В мире жидких кристаллов с чашкой кофе в руке

Копнув поглубже выясняется, что у жидких кристаллов есть разные какие-то названия, какие-то смектики и нематики. Самостоятельно начать знакомство с жидкими кристаллами можно с Википедии или с Химика, да и вообще в Интернете масса статей по жидким кристаллам (пример 1, пример 2). Небезынтересно в этом смысле видео-пособие для ВУЗов с Ютуба.

Начитавшись, складывается впечатление, что это какая-то скучная и изученная вещь: ну раньше моргала черная фиговина в электронных часах, а сейчас она уже цветная и перебралась из часов в мониторы… ну электричество там еще есть. И молекулы там как колбаски, вот они и крутятся — все же понятно… Нам понятно, а ученым вот — непонятно. Общей теории так до сих пор и нету. Всё приближения какие-то — «вокруг да около»… и время от времени от экспериментаторов поступают разные неожиданные результаты.

Поэтому предлагаю небольшое путешествие в мир жидких кристаллов. Посмотрим на них поближе.

Путешествие начинается, усаживайтесь поудобнее

В двух словах о предмете
Если в какой-нибудь жидкости кое-что растворить, то молекулы этого кое-чего могут расположиться не как попало, а упорядоченно, структурированно. Примерно как рыбки в воде.

И эта структура сильно подвержена слабым внешним влияниям. В этом и прелесть жидких кристаллов — это легко управляемые структуры.

Повлиять на структуру можно так же, как мужик на фото с пузырями и фонариком, который уже распугал всю рыбу. В частности:
— посветить или облучить электронами,
— крикнуть (да-да, акустика тоже влияет),
— нагреть,
— надавить пальцем,
— засунуть в постоянное электрическое или магнитное поле,
— а можно все сразу.
Всё это счастье очень зависит и от растворителя и от «рыбок». Скорость восстановления «рыбного косяка» после такого «испуга» тоже разная. А изменения структуры легко видно например по тому, как она отражает или пропускает свет. Ну и вообще у кристаллов (и жидких в том числе) много всяких интересных свойств кроме световых, они по разному могут проводить ток, могут менять упругость (вязкость), сокращаться, приобретать разность потенциалов и… могут в общем. Все это еще и вылезает в разные стороны в зависимости от направления воздействия: сбоку посветили синим светом, а сверху-вниз увеличилось сопротивление и справа-налево уменьшилась вязкость. Но заранее сказать: что именно и откуда вылезет — не очень получается. Надо экспериментировать. И как доходит дело до экспериментов, то сразу возникает вопрос: «Ну и на кой черт это богатство надо?» Эксперимент ведь денег стоит, а деньги дает тот, кому оно зачем-то надо (забесплатно можно только свой LC-монитор раскурочить). А зачем к примеру лично Вам такая хитрая «сверху-вниз пониженная» вязкость? А может проводимость «справа-налево» нужна? Вот потому, что никто пока не придумал, куда это все приспособить, поэтому ажиотажа вокруг этих удивительных жидких кристаллов и нету. А штучки эти — удивительные, и они ждут своего Кулибина. Кое-где уже дождались.

Восстановление искаженных изображений.
Нет, речь не идет о восстановлении засиженной мухами «фотографии давно минувших лет». Речь о плохой оптической линии через которую прошел свет и исказился. Оказалось, что жидкие кристаллы можно так настроить, что они будут обращать волновой фронт при отражении (я раньше не знал, что так бывает — в том самом советском обучающем фильме увидел). С помощью жидких кристаллов отправляют полученный свет обратно через искажающую оптическую линию или через похожую линию, в надежде, что луч точно повторит свой оптический путь в обратном порядке и все что исказилось по пути «сюда», распутается по пути «обратно». Вообще-то может быть полезно.

Термометр
Кладем руку на черную пленочку и через секунду убираем. Видим цветной отпечаток, который плавно исчезает. Тут смысл в том, что если менять температуру вот этому конкретному жидкому кристаллу, то он в ответ начнет менять «отраженный цвет». Только подложку надо сделать черной, на черном фоне цвет лучше видно. Минус в том, что все цветовые изменения происходят в диапазоне нескольких градусов. Для тела термометр сделать можно (на картинке такой термометр прилепили пациенту на лоб), а для улицы уже нельзя: перепад температуры слишком большой. Если налепить на автомобиль, то в принципе можно увидеть в цвете, где закручивается или турбулизируется поток воздуха (такие места, где воздух быстрее тепло забирает). А можно приклеить на кран в ванной, как автор этого видео с Ютуба, и смотреть на температуру воды.

