Часть первая: удивительный мир жидких кристаллов – первое знакомство

Перед нами большая и серьёзная работа, которую мы решили не делить на отдельные темы с оглавлениями, но всё-таки собираемся её рассматривать частями. Так лучше, на наш взгляд, будет сохранить общий замысел. Это продолжение уже озвученных нами предыдущих материалов, вместе с тем и шаг к дальнейшим публикациям по темам, требующих широкого и непредвзятого обсуждения, что и не скрывается. Мы только поддерживаем здравый смысл, как в обоснованных дополнениях, так и в разумной критике. Всегда есть люди, владеющие гораздо лучше специфическими знаниями. Однако сегодня мир испытывает потребность в общей и универсальной концепции относительно Мироздания, по нашему мнению, опять-таки. Да, науки делают своё дело, но где связанность наработанных фактов? Где цепочка сведений, начинающихся с момента появления нашей Вселенной и заканчивающихся её перехода в неактивную фазу? Всё в мире взаимообусловлено и взаимосвязано, значит, один факт вытекает из другого факта. Поэтому наша деятельность всего лишь предложение идти путём познания, единого порыва в стремлении упорядочить разрозненные идеи. Думаем, время, в которое мы живём, требует активности в данном направлении. Как образовалась Вселенная? Какие законы объективные действуют и почему? Для чего запущена эволюция? Какое место каждого из нас в данном процессе?

Ведь, развёртывание Системы (Вселенной) из Не-Бытия - глобальный управленческий процесс, имеющий как Цель, так и Задачи. Какова Цель такого управления? Если задуматься, и постараться начинать отвечать на поставленные вопросы (а также другие подобные вопросы), то возникает информационная «пустота», которую всякий разум предполагал бы заполнить. В этом случае, как говорится, положение обязывает, и разумное существо ищет своего участия. В определённых рамках, зависящих от уровня сознания (осведомлённости), человек получает «доступ» к управлению. Это ответственность? Безусловно, безответственному индивиду вряд ли будут поручены серьёзные управленческие механизмы, не согласующиеся с Целью. Тогда становится понятной важная область приложения себя к грандиозному и совокупному Существованию. Всеобъемлющее познание мира, когда постепенно приходит понимание планов того управления, которое можно назвать Божественным.  Гордясь «человеческим статусом», мы часто в большинстве своём не задумываемся, как заслужили это «звание». Что вело нас по эволюционной цепочке? Знание должно быть для всех, кто способен ответственно его принять. Но Знание, крупинка за крупинкой, достаётся собственными силами. Ибо вся «загвоздка» в понимании высших Идей. Однако вокруг нас Мир, полный загадок и концепций, скрытых для одних, и открытых для других. Вместе с тем, физическая реальность – то поле, которое должно быть исследовано наукой как можно совершеннее. Перед человечеством стоит задача связать, наконец, мир причин и мир следствий в приемлемую концепцию.  

Данная концепция предполагает, как изучение теории управления, так и других фундаментальных принципов нашего Бытия. Единая концептуальная линия соединяет, по крайней мере, три ключевые точки: принципы управления, экономики и психологию, как связующее звено между управлением и экономикой. Углубляясь в каждый из этих предметов, замечаешь неразрывные связи между ними. Связи, которые зиждутся на Законах Вселенной. В каждом физическом факте можно увидеть проявление этих Законов. Поэтому, и концепция должна иметь содержательную часть, описывающую взаимопроникновение физики, химии и других областей естествознания. Отсюда, концептуальная деятельность – дело разумов. Тех элементов, несущих свет, которые соединены в единое целое, как, например, явление интернет сетей. Просто, некоторые Идеи не может принять и обработать отдельная личность, тогда как групповому сознанию это сделать доступнее. Поэтому, сила – в общности. В то же время, каждая человеческая единица ведома сделанным ей выбором, ограничивать который также не следует с позиции предназначения.

