Марк Медовник - Жидкости

Структурная формула 4-циано-4’-пентилбифенила, часто используемого в жидких кристаллах

Основа молекулы 4-циано-4’-пентилбифенила представляет собой два шестиугольных кольца. Этот «каркас» придает ей жесткость, но скрепляющие электроны распределены неравномерно: молекула представляет собой диполь. В ней есть области, где сосредоточен отрицательный электрический заряд, и другие, где сосредоточен заряд положительный. Положительный заряд одной молекулы притягивает к себе отрицательный заряд другой, усиливая склонность молекул образовывать упорядоченную пространственную структуру — кристалл. Но на хвосте молекулы 4-циано-4’-пентилбифенила имеется группа CH 3, при этом хвост гибкий и извивается, противодействуя образованию кристалла. Поэтому 4-циано-4’-пентилбифениловые структуры частично организованные, а частично текучие; это и есть так называемые жидкие кристаллы.

При температуре выше 35 °C влияние хвоста CH 3 побеждает, и 4-циано-4’-пентилбифенил ведет себя как обычная прозрачная жидкость. Но стоит охладить ее до комнатной температуры, и она приобретает молочный вид. 4-циано-4’-пентилбифенил не твердый при этой температуре, но что-то странное с ним уже происходит. Молекулы начинают равняться друг на друга примерно так же, как рыбы в косяке. Для жидкостей такая структура очень нетипична. Одно из определяющих свойств жидкости — то, что ее атомы и молекулы слишком энергичны, чтобы оставаться на одном месте сколько-нибудь долго. Они непрерывно вращаются, колеблются и мигрируют. Жидкие кристаллы ведут себя иначе: молекулы в них динамичны и могут плавать, но сохраняют единство ориентации. Название «жидкий кристалл» происходит из аналогии между одинаковой ориентацией молекул в нем и правильным расположением атомов в настоящем кристалле.

Структурные различия между кристаллом, жидким кристаллом и жидкостью

Однако ориентация молекул в жидком кристалле не совсем одинаковая; они в жидком состоянии и постоянно движутся, меняются местами и перераспределяются между отдельными группами. При этом полярность придает жидкому кристаллу еще одно полезное свойство: его молекулы реагируют на внешнее электрическое поле. В ответ на него они все вместе меняют направление. Таким образом, включив электричество, вы можете сделать так, что целая группа молекул повернется в определенную сторону. Оказывается, это и есть ключ к технологическому успеху жидких кристаллов; вот что позволяет им работать в электронных устройствах.

Когда свет идет сквозь жидкий кристалл, в нем происходят тонкие изменения поляризации. Чтобы понять это, вспомните, что свет — волна из колеблющихся электрического и магнитного полей. Но в каком направлении они колеблются? Вверх и вниз, из стороны в сторону или вправо и влево? Солнечный свет колеблется во всех этих направлениях. Но если он отражается от гладкой поверхности, то она как бы поощряет колебания в одних направлениях и подавляет в других, в зависимости от того, как она ориентирована относительно света. В результате в отраженном свете колебания одних направлений присутствуют, а других — нет. Такой свет называется поляризованным.

Такое действие на свет производит не только отражение от поверхностей. Некоторые прозрачные материалы тоже способны менять поляризацию света; вспомним хотя бы поляризационные очки. Их линзы пропускают свет с колебаниями только одного направления. Это снижает интенсивность света, попадающего в глаза, — в результате мир кажется темнее. Особенно полезны такие очки на пляже, и не только потому, что затеняют ваши глаза. Солнечный свет, отраженный от гладкой морской поверхности, тоже поляризованный, и линзы способны блокировать его. Рыбаки пользуются такими очками, чтобы лучше видеть происходящее под водой, и фотографы с их помощью также защищают глаза от слепящего блеска.

Некоторые пауки различают поляризованный свет, и я иногда думаю, не отвечает ли это умение хоть отчасти за способность Человека-паука быстро реагировать на опасность — его «паучье чувство». На экране передо мной он только что с трудом ускользнул от доктора Осьминога при помощи необъяснимого мгновенного решения, которое позволило ему уйти от щупалец злодея. Спецэффекты в фильме поразительны, и я улыбнулся Сьюзен, забыв, что, несмотря на мой откровенный интерес к ее книге, она не отвечала мне взаимностью и не проявляла никакого интереса к моему «Человеку-пауку».

Жидкие кристаллы меняют поляризацию света — и образ Человека-паука волшебным образом появляется передо мной на экране. Когда вы подносите линзу из поляризационных очков к поверхности жидкого кристалла, свет, исходящий от него, кажется ярким, если его поляризация совпадет с поляризацией линзы, а в остальных случаях он выглядит темным. Но здесь-то и кроется фокус: если поменять структуру жидкого кристалла при помощи электрического поля, его поляризация тоже изменится. Так что одним щелчком вы можете включить — или выключить — свет. И внезапно у вас появляется устройство, способное испускать белый свет, а потом не испускать света, а потом вновь переключаться на белый, причем с той же скоростью, с какой вы сможете переключать жидкокристаллическую структуру на электронном устройстве. Вот вам и основа для черно-белого экрана.

Звучит просто, но на реализацию этого принципа ушло не одно десятилетие. Первым необычное поведение жидких кристаллов описал австрийский ботаник Фридрих Рейнитцер в 1888 г., за два года до того, как Оскар Уайльд создал «Портрет Дориана Грея». В следующие восемьдесят лет жидкие кристаллы исследовали многие ученые, но никто не мог найти для них полезное применение. Только в 1972 г., когда компания Hamilton Watch запустила в производство первые цифровые часы под названием Pulsar Time Computer, для жидких кристаллов началась новая эпоха. Часы выглядели великолепно и не были похожи ни на какие другие; стоили они, надо сказать, побольше среднего автомобиля. Те, кто покупал их, не сомневались, что приобретают продукт будущего. И они оказались правы: наступала эра цифровых технологий, и часы первыми вышли на массовый рынок в области, которой суждено было стать индустрией с оборотом в триллионы долларов.

Часы Pulsar Time Computer были созданы на основе LED (light-emitting diode) — светоизлучающих диодов, которые, в свою очередь, сделаны из полупроводниковых кристаллов, излучающих красный свет в ответ на электрический ток. Цифры выглядели великолепно, особенно на черном фоне, и богатые и знаменитые были от них без ума — такие часы носил даже Джеймс Бонд в фильме «Живи и дай умереть» 1973 года. Недостатком светоизлучающих диодов в то время было их высокое энергопотребление; в первых цифровых часах батарейки садились очень быстро. Чтобы удовлетворить возникший сенсационный спрос на них, необходима была более энергоэффективная технология индикации. Вдруг, после десятилетий пребывания в статусе лабораторной диковинки, жидкие кристаллы нашли применение. Они быстро захватили рынок цифровых часов, поскольку электрическая энергия, нужная для переключения жидкокристаллического пикселя с белого цвета на черный, мизерна. К тому же они дешевы — настолько, что производители начали делать из жидких кристаллов целые экраны. Именно из них состоит серый экранчик электронных часов. Часы направленными электрическими сигналами переключают некоторые области серого экрана, заставляя их блокировать поляризованный цвет и делая черными. Это позволяет выводить разные цифры, и вы можете видеть время, дату, всё, что можно передать на маленьком экранчике в цифровом формате.