Ученые из Института физики им. Л. В. Киренского разработали новый способ управления жидкими кристаллами. В будущем его можно будет применять для создания электронной бумаги с очень низким энергопотреблением и даже электронных жалюзи.
С устройствами, работающими на жидких кристаллах, мы имеем дело практически каждый день – мониторы компьютеров, электронные книги и прочее. Они получили такое широкое применение, потому что сочетают в себе свойства двух физических состояний. От кристаллов - анизотропные (то есть неодинаковые в разных направлениях среды) свойства: оптические, диэлектрические и др. От жидкости – подвижность молекул. Сами молекулы имеют вытянутую форму и могут поворачиваться под воздействием, например, электрического поля. Такая способность переориентироваться под действием электрического или магнитного полей была названа переходом Фредерикса в честь российского физика и геофизика Всеволода Константиновича Фредерикса, который подробно исследовал и описал это явление. Именно на этом свойстве построена работа жидкокристаллических дисплеев сегодня.
Ячейка монитора (грубо говоря, один пиксель) представляет собой два поляризационных фильтра, между которыми находится область с жидким кристаллом. Если мы возьмем и покрутим два таких поляризатора, то найдется положение, при котором они полностью прозрачны, но будет ипротивоположное – полное затемнение (как на рисунке 1). В мониторе работает тот же принцип, но вместо самих фильтров мы «крутим» молекулы жидких кристаллов между ними, чтобы получить изображение. Они двигаются именно благодаря переходу Фредерикса под воздействием электрического поля. Но при этом молекулы, которые находятся на границе ячейки, не меняют свою ориентацию, и если воздействие прекращается, именно за счет этих стационарных молекул, другие возвращаются в исходное состояние.
- Мы же управляем ориентацией длинных осей молекул с помощью изменения вот этого тонкого приграничного слоя, - рассказывает сотрудник Института физики им. Л. В. Киренского Михаил Крахалев. - Реализовано это было на капельной дисперсии жидкого кристалла, то есть вещество у нас размещено отдельными каплями, расположенными в полимерной матрице, а не тонкой пленкой, как в современных мониторах. Для изменения ориентации длинных осей молекул, мы используем ионные сурфактанты (заряженные поверхностно-активные вещества). Их ориентирующая способность зависит от концентрации: если посадить их на границу раздела, но в небольшом количестве, то они не повернутся каким-то заданным образом и не сориентируют молекулы жидкого кристалла. Но стоит увеличить концентрацию, они поворачиваются и «тянут» за собой молекулы жидкого кристалла. Так как они заряжены, то в веществе будут смещаться под действием электрического поля к одному или другому электроду. Таким образом, электрическим полем мы можем изменять их концентрацию и, следовательно, управлять ориентацией жидкого кристалла (ионно-сурфактантный метод управления жидкими кристаллами).
Этот эффект является локальным переходом Фредерикса (не путать с просто эффектом Фредерикса, когда поворачиваются сразу все молекулы). Раньше для того, чтобы его реализовать, применяли другие стимулирующие факторы: изменение температуры, облучение ультрафиолетовым светом и пр.
- Мы сделали это с помощью электрического поля, - продолжает Михаил Крахалев. - Изменяя ориентационную структуру жидкого кристалла, мы можем управлять и оптическими свойствами композитной пленки, то есть переключать пленку с каплями из рассеивающего в прозрачное состояние или получать изображение.
Также в лаборатории Института физики им. Л. В. Киренского было сделано еще одно наблюдение, которые открывает широкие перспективы применения этого метода - эффект памяти. При обычном переходе Фредерикса для того, чтобы молекулы сохраняли свою ориентацию, должно постоянно действовать электрическое поле. Если мы отключим у монитора питание – изображение исчезнет. При локальном переходе Фредерикса можно отключить электричество, но изображение останется прежним.
- Это можно использовать для электронной бумаги, потому что за счет эффекта памяти будет очень маленькое энергопотребление. Или для оконных ширм, которые можно будет делать прозрачными одной кнопкой: можно подать напряжение лишь раз и вещество «запомнит» ориентацию молекул.
Работа над возможностями такого управления жидкими кристаллами продолжается. Пока описанный способ был реализован только для жидкого кристалла, расположенного каплями. Сейчас ученые работают над тем, чтобы таким образом можно было управлять плоским слоем, как в современных дисплеях.
Юлия Позднякова
Иллюстрации: 1 - wikipedia.org, предоставлены М. Крахалевым
