Способы управления оптической осью
Лабораторная работа О18
ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
НЕМАТИЧЕСКИХ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ
Цель работы: 1. Изучить особенности строения жидких кристаллов (ЖК).
2. Измерить зависимость интенсивности проходящего через жидкокристаллическую ячейку (ЖКЯ) светового пучка от подаваемого на нее напряжения.
3. Из полученной зависимости определить Uпор и Uмакс.
Приборы и принадлежности: 1. Установка для изучения электрооптических свойств ЖК.
Теоретическое введение
До открытия жидких кристаллов считалось, что любое вещество может существовать в одной из трех фаз: газ, жидкость, твердое тело (обычно кристаллы). Любая жидкость существенным образом отличалась от кристаллов. Она обладает текучестью, вследствие чего принимает форму сосуда, ее содержащего. И самое главное – любая жидкость изотропна, т.е. ее свойства не зависят от направления распространения световой волны и ориентации плоскости поляризации ( мы будем говорить только об оптической анизотропии), даже если она состоит из анизотропных молекул. Это обусловлено тем, что вследствие теплового движения молекулы непрерывно двигаются, хаотически меняя свое положение и ориентацию в пространстве. Т.е. в любом элементарном объеме жидкости отсутствует какая-либо упорядоченность в положениях молекул и их пространственных ориентациях. Энергии межмолекулярного взаимодействия достаточно лишь для того, чтобы молекулы не разлетались. Но ее недостаточно для преодоления хаоса, возникающего вследствие теплового движения.
|
|
|
Понизим температуру жидкости, тем самым уменьшим энергию теплового движения. Теперь начинают преобладать силы межмолекулярного взаимодействия. Вещество приобретает твердость. Эти силы приводят к возникновению упорядоченности в местоположениях молекул независимо от их формы (возникает кристаллическая решетка) и в их пространственной ориентации (молекулы перестают кувыркаться, как это было в газе и жидкости). Итак, отличительной особенностью любого кристалла является наличие кристаллической решетки, что является признаком упорядоченности в положениях молекул, и упорядоченность в их пространственной ориентации. Эти упорядоченности и являются причиной анизотропных свойств кристаллов. Теперь смещение зарядов в молекуле, ее поляризуемость, а, следовательно, и показатель преломления и фазовая скорость световой волны зависят от ее направления и ориентации плоскости поляризации.
Казалось, что вещество может при определенных условиях существовать либо в жидком состоянии, когда оно изотропно, либо в кристаллическом, когда оно анизотропно. Однако в 1888 г. австрийский ботаник Ф. Рейнитцер и немецкий кристаллограф Ф. Леман описали необычные свойства некоторых органических веществ. которые обладали текучестью, как обычные жидкости, и в то же время их оптические свойства были поразительно похожи на свойства кристаллов. Они назвали их жидкими кристаллами. позже было выяснено, что при плавлении некоторых кристаллических органических веществ образуется некая новая фаза, промежуточная между истинно твердой (кристаллической) и истинно жидкой, фаза, свойства которой сочетают как свойства кристаллов (анизотропию), так и свойства жидкости (текучесть). Поэтому сейчас часто жидкокристаллическое состояние вещества называют мезоморфным (если речь идет о фазе – мезофаза). Греческое слово мезос – промежуточный.
|
|
|
Вскоре было обнаружено много других веществ, которые при нагревании образовывали мезофазу в некотором температурном интервале. Такие жидкие кристаллы назвали термотропными. Обнаружили также и вещества, которые переходят в мезоморфное состояние при их растворении. Например, при растворении олеата калия в смеси воды и спирта. Такие жидкие кристаллы весьма многочисленны. Они входят в состав мышечных тканей, нервов, мембран и играют большую роль в жизненных процессах. Эта группа жидких кристаллов называется лиотропными (от греческого лио – растворяю).
|
|
|
Почему же некоторые вещества могут образовывать мезофазу, а другие – нет? Оказывается, что все дело в форме молекул. Как показали исследования, существуют вещества, молекулы которых либо сильно вытянуты и имеют стержнеобразную форму. либо плоские в виде дисков (рис. 1).
 |
Степень несферичности молекул можно характеризовать вектором 
, который в случае а) параллелен длинной оси молекулы, а в случае б) перпендикулярен плоскости молекулы.
Переведем вещество, имеющее, например, стержнеобразную форму молекул (именно такие используются в нашей работе) путем нагревания в жидкое состояние. Тем самым за счет энергии теплового движения мы разрушим кристаллическую решетку, а, следовательно, упорядоченность в пространственном расположении молекул. Но стержнеобразная форма молекул приведет к тому, что энергетически выгодным будет такое их расположение, когда их длинные оси будут ориентированы вдоль одного направления.
Таким образом, силы межмолекулярного взаимодействия приводят к появлению упорядоченности направлений ориентации молекул, и жидкость приобретет анизотропные свойства. Это и есть мезофаза. Единичный вектор 
, указывающий направление преимущественной ориентации векторов 
(в данном случае длинных осей) называется директором. Если и дальше нагревать жидкость, то за счет усиливающегося теплового движения этот порядок в направлениях молекул разрушится, и мы получим обычную изотропную жидкость с ее хаосом в местоположениях и ориентациях молекул.
|
|
|
Жидкие кристаллы обычно делят на нематические и смектические. В свою очередь нематические жидкие кристаллы разделяют на собственно нематическиеи холестерические.
