«Наука в Сибири» № 41 (2227) 22 октября 1999 г. ИССЛЕДОВАТЕЛИ КРИСТАЛЛОВ ЖИЗНИ Ю. Машуков, собкор "НВС." На прошедшую в Красноярске конференцию молодых ученых выпускники КГУ В.Пресняков и А.Шабанов представили работу по исследованию жидкокристаллических композитов и заняли одно из призовых мест. Первый из них -- стипендиат фонда Президента России, второй -- Краевого фонда науки. Об истории открытия жидких кристаллов и сути работы молодых ученых -- "Переходы Фредерикса в биполярных каплях нематика" -- рассказывается в публикуемой ниже статье. Исполнилось более ста лет со дня открытия жидких кристаллов. Такое необычное и даже парадоксальное с точки зрения физики сочетание свойств этих объектов явилось причиной того, что история открытия и исследований жидких кристаллов полна удивительных коллизий и драматизма. Сегодня трудно встретить человека, который бы не пользовался удивительными свойствами жидких кристаллов. Это электронные часы, калькуляторы, пейджеры, ноутбуки и множество других видов бытовой и профессиональной техники, где есть дисплеи, индикаторы, модуляторы света, оптические затворы и прочие устройства отображения и обработки оптической информации. Все они на жидких кристаллах. Но еще два-три десятилетия назад большинство людей не имело о жидких кристаллах никакого представления. Это говорит о том, что жидкие кристаллы долгое время были лишь экзотикой, не имевшей применения. Сама история открытия жидких кристаллов начинается с чешского химика Ф.Рейнитцера и немецкого физика О.Лемана, которые в 1888 году обратили внимание на необычное состояние органических веществ -- производных холестерина. У кристаллов холестерилбензоата и холестерилацетата было две точки плавления и, соответственно, два разных жидких состояния -- мутное и прозрачное. В дальнейшем все последующие исследования проводил О.Леман, и он впервые стал употреблять термин "жидкие кристаллы". К этому времени было определено главное свойство, связывающее их с твердыми кристаллами. Это анизотропия -- зависимость свойств кристалла от направления. В частности, вследствие оптической анизотропии жидкие кристаллы являются двулучепреломляющей средой. Анизотропными также являются теплопроводность, электропроводность и другие свойства жидких кристаллов. Открытие жидких кристаллов поначалу не произвело сенсации в научном мире. Жидкие кристаллы не укладывались в хорошо устоявшуюся классификацию в физике, делящей все тела на жидкие, твердые и газообразные. Усугубило положение неудачное алогичное название. С этого момента против открытия стали выступать многие видные ученые, как физики, так и химики. Возникали целые теории и научные школы, которые относили жидкие кристаллы то к коллоидным растворам, то к эмульсиям. Борьбе за свое открытие посвятил всю оставшуюся жизнь О.Леман. Однако невосприятие и непризнание жидких кристаллов, как реальности, не останавливало других ученых от исследований в этой сфере. Число открываемых жидких кристаллов очень быстро увеличивалось. После первой мировой войны их было открыто уже более тысячи. Количество открываемых жидких кристаллов способствовало углублению понимания их физической сути. Начались попытки создания теории жидких кристаллов. В 1921 году шведский физик К.Озеен предложил континуальную теорию жидких кристаллов. Она оказалась очень удачной. Можно сказать, что Озеен заложил фундамент современной физики жидких кристаллов, достаточно точно и полно описывающий этот феномен. В дальнейшей разработке теории жидких кристаллов сыграли большую роль немецкие ученые. Л.Орнштейн разработал теорию роев, а Г.Цохер развил свою теорию континуума. Теория Цохера оказалась способной объяснить практически любые явления в жидких кристаллах. Со временем, конечно, она совершенствовалась, но основы ее были заложены в физически ясных, простых работах Г.Цохера. Одной из самых заметных фигур, внесших существенный вклад в исследования жидких кристаллов в России, стал физик, профессор В.Фредерикс, родившийся в Польше, выросший в Нижнем Новгороде, получивший образование в Швейцарии, работавший долгое время в Германии. В начале 20-х годов он возвращается в Петербург, где начинает работать в Физико-техническом институте под руководством А.Иоффе. Здесь он стал заниматься изучением анизотропных жидкостей в магнитном поле. В своей первой работе ему теоретически и экспериментально удалось доказать, что ориентация нематиков в магнитном поле происходит вследствие их диамагнитной анизотропии и носит пороговый характер по отношению к напряженности магнитного поля. Эта работа стала классической. Она оказала большое влияние на все последующее развитие физики жидких кристаллов. Признанием пионерного характера этих исследований явился тот факт, что впоследствии в науке процессы переориентации жидких кристаллов в магнитном и электрическом поле стали называть переходами Фредерикса. В практическом плане пороговый характер переориентации означал, что при некотором критическом значении подаваемого напряжения все молекулы одновременно совершают свой поворот, переводя пленку жидкого кристалла из непрозрачного состояния в прозрачное. Этот эффект лег в основу конструкций устройств отображения информации. Смысл конструирования сводится к тому, что если управляющее поле имеет конфигурацию цифры, буквы или других знаков, то при включении поля жидкокристаллическое устройство отобразит соответствующий знак. Судьба самого В.