Как создавались жидкокристаллические мониторы?

Каждый из нас на самом деле содержит жидкие кристаллы, не только в электронных устройствах, таких как часы и смартфоны, но и внутри нашего организма. Кристаллическое состояние присутствует в клетках нашего организма, а следовательно, является нормой для всех живых организмов на Земле, даже для простейших форм жизни, таких как вирусы.

Даже самая примитивная форма жизни, такая как вирусы, содержит жидкие кристаллы. Длительное время назад ботаники видели скопления кристаллов вирусов в клетках табачных листьев, но не понимали, что это именно вирусы. Только спустя десятилетия Уэнделл Мередит Стэнли впервые выделил вирус табачной мозаики в кристаллическом виде и был удостоен Нобелевской премии. У более сложных организмов также есть липидно-белковые мембраны, содержащие тот же дальний порядок, характерный для кристаллических веществ, и реагирующие на оптические, температурные и электромагнитные воздействия. Поэтому неудивительно, что жидкие кристаллы были обнаружены в природе, а не созданы в лабораторной среде. До сих пор физико-химики и молекулярные биологи стараются синтезировать что-то сложнее жидких кристаллов, используемых в дисплеях ноутбуков и смартфонов, но пока безуспешно.

В конце 1880-х годов профессор Отто Леман изучал процессы кристаллизации, механической деформации и растворения кристаллов с помощью своего поляризационного микроскопа. В ходе исследований он обнаружил, что при температуре выше 146°C кристаллы йодистого серебра, в отличие от обычных кристаллов, становятся пластичными и можно раскатать в лепешку при механическом давлении.

Леман приходил к выводу, что должны существовать кристаллы, которые не выдерживают своего веса и по сути являются жидкими. Однако он не мог синтезировать подобные жидкие кристаллы из пересыщенных растворов химических соединений.

Получив письмо с рецептом жидких кристаллов от доцента Немецкой высшей технической школы в Праге Фридриха Рейнитцера, Леман узнал, что Рейнитцер самостоятельно проводил биохимические исследования.

Рейнитцер изучал химические и физические свойства производных холестерина и каротина из моркови и получил сложные эфиры холестерина с уксусной и бензойной кислотами. Интерес вызвало то, что при определении температуры плавления холестеринбензоата обнаружилось наличие двух точек плавления, что указывало на двойственные свойства вещества при нагревании и охлаждении.

Таким образом, исследования Рейнитцера подтвердили гипотезу Лемана о существовании жидких кристаллов, и это явилось важным открытием в области кристаллографии.

Этот процесс изменения цвета, который является обратимым, является классическим примером записи информации. Он может быть использован в системах телекоммуникации, оптической памяти и других информационных технологиях. Однако в то время подобные абстракции были непонятны даже самым передовым ученым. Для них важнее всего было наличие оптической анизотропии, характерной для кристаллов. Эти "жидкие кристаллы" были ключевым элементом, которого не хватало Отто Леману для подтверждения его теории о трех видах кристаллов: обычных, полужидких и жидких. В своей статье "О текучих кристаллах", опубликованной в 1889 году, он отметил: "Благодаря открытию Рейнитцера в Праге недавно мне действительно удалось найти жидкие кристаллические вещества”.

Поначалу физики и химики не сразу приняли жидкие кристаллы, но к 1910-м годам они уже вошли в университетские учебники физики, а в 1916 и 1919 годах Отто Леман был среди претендентов на Нобелевскую премию. Однако, он не получил премию, так как время жидких кристаллов еще не наступило, несмотря на продвижение его исследований. В это время были открыты минеральные жидкие кристаллы, которые представляли собой дисперсии неорганических нано- и микрокристаллов в различных растворителях.

В настоящее время жидкие кристаллы изучаются в контексте производных графена, что является важным направлением исследований. Однако, в 1920-е годы для инженеров и ученых еще более интересными были реакции жидких кристаллов на электрические и магнитные поля. Эти исследования привели к открытию электрооптического перехода Фредерикса в 1927 году.

