КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2014, том 59, № 6, с. 916-928
ОБЗОРЫ
Посвящается Международному году кристаллографии
КРИСТАЛЛЫ В ИНСТИТУТЕ КРИСТАЛЛОГРАФИИ
© 2014 г. С. А. Пикин
Институт кристаллографии РАН, Москва E-mail: pikin@ns.crys.ras.ru Поступила в редакцию 30.05.2014 г.
Приведен краткий очерк об истории исследований жидких кристаллов в Институте кристаллографии имени А.В. Шубникова. Приведены научные результаты сотрудников Института, начиная с шестидесятых годов прошлого века, которые привели к образованию новой области науки — физике жидких кристаллов. В частности, показано, как в 70-е гг. была развита физика электрогидродинамических неустойчивостей. Продемонстрировано зарождение физики фотонных кристаллов. Рассказано, как были обнаружены сегнетоэлектрические свойства ультратонких пленок полярных макромолекул. Описан мощный рывок молекулярной теории сегнетоэлектричества в жидких кристаллах разных типов в новом веке. Дана оценка всего богатства жидкокристаллических фаз и происходящих в них процессов. Участие ИК РАН в становлении науки о жидких кристаллах показывает, что научный путь пройден достойно, и он открывает перспективы новых исследований в этой области.
DOI: 10.7868/S0023476114060228
УДК 537.9
ЖИДКИЕ
ОГЛАВЛЕНИЕ
1. Начало
2. Первые итоги
3. Зарождение физики фотонных кристаллов
4. Ультратонкие пленки сегнетоэлектриков
5. Молекулярная теория сегнетоэлектричества в XXI веке
6. Многообразие жидкокристаллических состояний
1. НАЧАЛО
В Международный год кристаллографии уместно вспомнить научные результаты сотрудников Института кристаллографии (ИК РАН), которые способствовали становлению и развитию новой области науки — физики жидких кристаллов (ЖК).
Сегодня спектр приложений ЖК огромен, никого не удивишь многообразием дисплеев на ЖК повсюду: от бытовой техники до военных применений. А начиналось все в 60-е гг. Энтузиастами были несколько сотрудников. Тогда по предложению академика А.В. Шубникова, хранившего несколько ЖК, купленных в аптеке еще до революции, А.П. Капустин первым в Москве начал исследовать влияние ультразвука на ЖК. Н.М. Меланхолин первым обнаружил образование ЖК у красителей, обладающих плоскими молекулами, тогда как до тех пор образование ЖК наблюдалось главным образом у веществ с удлиненными молекулами. Работа получила высокую оценку Ученого совета Института, а снятый Ме-
ланхолиным фильм на эту тему был рекомендован для показа на юбилейной сессии Фёдоровского общества в 1962 г.
Мир ЖК таил много загадок, отгадать которые предстояло ученым разных стран. В то время был весьма популярен так называемый электрогидродинамический (ЭГД) эффект, работа первых дисплеев была основана на нем. Он зависит от анизотропии электрической проводимости и течения ЖК и заключается в образовании под действием электрического поля периодических доменов с изменяющейся ориентацией удлиненных молекул п (директора, направления п и —п эквивалентны). А.П. Капустиным такие домены были открыты в нематических ЖК (НЖК) в 1961 г. и называются теперь доменами Капустина—Вильямса [1]. В 60-х гг. он вместе с Л.К. Вистинем обнаружил домены и исследовал модуляцию света в смектических ЖК (СЖК). В мире эти работы стали первыми в области ЖК.
Одним из пионеров в исследовании ЖК не только в отечественной, но и мировой науке являлся И.Г. Чистяков [2, 3]. Фактически в одиночку он нашел образцы ЖК и экспериментировал с ними, обнаруживая все новые противоречия с существовавшими тогда представлениями о ЖК. Он делится своими сомнениями с А.В. Шубнико-вым и получает от него приглашение приехать в ИК АН СССР, где поступает в аспирантуру под руководством А.В. Шубникова и Б.К. Вайнштей-на. Благодаря этому появились методы структурного анализа ЖК и были расшифрованы структуры многих ЖК-фаз [4]. В 1963 г. Б.К. Вайнштейн и И.Г. Чистяков рассчитали наиболее вероятное
ди7
ди7
г <0 У Р<>0 д^ "-дт>0
) и7 дх у — > 0 дх д х
I I ^
Рсг > 0
-V-
Рсг < 0
мм*
д^< ° д2и7 дх < ° -- > Ь7 > 0
(б)
>0
Рис. 1. ЭГД-модулированная структура в планарной ситуации (директор параллелен подложке в отсутствие поля): а — эксперимент, б — теория. Показаны распределения ориентации 0, скорости V, плотности сторонних зарядов рст, вращающего момента вязких сил Г^, упругих сил Нг.
расположение молекул в образце, обнаружили их антипараллельную укладку и их наклон в смекти-ческих слоях. Совместно с Вайнштейном Чистяков создает базу для изучения структуры и свойств этих удивительных объектов. Чистяков становится признанным лидером в данной области науки. К сожалению, болезнь помешала ему и дальше осуществлять это лидерство. В дальнейшем рентгеноструктурные исследования ЖК продолжил Б.И. Островский, в частности с использованием синхротронного излучения для исследования фазовых переходов в тончайших молекулярных системах, в том числе для изучения переходов смектик—гексатик (упорядочение ори-ентаций связей), структуры и флуктуаций смек-тических мембран.
