Сергей Бердышев - Открытия и изобретения, о которых должен знать современный человек

Жидкокристаллическую фазу всегда образуют только сравнительно плотные вещества с компактно уложенными крупными молекулами дисковидной или стержневидной формы. На то есть несколько причин, в основе которых лежит такое обыкновенное межмолекулярное взаимодействие. Молекулы, о чем сообщают школьникам на первых уроках физики, притягиваются и отталкиваются. Силы притяжения имеют электромагнитную природу. Они заставляют частицы вещества сближаться, а силы отталкивания препятствуют взаимному проникновению молекул.

При высокой концентрации крупных молекул со сложной формой — стержней или дисков — они начинают за счет сил отталкивания мешать друг другу свободно двигаться. Дисковидная молекула не может, к примеру, встать на ребро, а стержневидная не может произвольно повернуться поперек. Все частицы принимают примерно однонаправленное расположение. Таким образом, форма молекул задает их пространственную ориентацию.

Различают два способа образования жидких кристаллов. Прежде всего вещество в это агрегатное состояние можно перевести с помощью нагревания. Именно так получил мутную фазу холестерилбензоата Рейнитцер. Если продлить нагревание жидкокристаллической фазы, то энергия молекул возрастет и они станут двигаться гораздо быстрее. Постепенно беспорядочное тепловое движение станет преобладать, в результате чего кристалл перейдет в жидкое состояние. Принято говорить, что кристалл плавится. При застывании расплава образуется обычный твердый кристалл.

Плотность жидкого кристалла может быть очень низкой, близкой к плотности жидкости. Но есть и плотные тела, подобные по консистенции пасте. Такие жидкие кристаллы называют термотропными. Кроме них, различают лиотропные жидкие кристаллы, которые образуются при растворении какого-либо вещества в другом. Растворяемое вещество называется мезогеном, потому что сама фаза называется еще мезоморфной.

Типичными лиотропными кристаллами являются биологические мембраны. Мембрана представляет собой молекулярную стенку, отделяющую живое вещество клеток от окружающей среды. Она сложена двумя слоями липидных молекул, т. е. имеет толщину порядка 10 нм максимум. При этом длина волны зеленого излучения в 50 раз больше! Настолько хрупка грань между живым и неживым. Липиды представляют собой мезоген, который образует двухслойную структуру мембраны при взаимодействии с жидкой средой клетки.

Холестерические кристаллы используются для изготовления пластинчатых термометров для грубого определения температуры. В настоящее время спрос на эти изделия несколько снизился, зато лет 10 назад подобные устройства были весьма популярны, особенно среди школьников. Дети имели при себе пластинки, которые было удобно носить на одежде.

Пока температура тела нормальная, пластинка высвечивает букву «N», с которой начинается слово Normal (temperature). При повышении температуры выше нормы пластинка меняет цвет и высвечивает букву «F», с которой начинается слово Fever — жар. Как только ребенок замечает появление этой буквы, он обращается к родителям, и те уже измеряют ему температуру с помощью обычного градусника.

Технической новинкой являются плоские телевизионные и компьютерные экраны на жидких кристаллах. Эти удобные средства отображения информации настолько основательно вошли в нашу жизнь, что большинство людей поддалось иллюзии, будто бы жидкокристаллическим мониторам много десятков лет. На самом деле сооружение первых экспериментальных моделей LCD-устройств (англ. Liquid Crystal Displays — жидкокристаллические дисплеи, или ЖК-дисплеи) началось лишь в середине 1980-х.

Первые образцы продукции для массового покупателя появились в конце 1980-х. Распространение телевизоров на жидких кристаллах и персональных компьютеров «лэптоп» приходится на 1989–1991 гг. Первые большие цветные телеэкраны (диагональ 35 см и более) стали собираться лишь начиная с 1991 г., и то единственным их производителем тогда была японская фирма «Шарп».

Экран LCD собран из стеклянных пластин, уложенных слоями, перемежающимися с прослойками жидкого кристалла. Оптическая структура последнего меняется в зависимости от величины электрического заряда, поступающего на кристалл. Электроника телеприемника или компьютера генерирует электромагнитное поле, в котором молекулы кристалла меняют свою пространственную ориентацию. В результате меняются направления оптических осей кристаллов, и разные области экрана по-разному отражают свет и строят тем самым изображение.

Поскольку сами жидкие кристаллы светиться не могут, то для работы устройств LCD приходится применять подсветку, которая устанавливается в телевизорах и компьютерах. Подсветка необходима даже для работы в дневное время. Солнечный свет в течение суток падает на экран под разными углами и неоднократно меняет мощность. Поэтому картинка на жидкокристаллическом дисплее будет изменчивой и далекой от истинной. Впрочем, начиная с конца 1990-х гг. ведутся успешные разработки мониторов, в которых кристаллы меняют цвет в электрическом поле, а также «активных» (самосветящихся) LCD-устройств.

Единственным недостатком самых ранних ЖК-дисплеев было высокое сопротивление жидкокристаллической среды. Скорость частиц обладающего большой вязкостью жидкого кристалла невелика. Получая новый электрический импульс, кристаллы затрачивали порядка 500 мс (миллисекунд) на переориентацию. Ограничение скорости кристаллов экрана привело к невозможности полноценно работать операторам со средствами ввода информации типа «мышь». Курсор «мыши» при быстром передвижении по экрану нередко попросту пропадал из виду, т. к. реакция кристаллов запаздывала.

В настоящее время помеха устранена благодаря внедрению двух технологий — DSTN и TFT. Первая технология сводится к использованию особого рода кристаллов-нематиков и двойного сканирования. Не так давно эта технология пополнилась методом многолинейной адресации MLA, сократившей замедление реакции экрана до 50 мс. Еще более продвинутой является предложенная фирмой «Тошиба» технология TFT, которая практически полностью сокращает запаздывание. Использование плоского дисплея с технологией TFT позволяет владельцу компьютера не испытывать затруднений во время т. н. «динамичных» компьютерных игр и т. д.