Суть изобретения, принадлежащего Всеволоду Фредериксу из Ленинградского университета и получившего патент британской Marconi's Wireless Telegraph Company в 1936 году, заключается в том, что ориентация молекул в жидких кристаллах может легко изменяться при воздействии внешних полей, причем эти поля могут быть слабыми, а изменения происходят очень быстро. Иными словами, по теории Фредерикса, путем управления слоем жидкого кристалла с помощью электромагнитного поля возможно пропускать свет через кристалл или его загасить. Этот эффект, открытый Всеволодом Фредериксом, и его физическая интерпретация лежат в основе всех современных жидкокристаллических устройств отображения информации.

Фредерикс не предпринимал попыток оформить свои исследования в качестве авторского свидетельства. В период с 1927 по 1936 год он совместно с А.Н. Репьевой, В.В. Золиной и В.Н. Цветковым публиковал серию статей с результатами своих исследований в европейских научных журналах на немецком и английском языках, что делало их доступными западным инженерам, включая сотрудников Marconi's Wireless Telegraph Company в Великобритании.

В 1927 году Фредерикс также вступил в брак и стал отцом. Его жена, Мария Шостакович, была старшей сестрой советского композитора Дмитрия Шостаковича. Несмотря на это, Фредерикс не избежал репрессий из-за своих связей и "подозрительной" биографии. Laurnяем Фредерикса была одним из прошлых поколений остзейской баронской семьи, что сделало его семью объектом подозрений.

Всеволод Фредерикс представлял собой нефакультативное лицо в своем баронском роду, отдав предпочтение физике вместо военной или придворной карьере. После обучения в Женеве он работал в Геттингенском университете до 1918 года. После возвращения в Россию его поддерживал Александр Фридман, которому смешно было утверждение, что только он и Фредерикс понимали теорию относительности Эйнштейна. Фредерикс был арестован в 1936 году из-за обширных контактов в нацистской Германии, но в 1943 году был досрочно освобожден. Несмотря на небольшое количество ученых такого уровня в стране, он умер от пневмонии, так и не успев начать работу в новом месте.

В том же 1936 году, когда Фредерикс был арестован, британская Marconis Wireless Telegraph Co Ltd получила патент на электрооптические световые клапаны. Патент был выдан инженерам компании Барнету и Найману Левиным. Конструкция братьев Левиных представляла собой использование двупреломляющего материала в ячейке Керра, находящегося в состоянии, промежуточном между жидким и твердым. Клапан, разработанный ими, был способен пропускать или блокировать свет в зависимости от параметров электромагнитного поля. Несмотря на успех в британской истории, их патент остался лишь иллюстрацией первой попытки запатентовать жидкокристаллический дисплей. Впоследствии заметное упоминание патента в цитатах относилось к нескольким патентам на жидкокристаллические мониторы, но со временем патент исчез из справочников и энциклопедий.

Первое практическое использование жидких кристаллов было связано с их способностью изменять цвет при изменении температуры, что было отмечено уже в XIX веке Фридрихом Райнитцером и Отто Леманом. В 1960 году инженер Westinghouse Electric Corporation, Джеймс Фергасон, подал заявку на патент на "Тепловизионные устройства, использующие материал холестериновой жидкокристаллической фазы". Этот патент был получен им в декабре 1963 года, а в описании устройства Фергасон подчеркнул его потенциальное применение в области безопасности, а также как декоративное и полезное средство. Несмотря на то, что теперь тепловизоры воспринимаются как что-то обыденное, в те времена цветные изображения Фергасона вызвали большой интерес ученых и инженеров, поскольку демонстрировали возможность другого типа цветного телевидения. Это сподвигло инженеров серьезно заняться разработкой жидкокристаллических дисплеев.

