1.6. Жидкие кристаллы
Жидкие кристаллы - это жидкости с упорядоченной молекулярной структурой. Благодаря упорядочению молекул они занимают промежуточное положение между кристаллами и обычными жидкостями с беспорядочным расположением молекул. Жидкие кристаллы текучи, как обычные жидкости, но в то же время обладают анизотропией свойств, как кристаллы.
Известно несколько сотен жидких кристаллов, важное место среди них занимают некоторые органические вещества, у которых молекулы имеют удлиненную форму. При плавлении таких веществ в силу особенностей межмолекулярного взаимодействия удлиненные молекулы располагаются в определенном порядке. Промежуточное состояние с упорядоченной структурой сохраняется в интервале температур от точки плавления вещества до точки перехода жидкого кристалла в изотропную жидкость. При переходе из-за усилившихся тепловых колебаний упорядоченная молекулярная структура полностью исчезает, увеличивается прозрачность вещества, и поэтому верхнюю температурную точку существования жидкого
Рис. 1.25. Типы структур жидких кристаллов
кристалла часто называют точкой просветления.
По структуре жидкие кристаллы разделяют на три класса: I (нематические); II (смектические) и III (холестерические) (рис. 1.25).
В кристаллах первого класса (рис. 1.25, а) молекулы выстроены в цепочки; направление преимущественной ориентации молекул является оптической осью жидкого кристалла.
В кристаллах второго класса (рис. 1.25, б) молекулы образуют параллельные слои, которые легко смещаются друг относительно друга.
В кристаллах третьего класса (рис. 1.25, в) структура наиболее сложная: молекулы размещаются по пространственной спирали. Длинные молекулы образуют параллельные слои, в каждом слое имеется структура жидкого кристалла первого класса. Направление преимущественной ориентации плавно меняется при переходе от слоя к слою, образуя спираль с определенным шагом.
Ориентационный порядок в расположении молекул создает анизотропию: показатель преломления света, диэлектрическая проницаемость, удельное электрическое сопротивление, вязкость и многие другие свойства зависят от направления, вдоль которого измеряют их величины, например параллельно или перпендикулярно осям молекул. В частности, в жидких кристаллах, являющихся диэлектриками, удельное объемное электрическое сопротивление, измеренное перпендикулярно молекулярным цепям, достигает 
а вдоль молекулярных цепей - на несколько порядков ниже.
Структура жидких кристаллов легко изменяется под действием давления, электрического поля, нагрева. Это явление дает возможность управлять их свойствами путем слабых воздействий и делает жидкие кристаллы незаменимыми материалами для изготовления особо чувствительных индикаторов.
Способность изменять оптические свойства жидких кристаллов первого класса, а также кристаллов третьего класса под влиянием электрического поля и температурных условий широко используется в приборостроении. Изменение структуры жидких кристаллов при внешних воздействиях сопровождается перемещениями молекул, и на такие перемещения требуется 
а на возврат к исходному состоянию после прекращения воздействия еще большее время - 20-200 мс. Такая особенность жидких кристаллов ограничивает их применение областью низких частот (не выше 
. В промышленности используют как индивидуальные жидкокристаллические органические соединения, так и их эвтектические смеси. Смеси обладают более широким температурным интервалом существования жидких кристаллов.
В жидких кристаллах первого класса наблюдается электрооптический эффект динамического рассеяния света. Сущность эффекта заключается в нарушении исходной упорядоченности молекул под
действием электрического поля достаточной напряженности, появлением турбулентного перемешивания молекул и увеличением прозрачности. Жидкие кристаллы используют в цветных индикаторах и других цветовых устройствах. Для цветных изображений применяют смеси жидких кристаллов с красителями, также имеющими продолговатые молекулы. При низкой напряженности поля молекулы жидкого кристалла размещаются перпендикулярно электродам ячейки и увлекают за собой молекулы красителя. В таком положении окраска не видна. При вращении молекул под влиянием поля более высокой напряженности молекулы красителя окрашивают изображение в определенный цвет.
В жидких кристаллах третьего класса при нагреве шаг спирали увеличивается, что меняет условия интерференции света на кристаллах и сопровождается изменением окраски отраженного света. Оптические характеристики кристаллов весьма разнообразны, в среднем длина волны отраженного света при нагреве на 1 °С уменьшается на 1-2 нм.
Эту особенность используют для регистрации и измерения стационарных и медленно меняющихся температурных полей. Здесь используется как увеличение прозрачности при переходе жидкого кристалла в изотропную жидкость, так и изменение цвета отраженного потока света.
На основе жидких кристаллов изготовляют медицинские термометры, датчики температуры для контроля перегрева узлов и деталей, преобразователи невидимого инфракрасного излучения в видимый свет. В последнем случае поглошение инфракрасного излучения нагревает жидкий кристалл так, что изменяется окраска отраженного света. Жидкие кристаллы применяют в модуляторах, системах отображения информации - калькуляторах, ручных часах, измерительных приборах автомобилей, устройствах для отклонения светового потока и др.