Оптическая память
Прозрачнейший жидкий кристалл может помутнеть, если на него светануть чем-нибудь лазерным. И некоторые кристаллы сохраняют эту муть долго. А если пропустить высокочастотный ток через такую муть, то она пропадает. Вот это свойство пытаются поставить на службу человечеству в качестве запоминающего устройства.

Измеритель концентрации сахара
Оптически активные вещества способны вращать плоскости поляризации. Оптической активностью обладают различные органические соединения, имеющие в молекулах асимметрические атомы углерода: аминокислоты, углеводы, органические кислоты и др (фраза взята отсюда). На этом вращении основан метод измерения концентрации сахара в растворе. Чем больше концентрация, тем круче загнется плоскость поляризации. Метод называется поляриметрия. Активно используется в медицине, когда смотрят в баночки из под майонеза, и в химии — там тоже растворы бывают. Можно померить, не пробуя на язык, сколько ложек сахара в кофе или сладкий ли мед (кондитеры тоже поляриметрию, оказывается, используют — не лаптем щи хлебают!). Хоть раствор сахара обычно не называют в лицо жидким кристаллом, но анизотропия же вопиющая.

Оптический определитель местоположения наночастиц и неровностей поверхности
Бывают такие крупиночки, которые в оптический микроскоп не увидеть. А если такую невидимую мелюзгу поместить в жидкий кристалл, то сразу видно — ага! вон она где! Дело в том, что молекулы кристалла перестраиваются на неровностях и на частичках, получается такая красивая картинка:

Чтоб такую картинку увидеть, надо снизу подсветить поляризованным светом, а потом еще и сверху смотреть через поляроид — кристалл ничего не затемняет, он лишь кое-где поворачивает поляризацию света. Без этой поляризационной хитрости мы увидим только ровный свет. И еще, чтоб мелкую частицу «сразу увидеть», как было заявлено, надо немного наловчиться искать дисклинации (крестики на этой зебре). Кто-то пытается так разглядывать вирусы и стволовые клетки.

Оптический затвор
Это то самое, что используется в мониторах. Там тоже поворачивается плоскость поляризации, но уже со знанием дела. Инженерная мысль в этом конкретном случае просто поражает. Казалось бы — используется всего-навсего свойство ЖК-молекул выстраиваться вдоль электрического поля. Но посмотрите, что они эти инженеры сотворили: сначала наделали «бороздок» на стенке — это чтоб молекулы улеглись в бороздки. Тут уже получился поляроид, то есть такая штука поляризует свет. Потом на другой стенке наделали бороздок, но уже поперек — там молекулы соответсвенно поперек улеглись. А серединным молекулам теперь деваться особо некуда — приходится спиралью заворачиваться (они же — структура, им шататься как попало нельзя). И получилось как на картинке слева: свет поляризуется и плоскость поляризации поворачивается на 90 градусов. Эта конструкция — сама по себе замечательное инженерное решение. Вот так, за «здорово живешь», взяли -отполяризовали, да еще и повернули эту поляризацию.

А теперь если вдоль луча света создать электрическое поле, то ЖК_молекулы плюнут на эти всякие бороздки и все как один повернут носы вдоль луча — такая система свет уже и не поляризует и никакую плоскость поляризации не заворачивает.

И вот мы подобрались к принципу действия монитора: на эту штучку светят опять таки поляризованным светом, свет спокойно проходит, только плоскость поворачивает, а там на выходе его встречает шлагбаум (та самая чудо-пленка), который такую повернутую поляризацию не пускает. А если подать напряжение, то поляризацию никто не поворачивает и свет через шлагбаум проходит, поляризация ведь такая-же. Вот такая история.