На этом, пожалуй, вступительную, несколько философскую, часть закончим. Разумнее всего, если есть возражения к чему-либо, вначале изучить тщательнее предмет. Итак, осуществим переход к текущей теме.  Для чего напомним себе уже ранее сказанное. Импульс характеризует интенсивность энергетического потока, созданного зарядами, распространяющегося в пространстве с определённой скоростью. Импульс – некоторое побуждение к активности, условно говоря, заложенное изначально в материи, которой присуще качество инертности. Вселенная образуется непрерывным движением.  Мы приходили к выводу, что изменение плотности недвижимой массы хаоса приводит к активности материи и появлению импульса. Возбуждение хаоса есть его деформация, которая сопровождается изменением плотности. Возникает предположение, что электростатическое равновесие хаоса хранит энергию в виде нейтральных диполей. А заряд проявляется тогда, когда диполь будет подвержен деформации. Данная ситуация напоминает эффект, который называется пьезоэлектричеством. Этот аспект поведения материи возьмём на вооружение и периодически будем к нему возвращаться.

На самом деле, при изменении формы материи (кристалла), точнее, в случае сжатия, образуется электрический заряд. Любопытно ещё то, что пьезоэлектрики являются – диэлектриками. Сразу всплывает ассоциация, связанная с хаосом, в том плане, а если инертная материя хаоса также что-то типа диэлектрика? Хорошо, ещё хаос есть некое электрически нейтральное поле. «Нейтральными будут молекулы и макроскопические тела, построенные из атомов. Всякий процесс электризации тел связан с разделением электрических зарядов, когда на одном из тел (части тела) появляется избыток положительных зарядов, а на другом (другой части тела) – избыток отрицательных зарядов» [1, с.12]. Прежде всего, известно, атом вещества – нейтрален. В возбуждённом состоянии атом превращается в заряженный ион (отрицательный или положительный). Атомная энергия условно статична. Но к образованию иона приводит, согласно научным источникам, разница между числом электронов (внешней оболочки) и числом протонов в ядре. То есть возбуждённый атом получается в том случае, если возникает нарушение равновесия (деформация, по большому счёту). Мы сопоставляем нейтральный атом и электронейтральную систему (диполь).

«Если диполь поместить в однородное электрическое поле, то полная действующая на него сила будет равна нулю. Действующие на входящие в диполь заряды силы равны по модулю и противоположны по направлению. Однако силы приложены в разных точках. Характер равновесия диполя в каждом из этих положений можно также установить, рассматривая зависимость потенциальной энергии диполя во внешнем поле от его ориентации»[1, с.60]. Диполь – система, объединяющая два противоположных заряда. «В молекулах полярных диэлектриков ядра и электроны расположены таким образом, что центры масс положительных и отрицательных зарядов не совпадают. Такие молекулы независимо от внешних электрических полей, ведут себя как жёсткие диполи, обладающие электрическим моментом, модуль которого постоянен» [2, с.131]. Что такое жёсткий диполь? Имеется в виду такой диполь, у которого расстояние между зарядами не изменяется.  

Жёсткий диполь обладает собственным электрическим моментом,  даже если отсутствует внешнее воздействие. В случае, когда электрический момент приобретает не нулевое значение, то речь идёт о поляризации диполя. Собственно говоря, любой диэлектрик способен к поляризации, суть которой заключается в ограниченном смещении (деформации) связанных зарядов. В результате под воздействием внешнего электрического поля диполь поворачивается. При изменении ориентации диполей возникают упругие возвращающие силы. Они характерны для диполей жёстко связанных. Данная упруго-дипольная поляризация проявляется в твёрдых и жидких диэлектриках. В то же время есть сведения, что внешнее поле, поляризуя диполь, не ориентирует его, но растягивает. Здесь интересно то, что «молекула воды по своим электрическим свойствам подобна весьма вытянутому жёсткому диполю. Хотя каждый диполь и создаёт своё поле, суммарная напряжённость поля всех диполей диэлектрика будет по принципу наложения полей равна нулю» [2, с.131].