В собственно нематических жидких кристаллах – нематиках – центры масс молекул расположены в пространстве хаотично (рис. 2) все молекулы расположены приблизительно параллельно, дальний порядок наблюдается только по отношению к их ориентации.
 |
Холестерическая мезофазаможет быть представлена как нематик, разбитый на отдельные слои (рис. 3). Центры масс молекул лежат в слоях без какого-либо упорядочения. В каждом слое директор лежит в плоскости слоя. Но при переходе от одного слоя к следующему он поворачивается на небольшой угол. В целом образуется структура со спиральным упорядочением.
Наиболее упорядоченными являются смектические жидкие кристаллы. Они представляют собой как бы совокупность двумерных кристаллов. Центры масс молекул располагаются в слоях либо упорядоченно, либо нет (бывают и такие. и такие кристаллы). Но директор 
каждого слоя уже не лежит в плоскости слоя, а образует с ним некоторый угол (очень часто 90о) (рис. 4)
 |
Способы управления оптической осью
Итак, упорядоченность направлений молекул нематика приводит к тому, что в нем появляется оптическая ось, т.е. направление, при распространении вдоль которого показатель преломления, а, следовательно, и скорость света не зависят от ориентации плоскости поляризации световой волны. В отличие от твердых кристаллов, в жидких кристаллах можно довольно легко управлять направлением оптической оси с помощью внешних воздействий.
Если не принимать специальных мер, нематик как бы разбивается на отдельные осколки или зернышки. Ориентация отдельного зерна при этом довольно случайная. Ведь у нас пока нет никаких оснований считать то или иное направление в нематике избранным. Это и способствует своеобразной анархии среди зерен (но не среди молекул в зерне).
 |
Самый простой и надежный способ ориентировать все молекулы нематика состоит в полировке стеклянных пластинок, между которыми будет находиться нематик. Для этого можно несильно потереть стекло лоскутком ткани вдоль одного избранного направления. В этом случае не стекле образуются не видимые глазом бороздки, параллельные между собой. Зерна нематика, ближайшие к поверхности стекла, взаимодействуют с ним посредством притяжения. Их сцепление с твердой поверхностью наибольшее, если они укладываются в бороздке параллельно направлению полировки. Таким образом, огромное количество зерен, находящихся непосредственно на стекле, как бы замораживаются на нем, причем оси всех молекул во всех зернах будут иметь одно направление – вдоль бороздок (рис. 5). Последующие тонкие слои зерен по своей ориентации подстраиваются к предыдущим, и так происходит по всей толщине нематика (если она не превышает 0,1 мм). Слой нематика между двумя стеклянными пластинами, у которых направления полировки совпадают, становится похожим на кристаллическую пластинку, вырезанную параллельно оптической оси.
Теперь рассмотрим, как можно управлять оптической осью с помощью электрического поля. Пусть в молекуле нематика диполь легко возникает вдоль длинной оси и с трудом – вдоль короткой. Это означает, что электронное облако легко смещается относительно положительного ядра вдоль молекулы и с большим трудом – поперек нее. Тогда вращательный момент, возникающий при включении электрического поля, будет ориентировать молекулы так, чтобы их длинные оси были параллельны полю. Точно так же повороты индивидуальных молекул происходят и в обычной жидкости. Но эффект от них невелик, и для их реализации необходимы очень большие электрические поля (эффект Керра). В нематике все молекулы, взаимодействуя между собой, ориентируются одинаково. Поэтому, образно говоря, достаточно толкнуть одну из них, чтобы другие, как костяшки домино, повернулись вслед за первой. Здесь и кроется причина того, что для осуществления поворота именно оптической оси требуются небольшие усилия, в том числе и не очень сильное электрическое поле. В этом и заключается суть так называемого эффекта Фредерикса.
Таким образом, на молекулы нематика, расположенные между одинаково полированными стеклянными пластинками, на которые нанесены прозрачные электроды, с одной стороны, действуют силы взаимодействия с поверхностями стекла, стремящиеся уложить молекулы так, чтобы их длинные оси были параллельны этим поверхностям; с другой стороны, при включении поля появляется крутящий момент, стремящийся ориентировать их длинные оси перпендикулярно пластинам. Фактически отклонение оптической оси в слое нематика начинается тогда, когда крутящий момент электрических сил станет равен или больше возвращающего момента упругих сил. Это приводит к существованию порога поля (или разности потенциалов на электродах Uпор), выше которого оптической осью уже нетрудно управлять. С увеличением поля повороты оптических осей становятся все больше, и, наконец, при каком-то Uмакс достигает 90о почти во всем нематике, за исключением тонкого приповерхностного слоя, где молекулы прилипли к стеклу. Наша жидкокристаллическая ячейка становится похожей на кристаллическую пластинку, вырезанную перпендикулярно оптической оси.
Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 214; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!