При понижении температуры все превращения про­исходят в обратном порядке и точно при тех же темпе­ратурах, т. е. последовательность фаз такова: прозрач­ный расплав-смутный расплав-^кристалл или в принятых сокращениях ИЖ-^НЖК-^ТК. " Если все описанные превращения наблюдаются, на­пример, для соединения п—метонсйбензилиден—п'—бу-тиланилин или, как принято сокращенно называть это соединение, МББА, то наблюдаемая жидкокристалличе­ская фаза называется нематической или просто немати-KOMj Смена же фазовых состояний характеризуется сле­дующими температурами. Температура первого плавле­ния Гя,=21°С. Ниже ТдМББА находится в обычном кри­сталлическом состоянии. От Т^ до температуры просвет­ления 7^==41°С МББА обладает нематической жидко­кристаллической фазой, и выше Тм — обычная (изотроп­ная) жидкость. Интервал температур от Гд, до tn для различных веществ может быть от единиц до сотни гра дусов. Типичное же значение этого интервала — порядка нескольких десятков градусов.

Для того чтобы разобраться, как устроена жидкокри­сталлическая фаза и чем она отличается от обычной жид­кости или, как мы иногда будем дальше говорить, от изотропной жидкости *, нужно обратить внимание на фор­му молекул соединения, образующего жидкокристалли­ческую фазу.

^ 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. Структура молекулы типичного нематика приведена на рис. 3. 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 (см. рис. 4).

Напомним, что в обычной жидкости не только центры тяжести молекул движутся хаотически, но и ориентации выделенных направлений молекул совершенно случайны

и не скоррелированны 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 ориен-тационных 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, что то же самое, насколько мала разупорядоченность ориентаций молекул. Параметр порядка определяется следующим образом:

S=^«cos»e>-73), (1) где в—угол между направлениями директора и мгно-

венным направлением длинной оси молекул, a •<cos*e>

обозначает среднее по времени значении cos'@.

Из формулы (1) ясно, что параметр 5 может принимать значения от 0 до 1. Значение -S==1 соответствует полному ориентационному порядку. Причем .S==1 достигается, как не­трудно понять, если значение в не изменяется во времени и равно 0, т. е. если направление длинных осей моле­кул строго совпадает с направлением директора. <S==0 означает полный ориентационный беспорядок. В этом случае угол 9 с равной вероятностью принимает значе­ния от 0 до л, a -<cos^9>=='/3. Значение S==0, таким образом, соответствует уже нематику, перешедшему в изотропную жидкость.

В нематической же фазе значение параметра порядка S^>0, минимально непосредственно при температуре пе­рехода Т 14 из изотропной жидкости в нематическую фазу и возрастает по мере понижения температуры ниже tn' В целом же при изменении температуры происходит сме­на следующих фазовых состояний. При температуре ни­же точки перехода нематика в обыкновенный кристалл или, как ее называют, температуре плавления Тщ — кри­сталлическое состояние. В интервале температур от Т м, до tn—нематический жидкий кристалл. Выше tin— обычная жидкость.

Пока что речь шла об однодоменном состоянии нема-тического образца, в котором ориентация директора одинакова во всех его точках, как изображено на рис. 4. В таком однодоменном образце нематика наиболее ярко проявляются его свойства, типичные для твердых кри­сталлов, в частности, двупреломление света. Последнее означает, что показатели преломления для света, плос­кость поляризации которого перпендикулярна директору и плоскость поляризации которого содержит директор, указываются различными. Однако для того чтобы полу­нить однодоменный образец нематика, как, впрочем, и любых других разновидностей жидких кристаллов, необ ходимо принятие специальных мер, о которых будет рас­сказано ниже.

Если же не приняты специальные предосторожности, то жидкокристаллический образец представляет собой совокупность хаотическим образом ориентированных ма­лых однодоменных областей. Именно с такими образца­ми, как правило, имели дело первые исследователи жид­ких кристаллов, и мутный расплав, возникавший после первого плавления МББА, о котором говорилось выше, и был образцом такого вида. На границах раздела различ­ным образом ориентированных однодоменных областей в таких образцах происходит, как говорят, нарушение оп­тической однородности или, что то же самое, скачок значения показателя преломления. Это непосредственно следует из сказанного выше о двупреломлении однодо­менного нематического образца и просто соответствует тому, что для света, пересекающего границу раздела двух областей с различной ориентацией директора, по­казатели преломления этих областей различны, т. е. по­казатель преломления испытывает скачок. А как хо­рошо известно, на границе раздела двух областей с различными показателями преломления свет испы­тывает отражение. С таким отражением каждый знаком на примере оконных стекол. Так же, как и в случае с оконным стеклом, на одной границе раздела (одном скачке оптической однородности) отражение света в нематике может быть невелико, но если таких границ много (в образце много неупорядоченных однодоменных об­ластей), такие нерегулярные нарушения оптической од­нородности приводят к сильному рассеянию света. Вот почему нематики, если не принять специальных мер, сильно рассеивают свет. После первого плавления при температуре Тд, возникает мутный расплав.