Жидкокристаллические полимеры
Представьте себе длинную толстую арматурину, к которой по всей длине на леске привязаны крючки, а на этих крючках рыбки — это вольная модель жидкокристаллического полимера. Арматурина — это полимерная мегамолекула, а «рыбки на леске» — элементы жидкого кристалла, они имеют некоторую свободу, но далеко от арматурины не уплывают. Хорошо это тем, что можно сначала сориентировать «рыбный косяк» как нам надо, а потом заморозить все море (вместе с аквалангистами) и построенная структура останется навеки с нами. Так и делается: разогревается, прикладывается электрическое поле или свет, и охлаждается. Можно получать разные картинки в полимерной пленке наподобие голографических, только разница в том, что голографию по-новой не нарисуешь, а тут можно нарисовать, потом стереть и опять нарисовать. То есть мы снова держим в руках «оптическую память», но не мутно-прозрачную, как в прошлый раз, а уже продвинуто-разноцветную.

Еще сварганили такую полимерную пленку, которая съеживается или вспучивается от света: посветили лазером — появился бугорок (или ямка). Таких дел можно наворочать с этой пленочкой… жуть берет!

Искусственная мышца
Хорошо, когда под рукой есть мышцы, такие, как на рисунке. Но надо куда-то приспособить эластомерное свойство жидкокристаллического полимера. Дело в том, что шарик такого полимера при нагревании вытягивается в эллипс, а при остывании опять сжимается. Конечно, надо с этим что-то делать. Группа исследователей сначала создала такие шарики, а потом и придумала использовать их в качестве микроклапанов в каком то милипусечном устройстве. По ссылке рассказ про этот материал и видео, где шарик дергается в реальном времени. Выглядит эффектно. Жаль, что рабочая температура этого движения выше ста градусов — протез с такими мышцами в зимний мороз сведет судорогой. Но будем надеяться, что мышца не за горами, вот тогда прикрутят эластомерные шарики к нанороботам и побегут роботы помогать людям. Тем более, что сами авторы затеи намекают на использование таких штучек в качестве искусственной мышцы.

Нано конструктор
Свойство жидких кристаллов — самоорганизация, оказывается, может построить не только самих полицейских (молекулы жидких кристаллов), но и призвать к порядку и расположить красиво случайно оказавшихся рядом гражданских (примеси). Группа товарищей что-то насчитала на компьютере (ссылка на Nature) и у них получается, что жидкий кристалл может не только подстраиваться под окружающие дефекты и наночастицы, а и сам структурировать эти примесные частицы, упорядочивать их, короче — двигать по заранее заданному трехмерному шаблону. То есть по их компьютерным расчетам мы все имеем возможность собирать нанороботов и все такое: надо только изловчиться — настроить жидкие кристаллы. А потом все пойдет как по маслу: сыпанем туда строительного раствора, взболтаем, подогреем и оно само все сделается. Ну как-будто мы научились рыбам давать команду, чтоб стаскивали в кучу всех пойманных водолазов и чтоб лепили из этих водолазов мега-робота. Что-то типа нано-3D-принтера. Осталось только изловчиться с жидкими кристаллами, ну и чертежами роботов запастись.

Кстати, двигать наночастички уже начали по настоящему, не на компьютере. Если мы поместим частичку в ЖК и начнем крутить по всякому электрическое поле, то в микроскоп увидим вот такое:

Саму частицу не видно, но видно шлейф и дисклинацию (точечка, из которой выходят черно-белые рукава). Дабы не вводить читателя в уверенное заблуждение следует оговориться, что дисклинация вообще-то не означает, что там частица. Вообще-то, такой рисунок может быть и без частицы. Но в данном конкретном видео частица есть. И молекулы жидкого кристалла, поворачиваясь вслед за изменяемым вручную электрическим полем, толкают частичку носами, как дельфины мячик. Частичка двигается управляемо — она в нашей власти! Скоро! Скоро подоспеет нано-сборка. Одни будут нано-пистолеты печатать, другие — нано-компьютеры, а третьи… что бы им попечатать-то такого-этакого?

