Жидкими кристаллами называют анизотропные жидкости, которые состоят из молекул, сохраняющих определенный порядок в своем расположении относительно друг друга. (Анизотропия — зависимость физических свойств вещества от направления.) Например, атомы в молекулах могут располагаться вдоль определенной оси, и такие продолговатые молекулы ориентируются в жидком кристалле, как в твердом кристалле, вдоль особого направления. Особые направления в жидких и твердых кристаллах называются оптическими осями, так как с их существованием связаны замечательные оптические свойства этих материалов (двойное лучепреломление, поворот плоскости поляризации света и др.). В отличие от твердых кристаллов, где оптические оси жестко закреплены, в жидких кристаллах направления оптических осей можно легко изменять с помощью электрического поля. Для управления оптическими свойствами жидких кристаллов требуются весьма малые напряжения.
Электрический диполь возникает вдоль длинной оси гораздо легче, чем вдоль короткой оси, т. е., другими словами, электронное облако легко смещается относительно положительного ядра вдоль молекулы и с трудом — поперек нее. Таким образом, возникает пара сил, создающая крутящий момент, который и поворачивает молекулу так, чтобы она своей длинной осью ориентировалась вдоль поля Е.
Если бы жидкокристаллическая среда простиралась неограниченно по всем направлениям, то оптическая ось поворачивалась бы сколь угодно слабым полем. В действительности слой жидкого кристалла имеет конечную толщину (около 0,01 мм) и относительно жесткую ориентацию молекул на твердой поверхности, ограничивающей слой. Поэтому отклоняющее действие поля вступает в противоборство со стабилизирующим действием упругих сил. Фактически отклонение оптической оси в слое жидкого кристалла начинается тогда, когда крутящий момент электрических сил станет больше возвращающего момента упругих сил. Существует определенный порог разности потенциалов (около 1 В), выше которого уже нетрудно управлять оптической осью в разнообразных жидкокристаллических индикаторах.
Это объясняется тем, что все молекулы жидких кристаллов взаимосвязаны и ориентированы одинаково, и достаточно повернуть одну из них, чтобы весь коллектив молекул изменил свою ориентацию.
Жидкокристаллические индикаторы находят широкое применение, например, в циферблатах современных электронных часов. На рис. 3 показано, как жидкокристаллический индикатор отображает ту или иную цифру, букву и т. п. Здесь имеются два поляризатора, оси которых скрещены, и две полированные стеклянные пластинки, задающие взаимно перпендикулярную ориентацию молекул на противоположных границах слоя жидкого кристалла. В слое жидкого кристалла оптическая ось постепенно изменяет свою ориентацию в зависимости от расстояния до стекол, как бы образуя винтовую лестницу; на стекла нанесены прозрачные электроды. Под нижним поляризатором расположено зеркало. Нижний электрод сделан сплошным, а верхний — фигурным, состоящим из нескольких сегментов, с помощью которых можно составить любую цифру, букву, число и слово. Каждый сегмент имеет собственный электрический контакт и включается в цепь со слабой батарейкой (1111,5 В) по специальной команде, которая подается миниатюрным генератором (см. Генератор).
Падающий свет поляризуется верхним поляризатором, проходит стеклянную пластинку и попадает в слой жидкого кристалла. Если электрическая цепь разомкнута, как на пути левого пучка света, то в данном месте винтовая ориентация оптической оси сохраняется. Поэтому по мере прохождения левого пучка света его поляризация поворачивается в соответствии с поворотом оптической оси. На выходе из слоя и нижней стеклянной пластинки этот поворот составит 90°, причем поляризация света совпадает с осью нижнего поляризатора. В результате левый пучок пройдет поляризатор, отразится от зеркала и проделает весь путь в обратном направлении. Этот участок индикатора выглядит для наблюдателя светлым.
На соседнем правом участке индикатора пучок света проходит в момент замыкания цепи на цифру 8. Поляризованный свет, попав в слой жидкого кристалла, встретит здесь вертикально ориентированную оптическую ось. Именно так электрическое поле поворачивает молекулы, хорошо поляризующиеся вдоль длинной оси. Поэтому свет пройдет слой под сегментом цифры 8, не изменив своей поляризации, и будет встречен нижним поляризатором, ось которого перпендикулярна поляризации света. Следовательно, этот пучок света не дойдет до зеркала, так как будет поглощен по пути, и не вернется к наблюдателю — цифра 8 будет выглядеть темной на светлом фоне.
Так устроены буквенно-цифровые индикаторы в калькуляторах, электронных переводчиках, шкалах измерительных приборов и шкалах настройки, разнообразных табло и т. п. Жидкокристаллические экраны (дисплеи) с большим числом сегментов — электродов и сложной электронной схемой управления служат в качестве телевизионных экранов, преобразователей изображения (приборы ночного видения), средств управления световым лучом в быстродействующих электронных вычислительных машинах.
Некоторые вещества в жидкокристаллическом состоянии способны смешиваться между собой и образовывать жидкие кристаллы, обладающие различными структурами и свойствами. Это расширяет диапазон их использования в технике.