Жидкие кристаллы

Жи́дкие криста́ллы (сокращённо ЖК; англ. liquid crystals) — это фазовое состояние, в которое переходят некоторые вещества при определённых условиях (температура, давление, концентрация в растворе). Жидкие кристаллы обладают одновременно свойствами как жидкостей (текучесть), так и кристаллов (анизотропия свойств).

Физически ЖК представляют собой вязкие жидкости. Микроскопически ЖК состоят из молекул вытянутой или дискообразной формы, ориентация которых некоторым образом упорядочена в макроскопических областях этой жидкости.

Наиболее характерным свойством ЖК является их способность изменять ориентацию молекул под воздействием электрических полей, чем обусловлено их широкое применение в промышленности.

По типу ЖК обычно разделяют на две большие группы: нематики и смектики. В свою очередь нематики подразделяются на собственно нематические и холестерические жидкие кристаллы.

Жидкие кристаллы открыл в 1888 году австрийский ботаник Фридрих Рейнитцер^[нем.][2]. Он обратил внимание, что у кристаллов холестерилбензоата и холестерилацетата наблюдалось две точки плавления и, соответственно, два разных состояния — в виде мутной и прозрачной жидкости. Само название «жидкие кристаллы» придумал Отто Леманн в 1904 году^[3]. Однако в то время учёные не обратили особого внимания на необычные свойства этих жидкостей.

Долгое время физики и химики в принципе не признавали существование жидких кристаллов, потому что это разрушало теорию о трёх состояниях вещества: твёрдом, жидком и газообразном. Учёные относили жидкие кристаллы то к коллоидным растворам, то к эмульсиям.

Научное доказательство упорядоченности внутреннего строения было предоставлено профессором университета КарлсруэОтто Леманом после многолетних исследований, но даже после издания в 1904 году написанной им книги «Жидкие кристаллы» открытие не нашло применения.

Фундаментальный вклад в физику жидких кристаллов внёс советский учёный В. К. Фредерикс^[4].

Первое практическое применение жидких кристаллов произошло в 1936 году, когда компания Marconi Wireless Telegraph запатентовала свой электрооптический световой затвор^[5][6].

В 1963 году американец Дж. Фергасон (англ. James Fergason) использовал важное свойство жидких кристаллов — способность изменять цвет при изменении температуры — для обнаружения невидимых простым глазом неоднородно нагретых либо охлаждённых участков поверхности. После получения им патент на изобретение (U.S. Patent 3 114 836), интерес к жидким кристаллам существенно возрос.

В 1965 году в США состоялась Первая международная конференция, посвящённая жидким кристаллам. В 1968 гохду американские учёные создали принципиально новые индикаторы для систем отображения информации. Принцип их действия основан на повороте молекул жидких кристаллов в электрическом поле, при этом изменяются поляризация проходящего сквозь ЖК света. Под воздействием напряжения, подаваемого на проводникиэкрана, на нём формировалось изображение, состоящее из точек или полосок в зависимости от конфигурации проводников. И только после 1973 года, когда группа английских химиков под руководством Джорджа Грея синтезировала жидкие кристаллы из относительно дешёвого и доступного сырья, эти вещества получили широкое распространение в разнообразных устройствах.

По своим общим свойствам ЖК можно разделить на две большие группы:

1. Термотропные ЖК, образующиеся в результате нагревания твёрдого вещества и существующие в определённом интервале температур и давлений.
2. Лиотропные ЖК, которые представляют собой двух- или более компонентные системы, образующиеся из стержневидных молекул данного вещества и воды (или других полярных растворителей).

Термодинамическими фазами вещества являются только термотропные ЖК, так как лиотропные ЖК дисперсные системы (раствор амфифильных веществ в воде).

Вытянутые молекулы, из которых состоят такие ЖК, имеют на одном конце полярную группу, а большая часть протяжённой молекулы представляет собой гибкую гидрофобную углеводородную цепь. Такие вещества называются амфифилами (амфи — по-гречески означает «с двух концов», филос — «любящий», «благорасположенный»). Примером амфифилов могут служить фосфолипиды.

