Физика жидких кристаллов
182 дня назад я пообещал написать пост о жидких кристаллах, но меня чуть-чуть задержал диплом. Теперь я снова свободен, провел маленький ликбез по фазовым переходам, можно начинать.
Во-первых, что же такое жидкие кристаллы?
На самом деле, картина твердое тело ->жидкость->газ работает не для всех веществ. В некоторых веществах из крайне длинных молекул между твердым и жидким состоянием вкрадываются еще несколько. Происходит это только при строго определенных диапазонах температур и давлений, разумеется.
Длинные молекулы выстраиваются в упорядоченные структуры, связи между ними уже не так крепки, как в твердой фазе, но порядок все еще остается.
Три классические жидкокристаллические фазы:
Смектическая -- наиболее упорядоченная фаза. Ярко выраженная слоистая структура, в каждом слое молекулы повернуты практически одинаково.
Нематическая -- слоистая структура пропала, однако близко расположенные к друг к другу молекулы направленны практически одинаково.
Холестерическая -- самая забавная: молекулы закручиваются в спирали.
Дальше я буду рассказывать только про нематические жидкие кристаллы, так как они самые простые для понимания.
Зачем вообще нужны жидкие кристаллы?
Ну вы наверное слышали, что есть жидкокристаллические мониторы. Вот это ровно про них.
Оказывается, что эти самые молекулы можно поворачивать, прикладывая к ним электрическое или магнитное поле, а если оно не приложено, то они сами вернутся в исходное состояние.
Гифка, кстати, из моего курсача. Стрелочки это не молекулы, а среднее направление молекул в этой области. Что можно заметить в этой довольно простой модели?
Во-первых, частицы рядом довольно сильно взаимодействуют друг с другом. Можно считать, что это как-бы резинка: ее легко погнуть, но очень сложно разорвать.
Во-вторых, частицы на границе ячейки почти не меняют своей ориентации: поверхность ячейки хорошо их удерживает в начальном положении.
Для того, чтобы представить эту систему в своей голове думайте об этом так: вы(граница ячейки) держите резинку в натяг двумя руками, а третья рука(магнитное поле) тянет ее вбок за середину. Как только поле ослабеет, резинка вернется в начальное состояние.
Так а нахрена это в телевизоре то?
Очень просто. Ячейка с жидким кристаллом -- поляризатор, то есть если направить на нее свет определенной поляризации, то при выключенном поле она не будет его пропускать, а чем сильнее мы подадим поле, то тем больше повернутся молекулы, тем лучше будет ячейка пропускать свет. Теперь берем 3 ячейки, и направляем на одну красный свет, на другую зеленый, на третью синий. Классика жанра, господа!
На самом деле у жидких кристаллов гораздо больше вариантов применения, но именно оптическими свойствами ЖК интересуются чаще всего.
В завершении поста я бы хотел рассказать, а чем же именно занимаются ученые в этой области, на примере меня и моей научной группы.
Сначала экспериментаторы берут ячейку с жидким кристаллом и засовывают ее в скрещенные электрическое и магнитное поля, и смотрят, как изменяется емкость получившегося конденсатора от приложенного магнитного поля (умные слова без объяснения, но ничего, терпите, тут наука).
Это ячейка. Толщина зазора между пластинами (вот те металлические таблеточки) 250 микрометров, туда и заливают жидкий кристалл.
Снизу большие круглые и черные -- катушки, создающие сильное магнитное поле. Между ними и установлена ячейка.
Все оборудование довольно старое, работает хорошо в основном только после мата в его адрес. В той же комнате стоит оборудование, на котором работал сам Фредерикс -- основатель теории, а это ни много ни мало 27 год. Оно рабочее и ждет момента, пока оно таки понадобится. В результате их работы получается вот такой график.
Потом они отдают это мне, теоретику, и я пытаюсь из того графика выудить кое-какую информацию. Сначала рисую, как именно были повернуты молекулы при разных полях
А потом и как будет выглядеть та самая "диэлектрическая проницаемость"
Зависимость довольно хорошо описана, коэффициенты посчитаны, все молодцы. Теперь пишем
И называем это своим дипломом. Поздравляем себя с получением высшего образования.
Свободная касса!