Индивидуальный диполь, если так можно выразиться, обособленно, условно и образно рассматривается как элементарная единица системы. В то же время, подобным элементом можно назвать атом вещества, клетку организма или, например, Солнце. А также молекулу воды, если учитывать что она образует среду. Нейтральный диполь напоминает состояние, соответствующее покою. В случае поляризации возникает его возбуждение. Аналогий много, если обратимся к физиологии, то, несомненно, на ум приходит – потенциал покоя. То есть невозбуждённая клетка обладает потенциалом покоя, который представляет собой разность электрических потенциалов мембраны клетки. Наружная сторона мембраны несёт один заряд, а внутренняя сторона – противоположный заряд. Чем не диполь? Атом то же самое, ядро – положительный заряд, электроны – отрицательный заряд. В целом, клетка уравновешивается зарядами и является нейтральной в покое.

Чтобы диполь можно было деформировать, он должен считаться эластичным образованием, реагировать на сжатие или растяжение. Как раз, мембрана – эластическая (упругая) молекулярная структура. Состоит она, главным образом, из липидов и белков. Известна особенность молекул класса липидов, который формируют двойной слой (бислой) мембраны. Большинство этих липидов – фосфолипиды, но выделим также и холестерин. Если концентрация холестерина в мембране увеличивается, то она становится более жёсткой. Малое содержание холестерина делает мембрану более гибкой. В то же время фосфолипиды обеспечивает мембране текучие и пластические свойства. Учёные считают, что липиды в мембране могут находиться в жидкокристаллическом состоянии.

Случайны ли в структуре клетки жидкие кристаллы? Как свойства жидких кристаллов сочетаются с упругостью мембраны? Жидкие кристаллы одновременно текучи как жидкости и анизотропные как кристаллы. Это вязкая жидкость. Жидкие кристаллы способны изменять ориентацию молекул в среде при воздействии электрического поля. Но вопросов интересующих нас относительно жидких кристаллов очень много, поэтому, не отвлекаясь от основной темы, сделаем небольшую вставку, где опишем жидкокристаллическую материю. Мы постараемся привести ряд имеющихся сведений, обобщить их, обозначить соответствующие выводы, а затем последуем дальнейшему начатому изложению. Дело в том, что жидкие кристаллы – важнейший аспект всего исследования, на который мы будем постоянно ссылаться. В некотором смысле это забегание вперёд, но нам кажется оно целесообразным, так как даёт определённый ориентир.

«Современные структурные исследования показывают, что клеточные мембраны, регулирующие обмен веществ, представляют собой типичные лиотропные ЖК-структуры» [7, с.131].

Вызывает особый интерес уникальность строения жидких кристаллов, они занимают промежуточное положение между твёрдыми кристаллами и изотропной жидкостью. При определённой температуре плавления твёрдый кристалл  переходит в фазу жидкого кристалла, а при дальнейшем нагревании осуществляется переход в изотропную жидкость. Что такое плавление? Это так называемый фазовый переход первого рода, который происходит с поглощением теплоты. То есть при некоторой температуре плавления тело разрывает межатомные связи и из состояния кристалла (упорядоченности или системности) переходит в неупорядоченное состояние (жидкость). Процесс, обратный плавлению, кристаллизация.

Из типов жидких кристаллов ближе всего к изотропной жидкости – нематики. «Молекулы нематического кристалла длинными осями ориентированы приблизительно параллельно друг другу, но их центры масс расположены хаотично. Холестерическую фазу можно получить при добавлении небольшого количества производного холестерина в нематик» [8, с.7].  Образуется смесь, которую называют хиральным нематиком.

«Спиральная упаковка молекул холестерических жидких кристаллов является причиной её уникальных оптических свойств – селективного отражения циркулярно поляризованного света и высокой оптической активности. Холестерические жидкие кристаллы нашли применение как регистрирующие среды в термографии для визуализации распределения температурных полей на поверхностях различных материалов и объектов» [8, с.7]. Но в данное состояние эфиры холестерина переходят при охлаждении. Нагрев превращает их в изотропную жидкую фазу.