Амфифильные молекулы, как правило, плохо растворимы в воде, склонны образовывать молекулярные агрегаты у которых полярные группы на границе раздела фаз ориентированы в сторону полярного растворителя. При низких температурах растворение жидкого амфифила в воде приводит к расслоению системы на две фазы. Известным вариантом такой системы со сложной структурой может служить раствор обычного мыла в воде. В такой системе связаны алифатическийанион${\displaystyle {\ce {CH3-(CH2)_{n-2}-CO2{}^-}}}$ (где ${\displaystyle n}$ ~ 12—20) и положительный ион ${\displaystyle {\ce {Na+, K+, NH4+}}}$ и др. Полярная гидрофильная группа ${\displaystyle {\ce {CO2-}}}$ притягивается к молекулам воды, тогда как неполярная группа (гидрофобная алифатическая цепь) слабо взаимодействует с молекулами воды. Это явление типично для амфифилов.

Характеристики многих электрооптических устройств, работающих на лиотропных жидких кристаллах, определяются анизотропией их электропроводности, которая, в свою очередь, связана с анизотропией электронной поляризуемости. Для некоторых веществ вследствие анизотропии свойств ЖК удельная поляризуемость изменяет свой знак. Например, для н-октилоксибензойной кислоты она проходит через ноль при температуре 146 °C, и связывают это со структурными особенностями мезофазы и с поляризуемостью молекул.

Молекулы, которые образуют фазы жидких кристаллов, называют мезогенами. В ЖК есть характерная ориентация дипольных молекул в определённом направлении, которое определяется единичным вектором — так называемым «директором».

Термотропные ЖК подразделяются на четыре больших класса (Схематично характер упорядоченности ЖК названных типов представлен на рисунках):

1. Нематические жидкие кристаллы или нематики. В этих кристаллах отсутствует дальний порядок в расположении центров тяжести молекул, у них нет слоистой структуры, их молекулы скользят непрерывно в направлении своих длинных осей, вращаясь вокруг них, но при этом сохраняют ориентационный порядок: длинные оси направлены вдоль одного преимущественного направления. Они ведут себя подобно обычным жидкостям. Нематические фазы встречаются только в таких веществах, у молекул которых правая и левая формы совпадают, то есть их молекулы тождественны своему зеркальному изображению (ахиральны). Ориентация молекул нематической фазы, как правило, совпадает с направлением наибольшей проводимости. Примером вещества, образующего нематический ЖК, может служить ${\displaystyle {\ce {N}}}$-(пара-метоксибензилиден)-пара-бутиланилин.

   

2. Смектические жидкие кристаллы или смектики, имеют слоистую структуру, слои могут скользить относительно друг друга. Толщина смектического слоя определяется длиной молекул (преимущественно, длиной парафиновогового «хвоста»), однако вязкость смектиков значительно выше, чем у нематиков, и плотность по нормали к поверхности слоя может существенно меняться. Типичным является терефтал-бис (пара-бутиланилин).
3. Холестерические жидкие кристаллы (холестерики) — образуются, в основном, производными холестерина и других стероидов. Это нематические ЖК, но длинные оси их молекул повёрнуты друг относительно друга так, что они образуют винтовые линии, шаг которых очень чувствителен к изменению температуры вследствие чрезвычайно малой энергии активации для образования этой структуры (около 0,01 Дж/моль). В качестве типичного холестерика можно назвать амил-пара-(4-цианобензилиденамино)-циннамат. Многие Холестерики ярко окрашены, и малейшее изменение температуры (до тысячных долей градуса) приводит к изменению шага винтовой линии и, соответственно, к изменению окраски ЖК.
4. Колончатые жидкие кристаллы — Мезогены упорядочны в колонны, которые образуют упорядочные структуры. Часто их называют «жидкими нитями», вдоль которых молекулы обладают трансляционными степенями свободы. Этот класс соединений был предсказан академиком Л. Д. Ландау, а открыт лишь в 1977 Чандрасекаром.