Генерация второй гармоники
На изображении слева, частота колебания груди ровно в два раза больше частоты прыжков. Вопрос: «откуда вторая гармоника?» — означает, что нам интересно, почему когда мы снаружи возмущаем систему с некоторой частотой, она начинает дергаться с удвоенной частотой. Короче, это снова одно из удивительных свойств жидкого кристалла, которое наблюдали еще до Потопа. Пример научной статьи на тему: 1982 год «Письма в ЖЭТФ». Вот в чем тут дело: светят на жидкий кристалл например красным лазерным светом, а из кристалла с другой стороны высвечивается не только красный, но и синий! Казалось бы — что такого?! Ну берет кристалл и перекрашивает лазерный свет. Ну да, удваивает частоту — всасывает одну волну, потом генерирует вторую гармонику (удвоенную частоту) и выплевывает. И что? Оказывается, что во-первых, не очень понятно — как он так делает (спорят до пены). А во-вторых, сейчас уже от жидких кристаллов добились того, что красный свет всасывается полностью, и полностью выплевывает синий — а раньше только частично всасывалось (КПД 100%).

Красный и синий — это конечно интересно и наглядно, но когда речь заходит о терагерцовом излучении, то очень оживляются разные службы безопасности и всякие шпионы — чтоб в карман честным людям на расстоянии и без рук заглядывать. А еще тротил имеет в спектре поглощения терагерцовые линии — шахиды в толпе «светятся как лампочки» (в терагерцовом диапазоне). И поэтому службы безопасности маются вопросом: как бы им так изловчиться и увидеть терагерцы? Приборчики конечно уже есть, но мутноватая там картинка пока-что. Медицина тоже интересуется — опухоли и больные зубы изнутри разглядывать удобно, поэтому тянет ручки к дифракционной томографии. Об этом можно посмотреть слайды от МГУ.

И это не всё. Кроме терагерцев есть еще инфракрасное излучение, которое кое-кому хочется сделать видимым. Вообще, удвоить частоту волны, когда захочешь — это круто. А тут жидкие кристаллы как раз кстати. Правда пока, то что нужно — не удваивают. Но «будем посмотреть».

Организмы
Начиная просвещаться по вопросу о роли жидких кристаллов в организмах, сразу же берет оторопь — там, где в организме хоть чуть-чуть жидкости (а это везде), там сразу же в ней плавают длинные органические молекулы: всякие кислоты, белки и липиды. А это как-бы намекает, что в организме везде жидкие кристаллы. То есть, человек — это такой жидкий кристалл.

Взять хотя бы оболочку живой клетки — липидную мембрану. Если найти где-нибудь горсточку липидов и бросить в воду, то они сами, без посторонней помощи, выстроятся в двухслойную мембрану и мембрана свернется в полый шарик. И такой шарик внутрь пропускает только «полезное», а «вредное» — не пускает. Проницаемость у него — избирательная. По ссылке есть несколько слов и картинок о таких вот лиотропных жидких кристаллах.

Или вот — ДНК, типичнейшая молекула жидкого кристалла. Биологи очень интересуются — как это они так: то компактно упакованы, то вдруг быстренько разуплотняются. Этот интерес связан с раком, вирусами, старением и другими бедами. Хотят управлять процессом уплотнения, подсыпая в раствор разные порошки. И еще при помощи ДНК можно в принципе распознавать химию в малой концентрации: капнули маленькую капельку чего-то непонятного в ведро с ДНК (конечно не в ведро, а на тонкий слой), цвет изменился — значит в капельке был тот самый химикат, от которого жидкий кристалл колбасит.

Внимание, замедляем движение
Скоро жидкие кристаллы повернутся к нам еще какой-нибудь удивительной, неожиданной гранью. Тогда Хабр запестрит новостями о чудо-материалах и о бесподобных возможностях продлевать жизнь, заглядывать за угол или писать программы со скоростью света. Кстати, не все известные возможности жидких кристаллов в настоящее время востребованы — можно же самому что-нибудь придумать этакое и осчастливить человечество. На этом наше путешествие подошло к концу. Лично мне понравилось.

Заключение

Жидкими кристаллами я никогда не занимался, но если Вам статья пришлась по душе, то обозначить респект можно деньгами (яндекс-кошелек: 410011889091372) — тогда я и сам обрадуюсь и девушку в кино свожу и если останется, то тоже интересную статью простимулирую.

Список литературы для начинающих

Библиотечка Квант, вып. 20, М. 1982
Чистяков И Г «Жидкие кристаллы» УФН 89 563–602 (1966)
П.Де Жен, Физика жидких кристаллов, М. 1977.
С.Чандрасекар, Жидкие кристаллы, М. 1980.
Е.И.Кац и В.И.Лебедев, Динамика жидких кристаллов, М. 1989.