Фредерикса оказалась трагической. В сентябре 1936 года он был репрессирован и отправлен в ссылку, где пробыл до 1943 года. Хлопоты по его освобождению, в которых принимали участие И.Курчатов и Д.Шостакович, привели к успеху. Он был освобожден, но по пути домой скончался и был похоронен в городе своей юности -- Нижнем Новгороде. После ареста Фредерикса жидкими кристаллами в Ленинградском университете продолжал заниматься только В.Цветков. Работы Цветкова, выполненные им вместе с сотрудниками, заложили основу новой ленинградской школы физики жидких кристаллов. Окончательно она сформировалась в послевоенные годы и продолжает существовать по сей день. Ленинградская школа физики жидких кристаллов была первой, но не единственной в стране. Вскоре стали появляться специалисты по исследованию жидких кристаллов в Москве, Киеве, Харькове, Новосибирске и других городах. Возникла научная школа и в Красноярске. Это и не удивительно, так как жидкие кристаллы вступили в эпоху массового использования. В конце 80-х годов начался промышленный бум их применения. Они оказались вне конкуренции в сравнении со всеми другими аналогичными средствами из-за своей малогабаритности, малой энергоемкости, технологичности и экономичности. Немалую роль в их повсеместном использовании сыграл тот факт, что научный задел в их изучении за почти вековую историю оказался весьма глубоким и полезным для промышленности. Устройства отображения информации на жидких кристаллах стали главным конкурентом громоздких электронно-вакуумных трубок в телевидении и компьютерной технике. Но, если в последней сфере они твердо заняли свою нишу, то в телевидении их преимущества менее бесспорны. Это обусловлено тем, что скорость переориентации молекул жидких кристаллов (их быстродействие) недостаточно высока для телевизионных стандартов. В 80-х годах были разработаны новые электрооптические материалы, так называемые жидкокристаллические композиты, представляющие собой тонкие полимерные пленки с диспергированными в них каплями жидких кристаллов. Иногда их называют капсулированными жидкими кристаллами. Размеры капель жидких кристаллов достигают нескольких микрон. Такие структуры сочетают в себе лучшие качества жидких кристаллов и гибкость полимерных пленок. Использование данных композитных материалов открывает перспективу изготовления нового поколения быстродействующих дисплеев, а в будущем и сворачивающихся в трубку телевизионных экранов. Красноярская школа физики жидких кристаллов зародилась в лаборатории молекулярной спектроскопии, существующей в Институте физики Сибирского отделения Академии наук с 1957 года. Возглавляет ее член-корреспондент РАН В.Шабанов. Увлекшись в конце 80-х годов идеей создания быстродействующих оптоэлектронных устройств на основе жидких кристаллов, красноярская группа физиков занялась исследованиями новых композитов. В 1991 году этой группой были проведены пионерные работы по созданию и исследованию сегнетоэлектрических жидкокристаллических композитов -- за школой остался приоритет в научном мире. Активизация работ совпала по времени с крупномасштабным кризисом в России. Резко сократилось финансирование в науке, начался отток кадров, свернулось материально-техническое снабжение. Все это не способствовало развитию работ. Поэтому ставка была сделана на энтузиазм и способности привлекаемых к работе студентов. Новым пополнением группы стали выпускники физфака Красноярского госуниверситета В.Пресняков, А.Баранник, А.Шабанов, которые под руководством кандидата наук В.Зырянова продолжали учебу и исследования. Результаты работы молодых ученых высоко оцениваются в научном сообществе, они являются стипендиатами краевого фонда науки, а В.Пресняков -- фонда Президента России. Одна из последних работ была представлена В.Пресняковым и А.Шабановым на конференции молодых ученых Красноярского научного центра, где они заняли призовое место. Работа называлась "Переходы Фредерикса в биполярных каплях нематика". Путь в науке этих молодых ученых был разным, но увлекательным. В.Пресняков родился в далеком саянском селе Ермаковское. Приобщение к тайнам науки для него началось, осознанно или случайно, через заочные летние научные школы. Первый раз он получил приглашение в летнюю физико-математическую школу по естественным наукам еще учеником 8-го класса, решившим все присланные задания. То же повторилось и на следующий год. Под впечатлением летних школ он поступил на физический факультет университета, где и определилась его дальнейшая научная специализация по физике жидких кристаллов. Закончив в 1994 году университет, В.