Жи́дкие криста́ллы (сокращённо ЖК; ) — это фазовое состояние, в которое переходят некоторые вещества при определённых условиях (температура, давление, концентрация в растворе). Жидкие кристаллы обладают одновременно свойствами как жидкостей (текучесть), так и кристаллов (анизотропия свойств).

Физически ЖК представляют собой вязкие жидкости. Микроскопически ЖК состоят из молекул вытянутой или дискообразной формы, ориентация которых некоторым образом упорядочена в макроскопических областях этой жидкости.

Наиболее характерным свойством ЖК является их способность изменять ориентацию молекул под воздействием электрических полей, чем обусловлено их широкое применение в промышленности.

По типу ЖК обычно разделяют на две большие группы: нематики и смектики. В свою очередь нематики подразделяются на собственно нематические и холестерические жидкие кристаллы.

История открытия жидких кристаллов Жидкие кристаллы открыл в 1888 году австрийский ботаник . Он обратил внимание, что у кристаллов холестерилбензоата и холестерилацетата наблюдалось две точки плавления и, соответственно, два разных состояния — в виде мутной и прозрачной жидкости. Само название «жидкие кристаллы» придумал Отто Леманн в 1904 году. Однако в то время учёные не обратили особого внимания на необычные свойства этих жидкостей.

Долгое время физики и химики в принципе не признавали существование жидких кристаллов, потому что это разрушало теорию о трёх состояниях вещества: твёрдом, жидком и газообразном. Учёные относили жидкие кристаллы то к коллоидным растворам, то к эмульсиям.

Научное доказательство упорядоченности внутреннего строения было предоставлено профессором университета Карлсруэ Отто Леманом после многолетних исследований, но даже после издания в 1904 году написанной им книги «Жидкие кристаллы» открытие не нашло применения.

Фундаментальный вклад в физику жидких кристаллов внёс советский учёный В. К. ФредериксРепьёва А., Фредерикс В. К теории анизотропных жидкостей и некоторые новые наблюдения над ними // V съезд рус. физиков, Москва, 15—20 дек. 1926 г. — М: ГИЗ, 1926. — С. 16—17..

Первое практическое применение жидких кристаллов произошло в 1936 году, когда компания Marconi Wireless Telegraph запатентовала свой электрооптический световой затвор.

В 1963 году американец Дж. Фергасон () использовал важное свойство жидких кристаллов — способность изменять цвет при изменении температуры — для обнаружения невидимых простым глазом неоднородно нагретых либо охлаждённых участков поверхности. После получения им патента на изобретение (), интерес к жидким кристаллам существенно возрос.

В 1965 году в США состоялась Первая международная конференция, посвящённая жидким кристаллам. В 1968 году американские учёные создали принципиально новые индикаторы для систем отображения информации. Принцип их действия основан на повороте молекул жидких кристаллов в электрическом поле, при этом изменяются поляризация проходящего сквозь ЖК света. Под воздействием напряжения, подаваемого на проводники экрана, на нём формировалось изображение, состоящее из точек или полосок в зависимости от конфигурации проводников. И только после 1973 года, когда группа английских химиков под руководством Джорджа Грея синтезировала жидкие кристаллы из относительно дешёвого и доступного сырья, эти вещества получили широкое распространение в разнообразных устройствах.

Группы жидких кристаллов По своим общим свойствам ЖК можно разделить на две большие группы:

Термотропные ЖК, образующиеся в результате нагревания твёрдого вещества и существующие в определённом интервале температур и давлений. Лиотропные ЖК, которые представляют собой двух- или более компонентные системы, образующиеся из стержневидных молекул данного вещества и воды (или других полярных растворителей). Термодинамическими фазами вещества являются только термотропные ЖК, так как лиотропные ЖК дисперсные системы (раствор амфифильных веществ в воде).

Лиотропные ЖК Вытянутые молекулы, из которых состоят такие ЖК, имеют на одном конце полярную группу, а большая часть протяжённой молекулы представляет собой гибкую гидрофобную углеводородную цепь. Такие вещества называются амфифилами (амфи — по-гречески означает «с двух концов», филос — «любящий», «благорасположенный»). Примером амфифилов могут служить фосфолипиды.

Амфифильные молекулы, как правило, плохо растворимы в воде, склонны образовывать молекулярные агрегаты у которых полярные группы на границе раздела фаз ориентированы в сторону полярного растворителя. При низких температурах растворение жидкого амфифила в воде приводит к расслоению системы на две фазы. Известным вариантом такой системы со сложной структурой может служить раствор обычного мыла в воде. В такой системе связаны алифатический анион CH3-(CH2)_{n-2}-CO2{}^- (где ~ 12—20) и положительный ион Na+, K+, NH4+ и др. Полярная гидрофильная группа CO2- притягивается к молекулам воды, тогда как неполярная группа (гидрофобная алифатическая цепь) слабо взаимодействует с молекулами воды. Это явление типично для амфифилов.

Характеристики многих электрооптических устройств, работающих на лиотропных жидких кристаллах, определяются анизотропией их электропроводности, которая, в свою очередь, связана с анизотропией электронной поляризуемости. Для некоторых веществ вследствие анизотропии свойств ЖК удельная поляризуемость изменяет свой знак. Например, для н-октилоксибензойной кислоты она проходит через ноль при температуре и связывают это со структурными особенностями мезофазы и с поляризуемостью молекул.

Термотропные ЖК Молекулы, которые образуют фазы жидких кристаллов, называют мезогенами. В ЖК есть характерная ориентация дипольных молекул в определённом направлении, которое определяется единичным вектором — так называемым «директором».

