Техника - молодёжи 1976-08, страница 26

машин, связанны* густой сетью каналов с разбросанными по стране десятками или сотнями тысяч «интеллектуальных» терминалов. Эти последние представляют собой микрокомпьютеры, которые в основном могут справиться сами с главной, рутинной частью потребностей заказчика. Лишь для передачи сложных задач, недоступных терминалу, либо для запросов информации они связываются с центральными машинами. Становится неразумной и нерентабельной система, при которой каждый более или менее крупный потребитель — будь то завод, институт или организация, стремится иметь собственную машину, свой вычислительный центр. Ведь важна не млиина, а быстрое, квалифицированное решение нужных задач. Уместно вспомнить все более обоснованную аналогию между сетью ЭВМ и закольцованной энергетической системой всей страны. Ни завод, ни жилой массив, никто из тех, кто пользуется электроэнергией, не вздумает сам ее производить. Потребитель не знает, да и не нужно ему знать, какая именно электростанция вырабатывает энергию, питающую данный мотор или лампочку.

2. Возможности жидких кристаллов

На страницах специальных и популярных журналов давно появилось и прижилось красивое, интригующее и несколько противоречивое название — жидкие кристаллы. Причем интерес к жидким кристаллам возник у представителей самых разных наук — от физиков-теоретиков и инженеров-электронщиков до биологов и врачей. На примере жидких кристаллов хорошо видно, насколько условно и грубо мы делим явления природы на физические, химические, биологические и т. п. Природа как бы нарочно подбросила исследователям объект на самом стыке наук.

Прежде всего попытаемся четко сформулировать, казалось бы, самоочевидную разницу между кристаллами (твердыми телами) и жидкостями. Классическая физика рассматривала жидкость как очень плотный газ (то есть хаотический ансамбль молекул), а твердое тело — как упорядоченную совокупность молекул. Но даже такое четкое разделение на жидкости и кристаллы допускает существование некой промежуточной фазы, объединяющей их свойства.

Представим себе жидкость, молекулы которой имеют удлиненную, палочкообразную форму. Пусть центры тяжести молекул располагаются совершенно случайным образом, но силы взаимодействия «.выстраивают» их параллельно друг другу (рис. 1).

Они подвижны во всех трех измерениях, могут вращаться вокруг длинной оси, словом, ведут себя как обычные молекулы жидкости, с учетом единственного ограничения — при всех перемещениях должно сохраняться (в целом) некоторое выделенное направление длинных осей У такой жидкости будут различные оптические и другие характеристики (например, теплопроводность) в различных направлениях, то есть она будет анизотропной. А ведь анизотропия всегда считалась отличительной чертой кристаллического состояния!

Жидкость описанного выше типа не выдумана. Она принадлежит обширному классу веществ, называемых нематическими жидкими кристаллами. Слово «немое» по-гречески означает «нить», и, действительно, молекулы таких жидких кристаллов напоминают бусинки, укрепленные на нити.

Возможны и другие типы молекулярной архитектуры, создающие анизотропию. Укладка молекул слоями или пачками, как показано на рисунке 2, приводит нас к еще одному классу жидких кристаллов — смек-тическим. Такая упаковка молекул создает анизотропию не только оптических, но и механических свойств, поскольку слои легко смещаются друг относительно друга. Название этой группы связано с греческим словом «смектос» («мыло»). Такое расположение молекул характерно для мыльных растворов, эмульсии и т. д.

И наконец третьим распространенным типом жидких кристаллов являются холестерические, в которых молекулы укладываются в плоскостях подобно описанным выше нематиче-ским кристаллам, но сами плоскости повернуты друг относительно друга. Вектор, связанный с длинной осью, так называемый «директор», описывает в пространстве спираль (рис. 3) Этот класс жидких кристаллов образуют в основном соединения печально известного холестерина.

Описанные выше жидкокристаллические системы были известны физикам еще с конца прошлого столетия, однако из-за кажущейся невозможности практически использовать их удивительные свойства интерес к ним пропал и лишь в редких лабораториях их изучали в качестве «ненормального» объекта, забавной, но совершенно бесполезной физико-химической диковинки. Но в последние годы ученые обнаружили, что жидкие кристаллы распространены весьма широко и играют огромную роль во многих физических, химических и биологических процессах.

Прежде всего было найдено, что воздействие электрического поля на жидкие кристаллы приводит к электрооптическим эффектам, не имеющим аналогов среди прочих оптиче

ских сред. Для исследования таких эффектов используют электрооптические ячейки, показанные на рисунке 4. Ячейка состоит из двух стекол, между которыми находится тонкий слой жидкого кристалла. Окрашенные поверхности стекол обработаны таким образом, чтобы они, оставаясь прозрачными, пропускали электрический ток. Таким образом получают как бы прозрачный конденсатор, диэлектриком внутри которого служит слой жидкого кристалла.

Первым из открытых и, пожалуй, наиболее впечатляющих эффектов стало динамическое рассеяние. При определенном значении приложенного поля жидкость между электродами как бы становится мутной. Свет, до сих пор беспрепятственно проходивший через жидкий кристалл, рассеивается, и участки с повышенным напряжением становятся видны.

Этот простой эффект имеет большую практическую ценность. Электропроводящие участки поверхности стекла могут быть выполнены в виде букв или геометрических фигур. Подавая на них соответствующее напряжение, можно формировать различным образом прозрачные и непрозрачные участки, то есть с ничтожными затратами энергии создавать подвижные или неподвижные картины. Уже входят в практику часы с циферблатами на жидких кристаллах различного типа, отображающие устройства (дисплеи), аппараты вывода информации из ЭВМ. Особый интерес представляет разработка устройств типа телевизора. Использование динамического рассеяния на слое жидкого кристалла толщиной в несколько микрон позволит получить изображение, затрачивая мощность порядка микроваттов. При этом из-за тонкости слоя жидкого кристалла необходимое напряжение на ячейке составит всего несколько вольт! Не требуется никаких электронных трубок: плоский экран (фактически толщина двух листов стекла) и электроника.

Удивительные превращения происходят с лучом света при взаимодействии с холестерическим жидким кристаллом, то есть периодической спиралью. Освещенный белым светом, он кажется окрашенным и при поворотах (при изменении угла наблюдения) начинает переливаться всеми цветами радуги. Этот эффект возникает потому, что в различных направлениях чешуйки кристалла, отражающие свет, расположены на различных расстояниях и отражают из белого света лишь волны с определенной длиной.

Такой простой и красивый эффект дает исследователям ошеломляющую возможность. Например, пусть какой-то участок поверхности нагрет на сотые доли градуса выше окружающих Приложим к такой поверх

24