Что такое жидкие кристаллы?
Автор: Евгений Сусманович
Что такое жидкие кристаллы?
Современный графический дизайн немыслим без полноценной цветопередачи мониторов, используемых сегодня в качестве творческих поверхностей. Полезная информация о выборе монитора уже приводилась на страницах блога, а здесь речь пойдёт о жидких кристаллах – химических веществах, обладающих способностью кардинально менять свои свойства под воздействием едва заметных сил.
Недавно я перелистывал одну свою старенькую книжку «детства» под названием «Школьникам о современной физике» 1990 года издания. И наткнулся на интересный абзац о перспективах использования жидких кристаллов в технике. Я даже сфотографировал этот фрагмент:
Сегодня, когда ЖК-мониторы (точнее говорить о жидкокристаллических дисплеях, LCD-дисплеях, от англ. LCD – Liquid Crystal Display) полностью вытеснили своих электронно-лучевых предков, интересно взять и разломать монитор, посмотреть, что у него внутри, достать на свет божий эти загадочные жидкие кристаллы и получить ответы на некоторые вопросы. Итак.
Жидкие кристаллы. Почему они так называются?
Если нагревать твёрдое вещество, то оно превратится в жидкость, т.е. перейдёт из одного агрегатного состояния в другое. Этот переход для каждого вещества чётко зафиксирован и называется его температурой плавления. Например, свинец плавится при 327,5°С. Но вот в конце XIX века австрийский учёный Фридрих Рейнитцер, изучая вещества моркови, столкнулся с непонятным поведением холестерилбензоата (аналога морковного каротина). В 1888 году учёный пишет:
«Вещество имеет, если можно так выразиться, две точки плавления. При 145,5° оно вначале плавится в мутную, но совершенно подвижную жидкость. Она при 178,5° внезапно становится совершенно прозрачной».
Наблюдая жидкость мутной фазы в микроскоп, Рейнитцер установил наличие свойств, характерных для типичного кристалла (например, двойное лучепреломление света).
Рейнитцер изучал свойства морковного каротина, для этого он синтезировал холестерилбензоат в качестве модели и… открыл новое состояние вещества.
Точно интерпретировать все эти факты у Рейнитцера не получалось. Могло возникнуть впечатление, что мутная фаза холестерилбензоата – это неоднородная смесь жидкости и твёрдых кристаллов. Именно такое впечатление и создалось у большей части научного сообщества. Но появились и те, кто развивал идею реальности жидких кристаллов, как нового (четвёртого) состояния вещества.
В этой связи, интересно отметить одно заблуждение, которое (а это частенько в науке бывает) немало поспособствовало признанию жидкокристаллического состояния. Немецкий физик Отто Леман разрабатывал (ещё до и независимо от открытия Рейнитцера) теорию кристаллов вообще. Сегодня она покажется нам смешной. Леман полагал, будто кристаллы существуют без кристаллической решётки, и атомы ведут себя в зависимости от своего веса: большинство кристаллов упруги и выдерживают свой вес, существуют и мягкие кристаллы, следовательно, должны быть и кристаллы, «мягкость которых такова, что позволяет назвать их жидкими». Отто Леман решил, что холестерилбензоат, открытый Рейнитцером, — тому явное доказательство! Вот так и привязался термин «жидкий кристалл» к холестерилбензоату и ко всем последующим подобным соединениям.
Но смысл нынешнего употребления понятия «жидкий кристалл» тоже вполне оправдан, ибо он заключает в себе двоякость природы таких веществ:
| ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ | |
| сходство с жидкостями | сходство с кристаллами |
| Текучесть: вещество принимают форму сосуда, в который он помещён | Упорядоченность структуры: молекулы вещества располагаются в определённом порядке |
Как устроены жидкие кристаллы?
Разберёмся с правой колонкой таблицы поподробнее. На рисунке с морковкой мы видим, что молекула холестерилбензоата имеет вытянутую палочкообразную форму. Эта форма молекул оказалась типичной для большинства жидких кристаллов. Именно удлинённая геометрия молекул предопределяет их взаимное расположение внутри вещества – они располагаются бок о бок друг к другу и в определённом порядке:
Кстати, наш холестерилбензоат, когда пребывает в жидкокристаллической фазе, является холестериком; собственно это вещество и дало название всей группе ему подобных молекул. Видно, что структура холестерика периодична, имеет место повторение порядка через определённый шаг
Существуют и другие типы жидких кристаллов, но эти являются классическими. Молекулы обычной жидкости ведут себя достаточно вольно, они могут двигаться во всех направлениях. Рисунок показывает, что молекулы нематиков, смектиков и холестериков более закрепощены: могут двигаться вдоль своей оси, могут поворачиваться на определённый угол, но при этих движениях не выходить за рамки заданного порядка. Такое внутреннее устройство жидкокристаллического состояния определяет его свойства и применение.
