несвоевременным. Он пришелся на период построения грандиозного фундамента современной физики, но солидный камень с биркой "жидкие кристаллы" где-то затерялся. И только теперь, благодаря титаническим усилиям нескольких поколений ученых, утерянный камень жидких кристаллов был поднят и поставлен на свое законное место в фундаменте Храма Науки. И среди тех, кто сделал это, были, действительно, такие титаны, как Франк Лесли, Альфред Заупе и, конечно, Пьер-Жиль де Жен (лауреат Нобелевской премии за 1991 г.). Об авторе
Доктор физико-математических наук, профессор. Внес существенный вклад
в исследование физики жидких кристаллов, особенно в изучение сегнето-
и антисегнетоэлектрических фаз. Тридцать три аспиранта Л.М.Блинова,
среди которых восемь докторов наук, образуют широко известную в нашей
стране и за рубежом школу экспериментальных исследований жидких кристаллов.
Л.М.Блинов – лауреат Государственной премии СССР, награжден медалью
В.К.Фредерикса Жидкокристаллического общества "Содружество" и медалью
Дж. Грея Британского Общества жидких кристаллов. Удостоен диплома профессора
университета г. Осака (Япония), является одним из победителей конкурса
Правительства Италии на профессорские позиции для иностранных ученых.
Опубликовал свыше 400 статей и имеет индекс Хирша, равный 40. В настоящее
время Л. М. Блинов активно работает в области физики фотонных жидких кристаллов.
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||