Марк Медовник - Жидкости [оптимизированы иллюстрации]

Основа молекулы 4-циано-4’-пентилбифенила представляет собой два шестиугольных кольца. Этот «каркас» придает ей жесткость, но скрепляющие электроны распределены неравномерно: молекула представляет собой диполь. В ней есть области, где сосредоточен отрицательный электрический заряд, и другие, где сосредоточен заряд положительный. Положительный заряд одной молекулы притягивает к себе отрицательный заряд другой, усиливая склонность молекул образовывать упорядоченную пространственную структуру – кристалл. Но на хвосте молекулы 4-циано-4’-пентилбифенила имеется группа CH 3, при этом хвост гибкий и извивается, противодействуя образованию кристалла. Поэтому 4-циано-4’-пентилбифениловые структуры частично организованные, а частично текучие; это и есть так называемые жидкие кристаллы.

При температуре выше 35 °C влияние хвоста CH 3побеждает, и 4-циано-4’-пентилбифенил ведет себя как обычная прозрачная жидкость. Но стоит охладить ее до комнатной температуры, и она приобретает молочный вид. 4-циано-4’-пентилбифенил не твердый при этой температуре, но что-то странное с ним уже происходит. Молекулы начинают равняться друг на друга примерно так же, как рыбы в косяке. Для жидкостей такая структура очень нетипична. Одно из определяющих свойств жидкости – то, что ее атомы и молекулы слишком энергичны, чтобы оставаться на одном месте сколько-нибудь долго. Они непрерывно вращаются, колеблются и мигрируют. Жидкие кристаллы ведут себя иначе: молекулы в них динамичны и могут плавать, но сохраняют единство ориентации. Название «жидкий кристалл» происходит из аналогии между одинаковой ориентацией молекул в нем и правильным расположением атомов в настоящем кристалле.

Структурные различия между кристаллом, жидким кристаллом и жидкостью

Однако ориентация молекул в жидком кристалле не совсем одинаковая; они в жидком состоянии и постоянно движутся, меняются местами и перераспределяются между отдельными группами. При этом полярность придает жидкому кристаллу еще одно полезное свойство: его молекулы реагируют на внешнее электрическое поле. В ответ на него они все вместе меняют направление. Таким образом, включив электричество, вы можете сделать так, что целая группа молекул повернется в определенную сторону. Оказывается, это и есть ключ к технологическому успеху жидких кристаллов; вот что позволяет им работать в электронных устройствах.

Когда свет идет сквозь жидкий кристалл, в нем происходят тонкие изменения поляризации. Чтобы понять это, вспомните, что свет – волна из колеблющихся электрического и магнитного полей. Но в каком направлении они колеблются? Вверх и вниз, из стороны в сторону или вправо и влево? Солнечный свет колеблется во всех этих направлениях. Но если он отражается от гладкой поверхности, то она как бы поощряет колебания в одних направлениях и подавляет в других, в зависимости от того, как она ориентирована относительно света. В результате в отраженном свете колебания одних направлений присутствуют, а других – нет. Такой свет называется поляризованным.

Такое действие на свет производит не только отражение от поверхностей. Некоторые прозрачные материалы тоже способны менять поляризацию света; вспомним хотя бы поляризационные очки. Их линзы пропускают свет с колебаниями только одного направления. Это снижает интенсивность света, попадающего в глаза, – в результате мир кажется темнее. Особенно полезны такие очки на пляже, и не только потому, что затеняют ваши глаза. Солнечный свет, отраженный от гладкой морской поверхности, тоже поляризованный, и линзы способны блокировать его. Рыбаки пользуются такими очками, чтобы лучше видеть происходящее под водой, и фотографы с их помощью также защищают глаза от слепящего блеска.

Некоторые пауки различают поляризованный свет, и я иногда думаю, не отвечает ли это умение хоть отчасти за способность Человека-паука быстро реагировать на опасность – его «паучье чувство». На экране передо мной он только что с трудом ускользнул от доктора Осьминога при помощи необъяснимого мгновенного решения, которое позволило ему уйти от щупалец злодея. Спецэффекты в фильме поразительны, и я улыбнулся Сьюзен, забыв, что, несмотря на мой откровенный интерес к ее книге, она не отвечала мне взаимностью и не проявляла никакого интереса к моему «Человеку-пауку».

Жидкие кристаллы меняют поляризацию света – и образ Человека-паука волшебным образом появляется передо мной на экране. Когда вы подносите линзу из поляризационных очков к поверхности жидкого кристалла, свет, исходящий от него, кажется ярким, если его поляризация совпадет с поляризацией линзы, а в остальных случаях он выглядит темным. Но здесь-то и кроется фокус: если поменять структуру жидкого кристалла при помощи электрического поля, его поляризация тоже изменится. Так что одним щелчком вы можете включить – или выключить – свет. И внезапно у вас появляется устройство, способное испускать белый свет, а потом не испускать света, а потом вновь переключаться на белый, причем с той же скоростью, с какой вы сможете переключать жидкокристаллическую структуру на электронном устройстве. Вот вам и основа для черно-белого экрана.