Пресняков остался в аспирантуре, где специализировался по экспериментальной части исследований. Его коллега А.Шабанов является представителем семейной профессии физиков. Приобщаться к научным представлениям он стал с 6-го класса в научном обществе учащихся -- "Школьном лесничестве", весьма популярном в те годы в красноярском Академгородке. Сменив несколько увлечений, он остановил свой выбор на физике и, закончив физический факультет, стал специализироваться в аспирантуре по теоретической части исследований жидких кристаллов. Переходы Фредерикса (процессы переориентации жидких кристаллов в электрических полях) изучались на примере нематического жидкого кристалла 5ЦБ, диспергированного в поливинилбутирале. Нематики, как было отмечено, имеют стержнеобразную форму молекул, наблюдать за переориентацией которых удобно через поляризовационный микроскоп, а при необходимости производить микрофотографирование или видеозапись. Образец тонкой полимерной пленки помещался для исследований между двумя стеклянными подложками с прозрачными электродами на внутренних сторонах. Исследование проводилось комплексно. По теоретически рассчитанным параметрам осуществлялась проверка результатов. Схема исследований позволяла варьировать напряженность электрического поля, толщину композита и технологию его приготовления. Одним из главных результатов исследований стало то, что в наблюдаемом композите модель пороговой переориентации Фредерикса не реализуется в чистом виде. Согласно модели перехода Фредерикса, в каплях жидких кристаллов только при достижении некоторого критического напряжения должен происходить одновременный поворот всех молекул, как единого целого. В исследуемом же композите пороговая переориентация происходит лишь там, где длинные оси молекул перпендикулярны направлению напряженности поля, а в остальных частях объема капли происходит беспороговая переориентация. Вывод исследователей гласит: в ряде композитных материалов переориентация носит двойственный характер -- пороговый в одной части и беспороговый в другой. Далее в эксперименте были обнаружены особенности пропускания света композитной пленкой под действием приложенного напряжения. В классическом варианте характеристики светопропускания имеют S-образный вид. В результате работ красноярцев обнаружен явно выраженный осциллирующий характер данных зависимостей. Эффект имеет чисто интерференционную природу. Теоретически удалось рассчитать эти явления, получить численные данные и сопоставить их с экспериментальными. Результаты хорошо согласуются. Все расчеты и эксперименты производились для достаточно крупных капель размером 10-30 микрон. Но для более тонких образцов (1-3 микрона) интерференционные эффекты не наблюдаются. Сложение их в несколько слоев (по типу "сэндвича") также не дает интерференции и сглаживает экстремумы (минимумы и максимумы). Результатом работ стало не только получение фундаментальных характеристик композита, но также и важного прикладного вывода: был предложен способ улучшения контрастности материала. Под контрастностью жидких кристаллов понимается соотношение их оптических характеристик (например, светопропускания) во включенном и выключенном состоянии. Варьируя толщину пленки или размер капель жидкого кристалла, можно значительно улучшить характеристики контрастности. А это имеет определяющее значение для качества изображения. Но работа в области приложений -- это совершенно другая сфера деятельности. Она требует знаний конструкторов, технологов, маркетологов и многих других специалистов, занимающихся производством и рынком сбыта новых видов товаров и услуг. А молодые ученые В.Пресняков и А.Шабанов вместе со своими коллегами А.Баранником, С.Сморгоном и научным руководителем В.Зыряновым занимаются фундаментальными исследованиями. У них в заделе уникальные схемы эксперимента, теоретические разработки, публикации в отечественной и зарубежной прессе, доклады на конференциях разных уровней, связи со специалистами из многих стран, работающими в этой области. Представляется, что настоящий бум жидких кристаллов еще только начинается. Уже давно наука обратила особое внимание на то, что самая высокоорганизованная биологическая материя имеет много общего с жидкими кристаллами. Клеточная мембрана, например, имеет жидкокристаллическую природу. Можно сказать, что человек в целом состоит из жидких кристаллов. И поэтому нас в какой-то мере тоже можно называть живыми кристаллами. г. Красноярск. На снимках: -- В.Пресняков -- стипендиат фонда Президента России. -- Настоящий бум жидких кристаллов еще только начинается. стр.