У ЖК необычные оптические свойства. Нематики и смектики — оптически одноосные кристаллы. Холестерики, вследствие периодического строения, сильно отражают видимый свет. Поскольку в нематиках и холестериках носителями свойств является жидкая фаза, то она легко деформируется под влиянием внешнего воздействия. Так как шаг винтовой линии в холестериках очень чувствителен к температуре, то, следовательно, и отражение света в разных частях спектра резко меняется с температурой, приводя к изменению цвета вещества. Эти явления широко используются в различных приложениях, например, для нахождения горячих точек в микроцепях, локализации переломов и опухолей у человека, визуализации инфракрасного изображения и др.

На феноменологическом уровне деформации жидкого кристалла, как правило, описываются при помощи понятия плотности свободной энергии Франка — Озеена.

Возможность генерации запутанных пар фотонов в жидких кристаллах была теоретически изучена в начале 2020-х годов с использованием моделей оптических солитонов и анизотропных нелинейных сред.

Генерация пары запутанных фотонов в жидком кристалле впервые была теоретически предсказана Т. Ф. Камаловым с группой исследователей в 2022 году [1]. Более подробно этот эффект описан в [2][3]. Экспериментальное подтверждение этого эффекта опубликовано в [4].

По математической модели рождения пары запутанных фронтов в жидких кристаллах построен оптический элемент, в котором генерируются пары запутанных фотонов. Рассмотрены условия формирования фотона в слое жидкого кристалла (ЖК) для генерации пары фотонов в запутанном квантовом состоянии (бифотона) при квантовых расчетах.

Из знания физических параметров, а также нелинейных оптических свойств жидкого кристалла, оценены геометрические размеры фотона, генерируемого импульсом оптического излучения, его динамика и устойчивость. В нематических ЖК возможно создание одиночных фотонов с размером в несколько десятков микрометров и даже меньше.

Время формирования этих фотонов — от долей миллисекунды до десятков миллисекунд, а время их существования — от долей миллисекунды до сотен миллисекунд.

Рассматривается возможность перекрытия соседних в пространстве или времени запутанных фотонов (или областей внутри слоя жидкого кристалла, деформация которых вызвана полем световой волны от последовательных световых импульсов). На этой основе возможно «кодирование» запутанных состояний с высокой степенью различения сигнала и проведение квантовых вычислений.

Одно из важных направлений использования жидких кристаллов — термография. Подбирая состав ЖК, создают индикаторы для разных диапазонов температуры и в виде различных конструкций. Например, жидкие кристаллы в виде плёнки наносят на транзисторы, интегральные схемы и печатные платы электронных схем. Неисправные элементы — сильно нагретые или холодные, отказавшие — обнаруживаемы по изменению цвета ЖК-покрытия.

В медицине термочувствительные жидкокристаллические индикаторы, нанесённые на кожу пациента, позволяют быстро диагностировать скрытое воспаление и даже внутренние опухоли^[7].

С помощью жидких кристаллов обнаруживают пары́ вредных химических соединений и опасные для здоровья человека гамма- и ультрафиолетовое излучения.

На основе жидких кристаллов созданы измерители давления, детекторы ультразвука.

Но самая обширная область применения жидкокристаллических веществ — информационная техника - жидкокристаллические дисплеи в которых используется переход Фредерикса, открытый ещё в 1927 году^[8][7]: в индикаторах, знакомым всем по электронным часам и микрокалькуляторам, цветных телевизорах, телефонах, планшетах, ноутбуках и компьютерных мониторах с жидкокристаллическим экраном. Такие телевизоры и мониторы дают изображение весьма высокого качества, при этом потребляя меньше энергии по сравнению с телевизорами на электронно-лучевых трубках.

М. Г. Томилин предложил использовать жидкие кристаллы в двухступенчатых фотографических технологиях, для сохранения изображений, регистрация внешних воздействий при этом происходит в мезофазе, а хранение — в твердокристаллическом состоянии^[9].