В 1960-е годы были разработаны и запатентованы технологии, необходимые для начала производства первых коммерческих ЖК дисплеев в начале 1970-х годов. Хотя они были простыми по сравнению с дисплеями телевизоров с электронно-лучевыми трубками, это стало только началом, и очень успешным, история которого детально изучена и документирована в различных источниках. Эти работы были проведены десятками, если не сотнями исследовательских групп, преимущественно в Великобритании, США, Швейцарии и Японии. В 1965 году прошла первая международная конференция по жидким кристаллам в Кенте, штат Огайо, на которой присутствовали около 100 ведущих ученых в области жидких кристаллов.

В 1960-х годах были разработаны полевой транзистор из металл-оксид-полупроводника (MOSFET) и первый тонкопленочный транзистор (TFT), которые представляли собой эффективные инструменты управления жидкими кристаллами. Благодаря сильному электрическому полю был создан узор полос в тонком слое жидкого кристалла при 125°C, а также были обнаружены жидкокристаллические материалы, работающие при комнатной температуре. Это позволило появиться первым цифровым часам и калькуляторам с жидкокристаллическими экранами в начале 1970-х годов.

Однако возникли патентные споры, в частности, между Джеймсом Фергасоном и Вольфгангом Хелфрихом и Мартином Шадтом, касающиеся скрученного нематического эффекта – способа управления картинкой на ЖК дисплее при помощи слабых электрических полей. Возникли патентные коллизии, и в результате трехлетней судебной тяжбы стороны урегулировали спор вне суда, договорившись о доле в роялти от лицензий на этот способ управления ЖК мониторами.

Другой важной точкой было получение патента на 4-циано-4' пентилбифенил в 1972 году исследовательской группой Джорджа Грея. Это соединение было идеальным для использования в жидкокристаллических мониторах и стало предметом спецслужбенной истории, связанной с поиском альтернативы электронно-лучевым трубкам по заказу государственного министра по технологиям Джона Стоунхауса в 1968 году.

Один из участников встречи вспоминал, что все были поражены и в некотором оцепенении. Внезапно нарушившее молчание предложение о помощи прозвучало от Джорджа Грея, чья группа и сам университет впоследствии получили значительное финансирование от правительства. Грей сумел выполнить свое обещание, обнаружив материал с жидкокристаллической фазой в интервале температур от 22°C до 35°C. Его 4-циано-4' пентилбифенил представлял собой потенциальную основу для жизнеспособных ЖК дисплеев.

Тем временем министра Стоунхауса это уже не интересовало, поскольку он оказался шпионом чехословацкой (то есть советской) разведки, и был предан перебежчиком из чешской службы безопасности. Лейбористское правительство Гарольда Вильсона, по неясной причине, затормозило это дело, и Стоунхаус сам по себе привел к своему падению. В 1974 году он исчез, утверждая, что его съела акула, а его поддельные документы и побег с секретаршей привели к его пойманню и тюремному заключению в конце концов.

В том же 1977 году химик Людвиг Поль из компании Merck получил патенты в Германии (DE2 636 684C3), США (US4 130 502), Японии (JPS6 261 636B2) и в нескольких других странах на новый класс цианофенилциклогексанов, синтезированных на основе 4-циано-4' пентилбифенила Грея, которые стали основой почти всех современных ЖК дисплеев.

Таким образом, предыстория ЖК мониторов завершена. Они родились, развивались и стали более эффективными по мере прохождения времени. Вполне оправдывая себя в младенчестве и детстве в 1980-х годах, они стали более мощными и усовершенствованными в нулевые годы. Несмотря на успешное совершенствование с использованием новых технологий и материалов, неизбежно приближается "возраст мудрости" и время спокойной жизни в музейных экспозициях. Вопрос о том, что придет на смену ЖК дисплеям, остается открытым. Однако уже сейчас можно утверждать, что кто-то, как и Рейнитцер в свое время, наблюдает за чем-то удивительным, не ведая, каково будущее предстоит этому феномену.