Что касается электрических свойств жидких кристаллов, то в чистом виде они – диэлектрики. Отметим, они являются такими диэлектриками, электропроводность которых можно изменять. Причём механизм электропроводности в жидких кристаллах – ионный. Обратим внимание, «важнейшими свойствами жидких кристаллов, определяющими их поведение во внешних полях, являются их упругость. Основная разница между деформациями жидких кристаллов и твёрдых тел заключается в том, что в отличие от твёрдого тела изменение расстояния между молекулами не меняет упругую энергию. Деформации сжатия-растяжения очень малы, а деформация сдвига приводит к течению. Поэтому в жидких кристаллах наиболее ярко проявляются деформации изгиба и директора» [8, с.7]. 

Как известно, основной областью применения жидких кристаллов, являются дисплеи. Использование дисплеев в современном обществе связано  с отображением информации. «Современный дисплей – это оптическое устройство, преобразующее входной сигнал в видимое изображение» [8, с.27].

Чтобы в общих чертах понять принцип работы дисплея, несколько упростим имеющуюся информацию. Итак, элементы кристалла находятся в упорядоченном состоянии, структурно объединённые в кристаллическую решётку. Элементы (молекулы) же жидкости такой решётки не имеют, но они могут соединяться в, так называемые кластеры. Кластер обозначает скопление или объединение нескольких, заметим, однородных элементов, которое можно рассматривать как самостоятельную единицу. В общем, определённое множество молекул воды образуют некое целое или кластер. В этих кластерах уже наблюдаются связи, подобные кристаллической решётке. Но относительно друг друга кластеры двигаются хаотично, как и «положено» молекулам воды.

Теперь ближе к принципу работы дисплея. Жидкие кристаллы не упорядочены в отсутствие электрического поля. В определённый порядок они выстраиваются только в случае подачи напряжения. В результате меняется ориентация луча света, направленного на них.  Свет фокусируется в определённом направлении. Проще говоря, неполяризованный дневной свет, проходя через среду с жидкими кристаллами, поляризуется. Вопрос поляризации света требует отдельной детальной проработки в дальнейшем, но, с точки зрения науки, это выделение одного вектора напряжённости и получение плоско поляризованного света (линейной поляризации). Не будем пока глубоко вдаваться в данное явление.

Но отметим, неполяризованный свет – белый. Проходя через жидкокристаллическую среду, он поляризуется, и на выходе получается нужный свет, например, красный. Это один пиксель. Подобным образом создаются другие пиксели. В конечном итоге, они формируют визуальную картинку. Пиксель – основной элемент дисплея. Но пиксель состоит ещё из трёх субпикселей (ячеек). Три субпикселя: красный, синий, зелёный. Пиксель, по сути, цифровая информация о картинке. Вернёмся к жидким кристаллам.

Направление ориентации молекул жидких кристаллов характеризуют единичным вектором – директором. «Если упругость изотропной жидкости и твёрдых кристаллов связана с изменением их плотности, то в жидком кристалле кроме изменения плотности упругость связана с локальным изменением ориентации директора, что и является их главной особенностью» [9, с.12]. Подобно поведению диполя в электрическом поле. Не забываем, молекула воды представляет собой диполь. При внешнем воздействии электрического поля молекула воды, поляризуясь, соответствующим образом, поворачивается. Но если, например, в условиях сильного уплотнения, такой «манёвр» невозможен? Что остаётся делать? Предположительно, молекула воды будет вести себя как диполь, подчиняясь упругим возвращающим силам, то есть растягиваться. В общем, имеет быть место какая-либо деформация. Молекулы воды отличаются большим дипольным моментом. А если вещества, молекулы которых обладают электрическим дипольным моментом, то они являются полярными растворителями.

