Чтобы схематично представить себе устройство нематика, удобно образующие его молекулы представить в виде палочек. Для такой идеализации есть физические основания. Молекулы, образующие жидкие кристаллы, как уже говорилось, представляют собой типичные для многих органических веществ образования со сравни­тельно большим молекулярным весом, протяженности которых в одном направлении в 2—3 раза больше, чем в поперечном. Можно считать, что направление введенных нами палочек совпадает с длинными осями мо­лекул. При введенной нами идеализации структуру нема­тика следует представлять как «жидкость одинаково ори­ентированных палочек». Это означает, что центры тяже­сти палочек расположены и движутся хаотически, как в жидкости, а ориентация при этом остается у всех палочек одинаковой и неизменной.

Напомним, что в обычной жидкости не только центры тяжести молекул движутся хаотически, но и ориентации выделенных направлений молекул совершенно случайны и не коррелированны между собой. А в качестве выде­ленных направлений в молекуле могут выступать различ­ные величины, например, электрический дипольный мо­мент, магнитный момент или, как в рассматриваемом на­ми случае, анизотропия формы, характеризуемая выде­ленными направлениями или, как говорят, осями. В свя­зи с описанным полным хаосом в жидкости жидкость (даже состоящая из анизотропных молекул) изотропна, т. е. ее свойства не зависят от направления.

На самом деле, конечно, молекулы нематика подвер­жены не только случайному поступательному движению, но и ориентация их осей испытывает отклонения от на­правления, определяющего ориентацию палочек в рас­сматриваемой нами жидкости. Поэтому направления па­лочек задают преимущественную, усредненную ориента­цию, и реально молекулы совершают хаотические ориентационные колебания вокруг этого направления усред­ненной ориентации. Амплитуда соответствующих ориентационных колебаний молекул зависит от близости жид­кого кристалла к точке фазового перехода в обычную жидкость tn, возрастая по мере приближения темпера­туры нематика к температуре фазового перехода. В точ­ке фазового перехода ориентационное упорядочение мо­лекул полностью исчезает и ориентационные движения молекул так же, как и трансляционные, оказываются пол­ностью хаотическими.

В связи с описанной картиной поведения нематика его принято описывать следующим образом. Для характери­стики ориентационного порядка вводится вектор единич­ной длины с, называемый директором, направление которого совпадает с направлением введенных выше палочек. Таким образом, директор задает выделенное, пре­имущественное, направление ориентации молекул в хо­лестерине. Кроме того, вводится еще ОДНА величина, па­раметр порядка, который характеризует, насколько вели­ка степень ориентационного упорядочения молекул или насколько мала разупорядоченность ориентаций молекул.

Пока что речь шла о том, как выглядит нематик в не­поляризованном свете. Очень интересную и своеобраз­ную картину представляет нематик, если его рассматри­вать в поляризованном свете и анализировать поляриза­цию прошедшего через него света. Поляризатор Pi ли­нейно поляризует свет от источника света, а поляриза­тор Pi пропускает только определенным образом линей­но поляризованный свет, прошедший через нематический образец А. Картина, которую увидит наблюдатель в све­те, прошедшем через поляризатор, представляет собой причудливую совокупность пересекающихся линий. Эти линии или, как их называют, нити и представляют собой изображение границ раздела между однодоменными об­ластями. А почему эти границы можно видеть или, как говорят, визуализовать, в поляризованном свете будет понятно из дальнейшего.

Наблюдениям этих нитей первыми исследователями нематик и обязан своему названию. Нема —это по гречески нить. Отсюда и название - нематический жидкий кристалл или нематик. Здесь же надо сказать, что реально наблюдения описанной картины нематика в связи с малостью размеров областей с одинаковой ори­ентацией директора осуществляются с помощью поляри­зационного микроскопа.

Холестерические

Холестерические жидкие кристаллы образуют в основном соединения холестерина и других стероидов. Структура жидких кристаллов такая же, как и у нематических, но дополнительно закручена в направлении, перпендикулярном длинным осям молекул.

Интересной особенностью холестерических жидких кристаллов является то, что падающий на тонкий слой кристалла луч света может претерпевать селективное отражение, т.е. закон отражения для белого света в этом случае не выполняется. Лучи различной длины волны будут отражаться под разными углами. Вследствие этого холестерическая плёнка будет выглядеть в отражённом свете ярко окрашенной.

Смектические

Смектические ЖК по свойствам похожи на все вышеперечисленные группы. Однако расположение молекул у них немного другое.

Упругость жидкого кристалла

Выше в основном го­ворилось о наблюдениях, связанных с проявлением не­обычных оптических свойств жидких кристаллов. Первым исследователям бросались в глаза, естественно, свойства, наиболее доступные наблюдению. А такими свойствами как раз и были оптические свойства. Техника оптическо­го эксперимента уже в девятнадцатом веке достигла вы­сокого уровня, а, например, микроскоп, даже поляриза­ционный, т. е. позволявший освещать объект исследова­ния поляризованным светом и анализировать поляриза­цию прошедшего света, был вполне доступным прибо­ром для многих лабораторий.

Оптические наблюдения дали значительное количест­во фактов о свойствах жидкокристаллической фазы, ко­торые необходимо было понять и описать. Одним из первых достижений в описании свойств жидких кристал­лов, как уже упоминалось во введении, было создание теории упругости жидких кристаллов. В современной форме она была в основном сформулирована английским ученым Ф. Франком в пятидесятые годы.

Постараемся проследить за ходом мысли и аргумен­тами создателей теории упругости ЖК. Рассуждения бы­ли (или могли быть) приблизительно такими. Установле­но, что в жидком кристалле, конкретно нематике, сущест­вует корреляция (выстраивание) направлений ориента­ции длинных осей молекул. Это должно означать, что ес­ли по какой-то причине произошло небольшое наруше­ние в согласованной ориентации молекул в соседних точ­ках нематика, то возникнут силы, которые будут старать­ся восстановить порядок, т. е. согласованную ориентацию молекул. Конечно, исходной, микроскопической, причиной таких возвращающих сил является взаимодей­ствие между собой отдельных молекул. Однако надеять­ся на быстрый успех, стартуя от взаимодействия между собой отдельных молекул, да еще таких сложных, как в жидких кристаллах, было трудно. Поэтому создание тео­рии пошло по феноменологическому пути, в рамках ко­торого вводятся некоторые параметры (феноменологи­ческие), значение которых соответствующая теория не берется определить, а оставляет их неизвестными или из­влекает их значения из сравнения с экспериментом. При этом теория не рассматривает молекулярные аспекты строения жидких кристаллов, а описывает их как сплош­ную среду, обладающую упругими свойствами.