Термотропные ЖК подразделяются на четыре больших класса (Схематично характер упорядоченности ЖК названных типов представлен на рисунках): Нематические жидкие кристаллы или нематики. В этих кристаллах отсутствует дальний порядок в расположении центров тяжести молекул, у них нет слоистой структуры, их молекулы скользят непрерывно в направлении своих длинных осей, вращаясь вокруг них, но при этом сохраняют ориентационный порядок: длинные оси направлены вдоль одного преимущественного направления. Они ведут себя подобно обычным жидкостям. Нематические фазы встречаются только в таких веществах, у молекул которых правая и левая формы совпадают, то есть их молекулы тождественны своему зеркальному изображению (ахиральны). Ориентация молекул нематической фазы, как правило, совпадает с направлением наибольшей проводимости. Примером вещества, образующего нематический ЖК, может служить N-(пара-метоксибензилиден)-пара-бутиланилин. Смектические жидкие кристаллы или смектики, имеют слоистую структуру, слои могут скользить относительно друг друга. Толщина смектического слоя определяется длиной молекул (преимущественно, длиной парафиновогового «хвоста»), однако вязкость смектиков значительно выше, чем у нематиков, и плотность по нормали к поверхности слоя может существенно меняться. Типичным является терефтал-бис (пара-бутиланилин). Холестерические жидкие кристаллы (холестерики) — образуются, в основном, производными холестерина и других стероидов. Это нематические ЖК, но длинные оси их молекул повёрнуты друг относительно друга так, что они образуют винтовые линии, шаг которых очень чувствителен к изменению температуры вследствие чрезвычайно малой энергии активации для образования этой структуры (около В качестве типичного холестерика можно назвать амил-пара-(4-цианобензилиденамино)-циннамат. Многие Холестерики ярко окрашены, и малейшее изменение температуры (до тысячных долей градуса) приводит к изменению шага винтовой линии и, соответственно, к изменению окраски ЖК. Колончатые жидкие кристаллы — Мезогены упорядочны в колонны, которые образуют упорядочные структуры. Часто их называют «жидкими нитями», вдоль которых молекулы обладают трансляционными степенями свободы. Этот класс соединений был предсказан академиком Л. Д. Ландау, а открыт лишь в 1977 Чандрасекаром.

У ЖК необычные оптические свойства. Нематики и смектики — оптически одноосные кристаллы. Холестерики, вследствие периодического строения, сильно отражают видимый свет. Поскольку в нематиках и холестериках носителями свойств является жидкая фаза, то она легко деформируется под влиянием внешнего воздействия. Так как шаг винтовой линии в холестериках очень чувствителен к температуре, то, следовательно, и отражение света в разных частях спектра резко меняется с температурой, приводя к изменению цвета вещества. Эти явления широко используются в различных приложениях, например, для нахождения горячих точек в микроцепях, локализации переломов и опухолей у человека, визуализации инфракрасного изображения и др.

На феноменологическом уровне деформации жидкого кристалла, как правило, описываются при помощи понятия плотности свободной энергии Франка — Озеена.

Квантовые явления в жидких кристаллах Возможность генерации запутанных пар фотонов в жидких кристаллах была теоретически изучена в начале 2020-х годов с использованием моделей оптических солитонов и анизотропных нелинейных сред.

Генерация запутанных фотонов для жидких кристаллических кубитов Генерация пары запутанных фотонов в жидком кристалле впервые была теоретически предсказана Т. Ф. Камаловым с группой исследователей в 2022 году . Более подробно этот эффект описан в . Экспериментальное подтверждение этого эффекта опубликовано в .

По математической модели рождения пары запутанных фронтов в жидких кристаллах построен оптический элемент, в котором генерируются пары запутанных фотонов. Рассмотрены условия формирования фотона в слое жидкого кристалла (ЖК) для генерации пары фотонов в запутанном квантовом состоянии (бифотона) при квантовых расчетах.

Из знания физических параметров, а также нелинейных оптических свойств жидкого кристалла, оценены геометрические размеры фотона, генерируемого импульсом оптического излучения, его динамика и устойчивость. В нематических ЖК возможно создание одиночных фотонов с размером в несколько десятков микрометров и даже меньше.

Время формирования этих фотонов — от долей миллисекунды до десятков миллисекунд, а время их существования — от долей миллисекунды до сотен миллисекунд.

Рассматривается возможность перекрытия соседних в пространстве или времени запутанных фотонов (или областей внутри слоя жидкого кристалла, деформация которых вызвана полем световой волны от последовательных световых импульсов). На этой основе возможно «кодирование» запутанных состояний с высокой степенью различения сигнала и проведение квантовых вычислений.

Применение жидких кристаллов

Одно из важных направлений использования жидких кристаллов — термография. Подбирая состав ЖК, создают индикаторы для разных диапазонов температуры и в виде различных конструкций. Например, жидкие кристаллы в виде плёнки наносят на транзисторы, интегральные схемы и печатные платы электронных схем. Неисправные элементы — сильно нагретые или холодные, отказавшие — обнаруживаемы по изменению цвета ЖК-покрытия.

В медицине термочувствительные жидкокристаллические индикаторы, нанесённые на кожу пациента, позволяют быстро диагностировать скрытое воспаление и даже внутренние опухолиБеляков В. А. Профессии жидких кристаллов // Зарембо Л. К., Болотовский Б. М., Стаханов И. П Школьникам о современной физике. Акустика. Теория относительности. Биофизика. — М., Просвещение, 1990. — С. 70—104.

С помощью жидких кристаллов обнаруживают пары́ вредных химических соединений и опасные для здоровья человека гамма- и ультрафиолетовое излучения.

На основе жидких кристаллов созданы измерители давления, детекторы ультразвука.