Диполь, помещённый в однородное электрическое поле (изотропную среду), не испытывает действие силы. Полная действующая на диполь сила будет равна нулю, из-за того, что заряды равны по модулю и противоположны по направлению. «В неоднородном внешнем поле на диполь кроме ориентирующего момента сила действует ещё и отличная от нуля сила, втягивающая диполь в область с большей напряженностью поля. На конец сориентированного диполя действует большая сила, чем на противоположный конец» [1, с.61].

Другими словами, жидкокристаллический кластер – скопление диполей, как однородных элементов. Эти диполи ведут себя как единое целое, но связаны внутренней структурой. Множество кластеров в изотропной среде – что-то типа бесчисленное количество систем во внесистемном пространстве. Это примерно также, если бы структурная единица общества семья (своеобразный кластер) находилась вне общественных отношений в государстве. Каждый человек в семье, между тем, соответствует диполю (молекуле воды). Только в случае внешнего воздействия (законов) такие семьи бы структурировались в общественные организации (государство) и стали иметь между собой взаимосвязи. Может быть, не совсем удачный пример, но что пришло на ум, то пришло.

Получается, вне внешнего воздействия (отсутствия электрического поля) жидкие кристаллы больше напоминают состояние жидкости, а в случае напряжения изменяется плотность и ориентация кластеров. Видимо важнейшая особенность жидких кристаллов – их отношение со светом и реакция на свет.

Но попробуем, всё-таки, выделить некоторые свойства жидких кристаллов. Что ещё известно об этих удивительных веществах? Прежде всего, примечательно, величина плотности повышается при снижении температуры. Это, как правило, но вот, например, плотность воды максимальное значение имеет при   4 градусах по Цельсию. Уменьшается плотность воды, как с дальнейшим повышением температуры, так и с её понижением. При затвердевании (образовании льда) плотность воды уменьшается. Логично, в случае повышения вязкости вещества, его плотность также увеличивается. Вязкость жидких кристаллов уменьшается с повышением температуры, однако при температурах близких к фазовому переходу в изотропное состояние (водное) плотность значительно возрастает, достигая максимума. Дальнейшее нагревание жидкой фазы приводит к снижению вязкости. Получается, жидкокристаллическое состояние наблюдается только в некотором диапазоне температур. Если поддерживать особый температурный режим, где значения плотности максимальные, то будем иметь дело с жидкими кристаллами. Должно соблюдаться некоторое температурное равновесие, постоянство среды.

Жидкие кристаллы проявляют двулучепреломление, когда свет проходит через жидкокристаллическую среду (однородно-упорядоченную), то распадается на два луча.

Эффект памяти жидких кристаллов. «Сотрудники физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова совместно с российскими и зарубежными коллегами обнаружили эффект памяти в жидких кристаллах под действием сильных электрических полей. Выделяют два вида жидких кристаллов: закрученные в сложную спиральную структуру (холестерические) и вытянутые в нитевую структуру (нематические). Российские физики изучили капли спирально закрученных жидких кристаллов и выяснили, что при помещении в электрическое поле они «раскручиваются» в нить. В результате серии экспериментов учёные выяснили, что при медленном выключении электрического поля капля жидкого кристалла не возвращается в исходное состояние, а принимает другую, более сложную структуру. Изменяя параметры электрического поля, можно получать различные структуры жидкого кристалла. Полученный результат может позволить создавать воспроизводимые состояния жидких кристаллов, а значит, записывать с их помощью информацию» [10].

Жидкие кристаллы проявляют акустооптические свойства. Они наблюдаются при деформации сжатия, кручения, сдвиге. При этом с определённой величиной механического импульса связан тот или иной цвет. В изотропном состоянии такой эффект отсутствует.    

Таким образом, свойства жидких кристаллов, которые мы собираемся постепенно рассматривать в рамках общего исследования, несомненно, помогут сделать важные выводы. Хорошо, заключения пока не делаем, оставим возможность умственной активности в соотнесении данных. Поэтому благополучно завершим пока первую часть, рассчитывая на продолжение.