Мы привыкли к идее, что данное вещество может находиться в одном из трех состояний: твердом, жидком или газообразном — мы называем их состояниями материи, — и вплоть до конца 19 века ученые думали, что на этом история закончилась. Затем, в 1888 году, австрийский химик по имени Фридрих Райнитцер (1857-1927) открыл жидкие кристаллы, которые представляют собой совершенно другое состояние, нечто среднее между жидкостями и твердыми телами. Жидкие кристаллы, возможно, так и остались бы в безвестности, если бы не тот факт, что они, как оказалось, обладают некоторыми очень полезными свойствами.

Твердые вещества - это замороженные комочки вещества, которые остаются на месте сами по себе, часто с их атомами, упакованными в аккуратное, правильное расположение, называемое кристаллом (или кристаллической решеткой). Жидкости не упорядочены по твердости, и, хотя они остаются на месте, если вы храните их в контейнере, они относительно легко вытекают, когда вы их выливаете. Теперь представьте себе вещество, имеющее некоторый порядок твердого вещества и некоторую текучесть жидкости. То, что у вас есть, — это жидкий кристалл - своего рода промежуточное звено. В любой данный момент жидкие кристаллы могут находиться в одном из нескольких возможных "подсостояний" (фаз) где-то в подвешенном состоянии между твердым телом и жидкостью. Две наиболее важные жидкокристаллические фазы называются нематической и смектической:

Когда жидкие кристаллы находятся в нематической фазе, они немного похожи на жидкость: их молекулы могут перемещаться и протискиваться мимо друг друга, но все они направлены в основном в одном направлении. Они немного похожи на спички в спичечном коробке: вы можете встряхивать их и передвигать, но все они будут направлены в одну и ту же сторону.

Если вы охлаждаете жидкие кристаллы, они переходят в смектическую фазу. Теперь молекулы формируются в слои, которые могут относительно легко скользить друг мимо друга. Молекулы в данном слое могут перемещаться внутри него, но они не могут и не перемещаются в другие слои (немного похоже на людей, работающих в разных компаниях на определенных этажах офисного здания). На самом деле существует несколько различных смектических "подфаз", но мы не будем здесь вдаваться в них более подробно.

Как ЖК-дисплеи используют жидкие кристаллы и поляризованный свет？

Экран ЖК-телевизора использует трюк с солнцезащитными очками для включения или выключения цветных пикселей.

В задней части экрана есть большой яркий источник света, который направлен на зрителя. Перед этим находятся миллионы пикселей, каждый из которых состоит из меньших областей, называемых субпикселями, окрашенных в красный, синий или зеленый цвета. Каждый пиксель имеет поляризационный стеклянный фильтр позади себя и еще один перед ним под углом 90 градусов. Это означает, что пиксель обычно выглядит темным. Между двумя поляризационными фильтрами находится крошечный скрученный нематический жидкий кристалл, который можно включать или выключать (скручивать или раскручивать) электронным способом. Когда он выключен, он поворачивает проходящий через него свет на 90 градусов, эффективно позволяя свету проходить через два поляризационных фильтра и придавая пикселю яркий вид. Когда он включен, он не поворачивает источник света, который блокируется одним из поляризаторов, и пиксель выглядит темным. Каждый пиксель управляется отдельным транзистором (крошечным электронным компонентом), который может включать или выключать его много раз в секунду.

Чем отличаются ЖК-дисплеи?

Вы, наверное, знаете, что телевизор с электронно-лучевой трубкой старого образца (ЭЛТ) создает изображение с помощью трех электронных пушек. Думайте о них как о трех очень быстрых, очень точных кистях, которые танцуют взад-вперед, рисуя движущееся изображение на обратной стороне экрана, которое вы можете наблюдать, сидя перед ним.

Плоские жидкокристаллические и плазменные экраны работают совершенно по-другому. Если вы сядете поближе к телевизору с плоским экраном, то заметите, что изображение состоит из миллионов крошечных блоков, называемых пикселями (элементами изображения). Каждый из них фактически представляет собой отдельный красный, синий или зеленый индикатор, который можно очень быстро включать или выключать для создания движущегося цветного изображения. Управление пикселями на плазменных и жидкокристаллических экранах осуществляется совершенно по-разному. На плазменном экране каждый пиксель представляет собой крошечную люминесцентную лампу, включаемую или выключаемую электронным способом. В ЖК-телевизоре пиксели включаются или выключаются электронным способом с помощью жидких кристаллов для вращения поляризованного света. Это не так сложно, как кажется! Чтобы понять, что происходит, сначала нам нужно понять, что такое жидкие кристаллы; затем нам нужно более внимательно присмотреться к свету и к тому, как он распространяется.

Что такое поляризованный свет?

У нематических жидких кристаллов есть действительно изящный трюк для вечеринок. Они могут принимать скрученную структуру, и когда вы прикладываете к ним электричество, они снова выпрямляются. Может показаться, что в этом нет ничего сложного, но это ключ к тому, как жидкокристаллические дисплеи включают и выключают пиксели. Чтобы понять, как жидкие кристаллы могут управлять пикселями, нам нужно знать о поляризованном свете.

Свет - таинственная вещь. Иногда он ведет себя как поток частиц — как постоянный шквал микроскопических пушечных ядер, несущих энергию, которую мы можем видеть, по воздуху с чрезвычайно высокой скоростью. В других случаях свет ведет себя скорее как морские волны. Вместо воды, движущейся вверх и вниз, свет представляет собой волновую структуру электрической и магнитной энергии, вибрирующей в пространстве.

Когда солнечный свет струится с неба, все световые волны смешиваются и вибрируют во всех возможных направлениях. Но если мы поставим на пути фильтр с сеткой линий, расположенных вертикально, как отверстия в тюремных решетках (только гораздо ближе друг к другу), мы сможем блокировать все световые волны, кроме тех, которые вибрируют вертикально (единственные световые волны, которые могут проходить через вертикальные решетки). Поскольку мы блокируем большую часть первоначального солнечного света, наш фильтр эффективно приглушает свет. Вот как работают поляризационные солнцезащитные очки: они отсекают все, кроме солнечного света, колеблющегося в одном направлении или плоскости. Свет, отфильтрованный таким образом, называется поляризованным или плоскополяризованным светом (поскольку он может распространяться только в одной плоскости).

Если у вас есть две пары поляризационных солнцезащитных очков (а с обычными солнцезащитными очками это не сработает), вы можете проделать хитрый трюк. Если вы положите одну пару прямо перед другой, вы все равно сможете видеть насквозь. Но если вы медленно повернете одну пару и оставите другую пару на том же месте, вы увидите, что проходящий свет постепенно становится темнее. Когда две пары солнцезащитных очков находятся под углом 90 градусов друг к другу, вы вообще не сможете видеть сквозь них. Первая пара солнцезащитных очков блокирует все световые волны, кроме тех, которые вибрируют вертикально. Вторая пара солнцезащитных очков работает точно так же, как и первая пара. Если обе пары очков направлены в одном направлении, это нормально — световые волны, вибрирующие вертикально, все равно могут проходить через оба стекла. Но если мы повернем вторую пару очков на 90 градусов, световые волны, которые прошли через первую пару очков, больше не смогут пройти через вторую пару. Никакой свет вообще не может пройти через два поляризационных фильтра, расположенных под углом 90 градусов друг к другу.