На каких свойствах жидких кристаллов основано их применение?
Из многокомпонентного списка применений жидких кристаллов остановимся на цветопередаче, которая больше всего интересует всех работающих с компьютерной графикой. Для художников и дизайнеров весьма полезно ознакомиться с тем, как настроить монитор с помощью программы Adobe Gamma, ну а здесь я поведу речь о физических основах появления света и цвета на компьютерных экранах.
Цвет на экране ЭЛТ-монитора появляется понятно как: стекло экрана изнутри покрыто люминофорами – специальными веществами, которые под действием луча электронов светятся разными цветами. Постоянно бомбардируемая электронами смесь красного, синего и зелёного люминофоров позволяет видеть нашему глазу полноцветное изображение. Разберёмся, откуда берётся цвет на экране ЖК-монитора.
Дисплеи ЖК-мониторов (LCD-дисплеи) состоят из пикселей. Каждый пиксель состоит из субпикселей – красного, синего и зелёного. Физически каждый субпиксель – это ячейка, состоящая из двух поляризационных фильтров, между которыми расположен слой смеси жидкокристаллических веществ. Смесь веществ берётся для того, чтобы монитор работал при широком диапазоне температур. Ведь для каждого в отдельности вещества существует, как говорилось, только определённый интервал, в котором оно существует в жидкокристаллическом состоянии. Можно сказать, что пиксель является структурно-функциональной единицей матрицы монитора. Нет смысла здесь разбираться с матрицами, поскольку, во-первых, существуют полноценные описания их устройства и принципов работы, а во-вторых, через 50 лет об этих матрицах никто не вспомнит, но при этом оптические свойства жидких кристаллов никуда не денутся.
В частности, работа ЖК-дисплеев основана на оптическом эффекте Фредерикса.
Эффект в том, что под воздействием электрического поля (а там, где электрическое, там и магнитное) молекулы жидких кристаллов поворачиваются. Направление их поворота совпадает с линиями электрического поля. В реальности линий все мы убеждались на школьном опыте с железными стружками.
Железные стружки при включении магнита выстраиваются вдоль линий электромагнитного поля. Опыт демонстрирует физическую реальность поля.
Поместим слой жидких кристаллов между двумя пластинками и будем подсвечивать с одной стороны этот слой. Если молекулы ЖК расположены вертикально, то свет будет свободно проходить через слой. Если подать напряжение на пластинки (то есть создать электрическое поле), то молекулы начнут своё движение: выстроятся под определённым углом. Тогда часть света уже будет рассеиваться, и на выходе мы его не увидим, или увидим его другую интенсивность. Варьируя напряжением поля, можно получать на выходе разный свет. А теперь представьте себе тройку субпикселей: в красном, например, одна напряжённость поля, в зелёном – поменьше, а в синем поля вообще нет в данный момент времени. Получается, что в данный момент времени мы видим от одного пикселя – мало красного, чуть больше зелёного и много синего (цвет субпикселя – это всего-навсего цветная пластинка, через которую проходит свет). А ведь пикселей на дисплее монитора – два, три миллиона! Световые потоки от каждого из них смешиваются в определённых пропорциях и в определённой геометрии, и мы получаем некое цветное изображение.
Такой информации может быть достаточно для общего понимания того откуда берётся цвет на экране ЖК-монитора. Но внимательный читатель не может не спросить о поляризационных фильтрах, упомянутых при описании субпикселя. Для чего они нужны? Дело в том, что через слой жидких кристаллов проходит не обычный свет, а поляризованный. Не будет ошибкой сказать, что поляризованный – это свет, прошедший сквозь поляризационный фильтр (поляризатор, поляроид). Не будет ошибкой и утверждать, что мы и не видели-то никогда чистого света. Он поляризуется от облаков, от воды в воздухе, от пыли. Проходя через любое материальное тело, свет неминуемо поляризуется.
