Рідкими кристалами називають анізотропні рідини, які складаються з молекул, які зберігали певний порядок в своєму розташуванні відносно один одного. (Анізотропія - залежність фізичних властивостей речовини від напрямку.) Наприклад, атоми в молекулах можуть розташовуватися уздовж певної осі, і такі довгасті молекули орієнтуються в рідкому кристалі, як в твердому кристалі, вздовж особливого напряму (рис. 1). Особливі напрямки в рідких і твердих кристалах називаються оптичними осями, так як з їх існуванням пов'язані чудові оптичні властивості цих матеріалів (подвійне променезаломлення, поворот площини поляризації світла і ін.). На відміну від твердих кристалів, де оптичні осі жорстко закріплені, в рідких кристалах напрямки оптичних осей можна легко змінювати за допомогою електричного поля. Для управління оптичними властивостями рідких кристалів потрібні досить малі напруги.
Механізм повороту довгастої молекули під дією електричного поля Е показаний на рис. 2. Нерідко в такий молекулеелектріческіі диполь виникає уздовж довгої осі набагато легше, ніж уздовж короткої осі, т. Е. Іншими словами, електронна хмара легко зміщується щодо позитивного ядра вздовж молекули і насилу - поперек неї. Якщо поле Е і вісь п складають деякий кут, то фактично заряди в молекулі розлучаються тільки складовою поля Епвдоль осі п. Поле Е діє окремо на кожен з розведених зарядів + Q і -Q: з сілойР = 0Е у напрямку складової поля Е + - на позитивний заряд і з такою ж силою в протилежному напрямку - на негативний заряд. Таким чином, виникає пара сил, що створює крутний момент, який і повертає молекулу так, щоб вона своєю довгою віссю орієнтувалася уздовж поля Е.
Якби жидкокристаллическая середу простягалася необмежено в усіх напрямках, то оптична вісь поверталася би як завгодно слабким полем. Насправді шар рідкого кристала має кінцеву товщину (близько 0,01 мм) і відносно жорстку орієнтацію молекул на твердій поверхні, що обмежує шар. Тому що відхиляє дію поля вступає в протиборство з стабілізуючою дією пружних сил. Фактично відхилення оптичної осі в шарі рідкого кристала починається тоді, коли крутний момент електричних сил стане більше повертає моменту пружних сил. Існує певний поріг різниці потенціалів (близько 1 В), вище якого вже неважко керувати оптичною віссю в різноманітних рідкокристалічних індикаторах.
Мал. 1. В результаті взаємодії молекул рідких кристалів між собою довгі осі молекул шикуються в певному напрямку - вздовж оптичної осі.
Мал. 2. Під дією електричного поля в молекулах вздовж довгих осей виникають електричні диполі, які повертаються полем, що викликає поворот молекул і оптичної осі. Мал. 3. Схематичне зображення рідкокристалічного індикатора.
Це пояснюється тим, що всі молекули рідких кристалів взаємопов'язані і орієнтовані однаково, і досить повернути одну з них, щоб весь колектив молекул змінив свою орієнтацію.
Рідкокристалічні індикатори знаходять широке застосування, наприклад, в циферблатах сучасних електронних годинників. На рис. 3 показано, як рідкокристалічний індикатор відображає ту чи іншу цифру, букву і т. П. Тут є два поляризатора, осі яких схрещені, і дві поліровані скляні пластинки, що задають взаємно перпендикулярну орієнтацію молекул на протилежних межах шару рідкого кристала. В шарі рідкого кристала оптична вісь поступово змінює свою орієнтацію в залежності від відстані до стекол, як би утворюючи гвинтові сходи; на скла нанесені прозорі електроди. Під нижнім поляризатором розташоване дзеркало. Нижній електрод зроблений суцільним, а верхній - фігурним, що складається з декількох сегментів, за допомогою яких можна скласти будь-яку цифру, букву, число і слово. Кожен сегмент має власний електричний контакт і включається в ланцюг зі слабкою батарейкою (1,5 В) по спеціальній команді, яка подається мініатюрним генератором (див. Генератор).
(Падаючий світло поляризується верхнім поляризатором, проходить скляну пластинку і потрапляє в шар рідкого кристала. Якщо електричне коло розімкнути, як на шляху лівого пучка світла (рис. 3), то в даному місці гвинтова орієнтація оптичної осі зберігається. Тому в міру проходження лівого пучка світла його поляризація повертається відповідно до поворотом оптичної осі. На виході з шару і нижній скляній платівки цей поворот складе 90 °, причому поляризація світла збігається з віссю нижнього поляризатора. в результаті лівий пучо пройде поляризатор, відіб'ється від дзеркала і виконає весь шлях у зворотному напрямку. Ця ділянка індикатора виглядає для спостерігача світлим.
На сусідньому правом ділянці індикатора пучок світла проходить в момент замикання ланцюга на цифру 8. Поляризоване світло, потрапивши в шар рідкого кристала, зустріне тут вер-
тікально орієнтовану оптичну вісь. Саме так електричне поле повертає молекули, добре поляризується уздовж довгої осі. Тому світло пройде шар під сегментом цифри 8, не змінивши своєї поляризації, і буде зустрінутий нижнім поляризатором, вісь якого перпендикулярна поляризації світла. Отже, цей пучок світла не дійде до дзеркала, так як буде поглинений шляхом, і не повернеться до спостерігача - цифра 8 буде виглядати затемненим на світлому фоні.
Так влаштовані буквено-цифрові індикатори в калькуляторах, електронних перекладачів, шкалах вимірювальних приладів і шкалах настройки, різноманітних табло і т. П. Рідкокристалічні екрани (дисплеї) з великим числом сегментів - електродів і складної електронної схемою управління служать в якості телевізійних екранів, перетворювачів зображення (прилади нічного бачення), засобів управління світловим променем в швидкодіючих електронних обчислювальних машинах.
Деякі речовини в рідкокристалічному стані здатні змішуватися між собою і утворювати рідкі кристали, що володіють різними структурами і властивостями. Це розширює діапазон їх використання в техніці.