Жидкие кристаллы применяются для производства «умного стекла», способного изменять коэффициент светопропускания при изменении приложенного напряжения^[10]. Применяя такое стекло шведский инженер и изобретатель Оке Хёрнелль разработал сварочную маску-хамелеон с автоматическим автозатемнением при зажтгании электрической дуги.

Основным производителем жидких кристаллов является немецкая компания Mеrck. Она обеспечивает больше половины мирового спроса на составляющие ЖК-экранов. Она получила золотую медаль ежегодной премии Ассоциации разработчиков и производителей информационных дисплеев SID-2015 (Society for Information Displays) в номинации «Комплектующие для дисплеев» за разработку инновационной технологии производства жидких кристаллов UB-FFS^[11].

• Жданов С. И. Жидкие кристаллы. — М.: Химия, 1979. — 328 с.
• Чандрасекар С. Жидкие кристаллы. — М.: Мир, 1980. — 344 с.
• Пикин С. А. Структурные превращения в жидких кристаллах. — М.: Наука, 1981. — 336 с.
• Пикин С. А., Блинов Л. М. Жидкие кристаллы / Под ред. Л. Г. Асламазова. — М.: Наука, 1982. — 208 с. — (Библиотечка «Квант». Вып. 20). — 150 000 экз.
• Сонин А. С. Введение в физику жидких кристаллов. — М.: Наука, 1983. — 320 с.
• Сонин А. С. Дорога длиною в век: Из истории открытия и исследования жидких кристаллов. — М.: Наука, 1988. — 224 с. — ISBN 5-02-000084-1.
• Анисимов М. А. Критические явления в жидкостях и жидких кристаллах. — М.: Наука, 1987. — 272 с.
• Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Механика жидких кристаллов // Теория упругости. — М.: Наука, 2003. — С. 264.
• Клеман М., Лаврентович О. Д. Основы физики частично упорядоченных сред. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. — 680 с.
• Воронов В. К., Подоплелов А. В. Физика на переломе тысячелетий: конденсированное состояние. — М.: ЛКИ, 2012. — С. 336. — ISBN 978-5-382-01365-7.
• Блинов Л. М. Жидкие кристаллы: Структура и свойства. — М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2013. — 480 с.

• de Gennes P. G., Prost J. The Physics of Liquid Crystals. 2nd Edition — Clarendon Press, Oxford, 1993
• Blinov L. M., Chigrinov V. G. Electrooptic Effects in Liquid Crystal Materials. — Springer, 1994
• Kats E. I., Lebedev V. V. Fluctuational Effects in the Dynamics of Liquid Crystals. — Springer, 1994

• Кондакова А. В., Камалов Т. Ф. Моделирование реальных запутанных систем на основе модели пары запутанных солитонов, Жидкие кристаллы, стр. 218—221 (2022). DOI:10.1080/02678292.2022.2113833.
•  Беляев В. В., Камалов Т. Ф., Камалов Ю. Т., Беляев А. А. «Жидкокристаллический оптический элемент для квантовых вычислений». Патент на изобретение RU 2833603 С2, 27.01.2025. Заявка № 2023133771 от 18.12.2023.
•  Беляев В. В., Камалов Т. Ф., Камалов Ю. Т. и Латипов А. Д. Модель оптических солитонов в жидких кристаллах, Журнал экспериментальной и теоретической физики (2025). DOI:10.18083/LCAppl.2025.1.80.
• Кондакова А. В., Камалов Т. Ф. Запутанные оптические солитоны в диэлектрической среде жидкого кристалла // Вестник Московского государственного областного университета. Серия: Физика и математика, 2022, № 3, с. 28-38 (2022). DOI:10.18384/2310-7251-2022-3-28-38.
• Султанов В., Кавчич А., Коккинакис Э. и др. Генерация перестраиваемых запутанных пар фотонов в жидком кристалле. Природа 631, 294—299 (2024). [5]

• Беседа о жидких кристаллах с доктором химических наук Алексеем Юрьевичем Бобровским в программе Наука 2.0