Тем временем ЭГД-эффект, вызывавший в то время прикладной интерес, таил много вопросов, на которые необходимо было ответить. В 70-е гг. Л.К. Вистинь открыл возникновение в НЖК другой модулированной структуры под действием однородного электрического поля (домены Ви-стиня) [5]. Одно время думали, что ЭГД-явление, как и необъяснимые «домены Вистиня», есть
проявление сегнетоэлектрических свойств. Понадобились всеобъемлющие экспериментальные исследования электрооптических эффектов в НЖК, которые осуществлялись в 80-е гг. под руководством и при непосредственном участии Л.М. Блинова. Блинов обобщил их в монографии "Электро- и магнитооптика жидких кристаллов" (1978, переводы в 1983 и 1993 г.), которая стала настольной книгой для всех специалистов в данной области [6]. Эти работы выполнялись в тесном содружестве лаборатории жидких кристаллов и теоретического отдела, что способствовало оперативному обмену информацией и воодушевляло их участников.
2. ПЕРВЫЕ ИТОГИ
На основе точных решений уравнений немато-динамики в 70-е гг. была построена теория ЭГД-эффекта, возникающего в НЖК в электрических полях при различной геометрии ячейки, заполненной нематиком [7] (рис. 1, 2). Она сняла все вопросы, касавшиеся доменов Капустина—Ви-льямса. В те же годы выдвинута теория образова-
е
X
г
Рис. 3. Флексоэлектрическая модулированная структура при наличии двумерной ориентационной деформации.
ния недиссипативных модулированных структур в ЖК, включая флексоэлектрическую и сегнето-электрическую структуры.
Оказалось, что флексоэлектрическая структура — это и есть "домены Вистиня", не имеющие ничего общего с ЭГД-эффектом. Было доказано, что такая структура есть следствие флексоэлек-трического эффекта [8]. Хотя и те и другие домены носят пороговый характер и существуют в виде параллельных полос, которые взаимно ортогональны, и флексодомены существуют лишь при наличии двумерной ориентационной деформации [9] (рис. 3). Специально поставленные опыты подтвердили теоретические выводы [10, 11]. М.И. Барник, Л.М. Блинов, А.М. Труфанов и Б.А. Уманский заново поставили соответствующие эксперименты, внеся в них качественно новый элемент: была специально исследована серия веществ с различными значениями диэлектрической анизотропии sa.
В соответствии с теоретическими результатами порог такого флексоэффекта зависел от знака и абсолютного значения |ea|. При этом выше порога одномерной флексоэлектрической деформации вид доменов очень напоминал одномерную решетку с дефектами, число которых росло с напряжением [10, 11] (рис. 4), как у реальной структуры НЖК [9]. Из-за наличия в свободной энергии двумерного распределения n(y) с nx ~ 1 и малыми ny и n , инварианта E(n X rotn) распределение директора
п(у) имеет хиральную структуру. Позднее выяснилось [12], что проекции директора пу и пг вращаются вокруг оси х по мере продвижения вдоль оси у. Из этой инвариантности видно, что знак поля Ег строго коррелирует со знаком хирально-сти (спирали) распределения п(у).
Сегнетоэлектрические свойства проявляются лишь у особых смектиков — хиральных С*-фаз с наклоненными молекулами. Методами теории групп была дана общая классификация многообразия ЖК-фаз и переходов между ними [13, 14]. В 80-е гг. была предложена молекулярная теория флексоэлектричества и сегнетоэлектричества в СЖК [15].
Эти результаты обобщены в монографии С.А. Пикина [16]; Пикин и М.А. Осипов вошли в число соавторов книги [17].
В 1985 г. Л.М. Блинов и С.А. Пикин стали лауреатами Государственной премии в числе авторов цикла работ "Фундаментальные исследования фоторефрактивных и жидких кристаллов для оптических систем обработки информации". Их работы послужили выяснению природы электрооптических явлений в ЖК. При этом были теоретически и экспериментально изучены электрогидродинамические неустойчивости и ориентационная турбулентность в ЖК, пьезоэлектрические и сегнетоэлектрические свойства ЖК, исследованы эффекты фазовой модуляции, переключения цветности, режимы возбуждения ЖК электрическим полем и др. В результате этих работ сложилась современная точка зрения на природу электрооптических явлений, которая позволила использовать накопленные знания для разработки элементной базы систем обработки информации — высокоэффективных пространственно-временных модуляторов света и преобразователей изображения.
Рис. 4. Вид флексоэлектрической доменной структуры при возрастающей (слева направо) напряженности электрического поля [10, 11].
Рис. 5. Спиральная структура ХЖК, ограниченная двумя стеклами (2). На нижнюю подложку нанесены металлические электроды (1) со слоем полиимида, натертым для ориентации молекул вдоль поля Е; и — источник напряжения [20].
3. ЗАРОЖДЕНИЕ ФИЗИКИ ФОТОННЫХ КРИСТАЛЛОВ
Физика ЖК бурно развивалась, предлагая все новые темы исследований. Особое внимание ввиду особенностей электрооптики и прикладного интереса было уделено поведению холестериче-ских ЖК (ХЖК) в тонких слоях вблизи ориентирующей поверхности. Эти работы возглавил С.П. Палто — ученик и соратник Л.М. Блинова. Цель — создать такой узкий слой (толщиной 2п/q, q — волновой вектор) сильно искаженной ориентации директора п(г), который
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.