Жидкие кристаллы

DjVu

      ПРЕДИСЛОВИЕ
      Мы решили вдвоем писать одну книгу, книгу о жидких кристаллах. Об этих необычных веществах, конечно, слышали почти все, они используются в самых современных электронных приборах, о них пишут даже в газетах, не говоря уже о журналах и книгах.
      Наука о жидких кристаллах — одна из самых молодых и наиболее трудных областей физики. Трудности обусловлены сложностью молекул, образующих эти вещества. Для объяснения свойств жидких кристаллов необходимо привлекать не только теорию обычных жидкостей, достаточно сложную саму по себе, но также и науки о твердых кристаллах, например, кристаллографию и физику твердого тела.
      Рассказать о жидких кристаллах без математических формул, наглядно и по возможности образно — вот цель, которую ставили перед собой авторы. Задача эта не из легких: научную строгость мы хотели в разумных пределах сочетать с примерами и аналогиями из окружающей нас живой и неживой природы. Хотелось также познакомить читателя с многочисленными применениями жидких кристаллов, но так, чтобы это не увело его слишком далеко от темы.
      .Неустанно критикуя друг друга, мы должны были написать книжку, доступную для широкого читателя и прежде всего — школьников старших классов. При этом мы пытались осветить широкий круг проблем, включающий строение разнообразных жидких кристаллов (в том числе и самых модных), многочисленные эффекты
      их взаимодействия с внешними полями, а также приложения к технике и биологии.
      Надеемся, что наш труд не окажется бесполезным и книжка привлечет кого-то из молодежи к новой захватывающей области науки, какой является физика жидких кристаллов.
      Авторы выражают благодарность Ю. F. Магаковой и Ч И. Гориной за содействие при изготовлении цветных фотографий, а также J1. А. Авдеевой за помощь при изготовлении рисунков.
      С. А. Пикин, Л. М. Блинов
     
      ИЗ ПРОШЛОГО В БУДУЩЕЕ
      Жидким кристаллам не повезло. Хотя их открытие совпало с моментом, когда закладывался фундамент здания современной физики, но только сейчас, приподнимая это здание за угол, пытаются поставить жидкие кристаллы на свое законное место. А место им — именно в фундаменте. Ведь за всю историю, с глубокой древности до наших дней, человеку не удавалось выйти за пределы трех понятий, описывающих, как казалось, все состояния материи: газ, жидкость, твердое тело.
      Человеку по своей природе трудно разглядеть внутренние противоречия в том или ином понятии. Ему гораздо легче принять решение типа «или то, или другое», чем «и то, и это». Заслуга великого немецкого философа Гегеля заключалась как раз в том, что он усмотрел главный принцип развития в единстве и борьбе противоположных начал. Но и спустя столетие человек с большим трудом признал, что электрон — это частица и волна одновременно, что масса и энергия едины, что свойства кристалла и жидкости могут совместиться в одном веществе — жидком кристалле.
      Прошло примерно двадцать лет с момента, когда в 1888 г. австрийский ботаник Ф. Рейнитцер и немецкий кристаллограф Ф. Леман описали необычные свойства жидких кристаллов *), прежде чем ученые начали осознавать, что открыто новое, четвертое состояние вещества. Действительно, вещества эти обладали текучестью, как обычные жидкости, и в то же время их оптические свойства были поразительно похожи на свойства кристаллов. Оказалось, что порядок расположения атомов, характерный для кристаллов, может быть не полным и что вообще может быть несколько разных видов порядка (например, один порядок в ориентации молекул, а другой — в расположении их центров масс).
      *) История открытия жидких кристаллов увлекательно рассказана в книге А. С. Сонина. Кентавры природы.— М.: Атомиздат, 1980
      А это означает, что может быть даже и не один, а несколько типов промежуточных состояний. Теперь, наверное, никто не удивится, если будет обнаружено состояние, промежуточное между газом и жидкостью; во всяком случае к понятию «газообразной пленки» прибегают при обсуждении свойств жидких слоев вещества толщиной в одну молекулу.
      В начале нашего бурного века Д. Форлендер в университетском городке Галле (Германия) со своими тридцатью аспирантами изготовил несколько сотен новых жидких кристаллов. Уже никто не сомневается в их реальности, и физики, обычно с большим опасением относящиеся к сложным химическим соединениям, охотно берутся за их исследования.
      Ж- Фридель во Франции предлагает первую классификацию жидких кристаллов, голландец С. Озеен и чех X. Цохер создают теорию упругости, а В. К. Фредерикс и В. Н. Цветков в СССР в 30-х годах впервые исследуют их необычные электрические и оптические свойства.
      Успехи атомной физики, физики полупроводников и химии полимеров затмили на некоторое время казавшиеся скромными и академическими исследования жидких кристаллов. Вплоть до 60-х годов ими занимаются только энтузиасты-одиночки. А тем временем бурно развивается электроника. Идет процесс микроминиатюризации приборов: от электронных ламп к транзисторам, затем к интегральным схемам, и, наконец, к большим интегральным схемам (БИСам). Уменьшаются потребляемые мощности, уменьшаются источники питания. И вдруг оказывается, что есть все, кроме экономичного малогабаритного устройства, способного передать информацию от электронной схемы к человеку. Дело в том, что телевизионная трубка слишком громоздка, полупроводниковые диоды, излучающие свет, потребляют большие токи и т. д.
      И тогда вспоминают о жидких кристаллах. В США заново открывают эффекты, ранее обнаруженные В. К. Фредериксом и В. Н. Цветковым. Начинается настоящий бум.
      Вместе с появлением электронных приборов с жидкокристаллическими табло и циферблатами (часы, калькуляторы, электронные словари-переводчики, плоские телевизионные экраны и т. д.) наступил ренессанс в физике и химии жидких кристаллов. Активно исследуется их строение, во всех аспектах изучается текучесть, создаются новые вещества, в которых открывается множество необычных явлений, вызванных действием внешних сил (электрического поля, температуры и т. д.).
      Трудами ученых разных специальностей и разных стран (особенно СССР, Франции, США, Англии) наука о жидких кристаллах быстро развилась и приобрела ясные и строгие очертания, свое собственное лицо.
      И тут к длинной очереди из одного ботаника, нескольких кристаллографов, десятков химиков, сотни физиков и тысячи электронщиков подходит человек и спрашивает: «Кто последний?». Оказывается — это биолог!
      Даже в наиболее полных современных курсах биологии о жидких кристаллах не сказано ни одного слова. А тем временем в умах наиболее проницательных людей постепенно «выкристаллизовывается» идея о том, что сущность живого неразрывно связана с упорядоченным строением клеток живых организмов. Но ведь основным компонентом живого организма является вода, а упорядоченные растворы — это и есть жидкие кристаллы. И вот уже делаются попытки объяснить фундаментальные процессы, проходящие в живом организме, с помощью именно тех подходов, которые выработала физика жидких кристаллов. Избирательный перенос различных веществ через границу живой клетки — мембрану распространение возбуждения по нервным тканям, болезнь и старение клеток, а, значит, и организма в целом, механизм синтеза самовоспроизводящихся молекул — вот некоторые из биологических проблем, в решении которых могут помочь исследования жидких кристаллов. Высказываются и вполне обоснованные доводы о существенной роли жидкокристаллического состояния в эволюции жизни на Земле.
      Наше глубокое убеждение состоит в том, что как в науке о жидких кристаллах, так и в технических аспектах, связанных с их применением, мы стоим лишь в начале пути. И камень, случайно выпавший из фундамента физики, будет поставлен на свое место.