Чистый свет. Колебания в нём происходят во всех направлениях пространства
Если пропустить такой свет через фильтр, то получим поляризованный свет, колебания которого происходят в одной определённой плоскости, например, так
Если пропускать свет через два фильтра подряд, один из которых вертикально ориентирует свет, а другой горизонтально, то на выходе мы ничего не увидим. Замечательную анимацию этого явления предоставляет нам свободная энциклопедия:
Так вот, возвращаемся к жидким кристаллам и субпикселям. Ячейка субпикселя содержит жидкокристаллический слой, зажатый между двумя поляризационными фильтрами: один из них вертикальный, другой горизонтальный. При наложении поля, как уже говорилось, молекулы ЖК начинают двигаться и вращают плоскость поляризации света, прошедшего через первый фильтр. Вращают его так, что теперь он уже может пройти и через второй фильтр и попасть нам в глаза. То есть вращающиеся жидкие кристаллы играют роль пальцев руки на приведённой анимации. Только пальцы крутят фильтры, а в пикселях фильтры фиксированы. Меняя напряжённость поля, можно менять интенсивность проходящего света, а, следовательно, и цвета тысячами вариантов. Что мы и видим на экранах современных компьютеров.
Заодно становится понятно, почему мониторы на жидких кристаллах имеют низкий уровень электромагнитного излучения. ЖК-мониторы испускают свет от ламп, они не используют для производства цвета поток электронов, как в устаревших ЭЛТ-мониторах.
P.S. Всякое популярное изложение сложного материала сопровождается упрощением и некоторым обобщением. Прошу учитывать это обстоятельство, однако ни в коей мере это не относится к возможным ошибкам принципиального характера, поэтому с благодарностью и интересом приму все критические замечания по сути статьи.
Вам понравилась статья? Поделитесь ею со своими друзьями, нажав кнопку соц. сервиса или "retweet".
Ещё почитать:
- Сульфид кадмия – жёлтый пигмент для живописи // 25 июня 2012 // 8
- Перекись водорода: реставрация картин и окрашивание волос // 17 июня 2012 // 2
- Киноварь – красный пигмент для живописи // 10 июня 2012 // 3
- Диоксид титана и титановые белила // 26 мая 2012 //
- Газовая сажа – чёрный пигмент для живописи // 8 мая 2012 // 6
К записи 15 комментариев
Вопросы, жалобы, предложения, пожелания и замечания
по данной статье можете оставить здесь:
Последние новости
- Любимые киноперсонажи Галины Шефер
- Занимательный дизайн. Пятиконечная звезда
- Картины Шишкина, Стивен Кинг и копирование реальности
- Эпизод 50. Гангутское сражение
- Образ лошади в живописи
- Джеймс Уистлер «Аранжировка в сером и чёрном. Мать художника»
- Принцип работы Selective Color в Фотошопе
- Рене Магритт «Замок в Пиренеях»
- Оранжевые краски и оранжевый цвет
- Занимательный дизайн. Свет и тень
Женя, привет! Ты письмо получил от меня с тем, о чем ты меня просил?
Ответить
А у меня другое понятия было о них.
Ответить
Многа букаффф, но я осилила
Не скажу, что все запомнила и поняла, но для девушки это простительно!!! Даже если она не блондинка 
Но почему кристалы называют теперь буду знать 
Ответить
Вот это очень интересная статья.
Ответить
Наверно еще в 90 г. были попытки сделать подобные телеэкраны, раз об этом писалось в учебниках по физике.
Ответить
Добрый день! Можно ли использовать материалы вашего сайта с обязательной ссылкой на ваш сайт?
Ответить
Юлия Сусманович:
октября 28, 2015 в 11:57
Да, и с указанием автора. Спасибо за интерес к сайту.
Ответить
Спасибо большое, сижу готовлюсь к защите диплома, срочно надо было узнать о ЖК , очень доступно для понимания, просто и ясно, большое спасибо Автору.
Ответить
:
июня 21, 2016 в 17:44
И вам спасибо
Ответить
Интересно, только вот я так и не понял из чего их делают. Или это просто химическое соединение?
Ответить
Так толком и не объяснил, зачем нужны поляризационные фильтры,ведь жидкие кристалы и без них могут блокировать свет.
Ответить
Влад:
октября 1, 2019 в 0:38
Свет, подходя через два поляризационных фильтра, повернутых на 90 градусов по отношению друг к другу, теряется во втором фильтре. Жидкие кристаллы выполняют роль второго фильтра. В состоянии без электричества, кристаллы находятся в хаотичном состоянии, то есть свет через них не поляризуется и свободно проходит, поляризуясь только на фильтре. При подаче напряжения, кристаллы выстраиваются в ряды, тем самым поляризуя свет, создавая второй фильтр, в который свет и упирается. Автор сильно упростил механизм.
Ответить
Перезвоните мне пожалуйста по номеру. 8 (953) 367-35-45 Антон
Ответить
У Вас телефон все время занят, перезвоните как будет время. 8 (953) 345-23-45 Антон
Ответить
Не удалось дозвониться, вот мой телефон. 8 (903) 749-86-80 Константин
Ответить