Интересное научное достижение сделано учеными из Кембриджа: им удалось скомбинировать в одной структуре жидкие кристаллы и вертикально расположенные углеродные нанотрубки таким образом, чтобы получилось трехмерное жидкокристаллическое устройство с перестраиваемой конфигурацией. Это инженерное решение открывает совершенно новые возможности для контроля свойств молекул в жидких кристаллах, позволяющего перемещать их в различных направлениях, и таким образом  – создавать сложные компоненты оптических систем, такие как элементарные линзы в многопучковых системах

Эта технология еще очень молода, но проводимые испытания уже позволяют говорить о ее потенциальных применениях в адаптивных оптических системах, таких как сенсоры волнового фронта для оптометрии, цифровые видеокамеры, рассеиватели света и разрабатываемыев настоящее время устройства с дисплеями для чтения без наклона головы.

Рисунок 1. Модель электрического поля, окружающего отдельную многостенную углеродную нанотрубку (МУНТ) в вакууме

Молекулы жидкого кристалла имеют форму, позволяющую им при помещении в ячейку самопроизвольно выстраиваться относительно друг друга, образуя структуру оптически активного пикселя. В устройстве дисплея такие жидкокристаллические пиксели используются для изменения поляризации света, проходящего через них, а степень изменения поляризации, которую мы различаем как контрастность, варьируется с помощью напряжения, подаваемого на электроды вверху и внизу жидкокристаллической ячейки. Напряжение заставляет молекулы жидкого кристалла вращаться, и их пространственная ориентация влияет на свойства проходящего через ячейку света.

Геометрия ячейки, в свою очередь, определенным образом ограничивает направления, в которых свет попадает в нее, и это, соответственно, влияет на взаимодействие света с молекулами жидкого кристалла, приводя к двухмерности получаемых оптических эффектов. Если добавить элемент третьего измерения и подсоединить его к нижнему электроду ячейки, то с помощью изменений электрического напряжения появится возможность создания трехмерной оптический структуры. На рисунке 1 показан простой пример, где тонкий проводящий стержень, соединенный с нижним электродом, создает Гауссову геометрию электрического поля, которая формирует мельчайшие микролинзы в структуре жидкокристаллического материала. Множество таких стержней обеспечит в системе микролинз существование фокусных расстояний, которые будут зависеть от подаваемого на микролинзы напряжения. Такой принцип в системах с перестраиваемой конфигурацией имеет многочисленные приложения в адаптивных оптических системах (системах с динамическим управлением формой волнового фронта для компенсации случайных возмущений и повышения предела разрешения наблюдательных приборов, степени концентрации излучения на приемнике и т. п. ) и в голографических трехмерных дисплеях.

Рисунок 2. Изображение МУНТ-электродов в системе жидкокристаллической оптической системы, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа

Руководитель работы, Тим Уилкинсон (Tim Wilkinson) подробно рассказал о новой системе: «Моя идея заключалась в комбинировании двух хорошо разработанных технологий: жидких кристаллов и нанотехнологии – для создания нового гибридного устройства. Жидкие кристаллы позволяют создать оптический модулятор с перестраиваемой конфигурацией (то есть можно создать двухмерные пиксели на основе жидкого кристалла, которые контролируются с помощью трехмерной электродной структуры, организованной вертикально расположенными многостенными углеродными нанотрубками).

В обычном жидкокристаллическом устройстве (таком как дисплейный экран) электроды пикселей находятся перед и позади пикселя, просто переключая его состояние. В новом гибридном устройстве нижним электродом является многостенная углеродная нанотрубка (МУНТ) на кремниевой подложке, образующая третье измерение системы. В результате получается еще более сложная геометрия электрического поля и, соответственно, более сложная картина ответа молекул жидкого кристалла на изменения этого трехмерного поля – таким образом возникает сложный трехмерный профиль отражения света жидкокристаллическим слоем. И вот таким образом с помощью довольно простых структур и переключения напряжений мы получаем сложный оптический элемент.

В качестве примера работы получающейся системы можно привести случай, когда все МУНТ на нижнем электроде подключены к одному и тому же напряжению. Форма возникающего электрического поля, окружающего каждую отдельную МУНТ, является Гауссовой; таким же является профиль отражения света жидкокристаллической системой. Визуально это выглядит как множество мельчайших линз, каждая из которых находится в центре своей МУНТ, и при расстоянии между МУНТ в 10 мкм каждая линза отделена от соседней также на 10 мкм. Изменяя напряжение, подаваемое на нанотрубки, мы можем выключить или включить микролинзы, варьируя их фокусное расстояние. Можно перечислить множество применений такой переключаемой системы из микролинз: это адаптивные оптические системы, где важна возможность отдельной фокусировки каждой линзы, или системы активного рассеивания света в дисплеях для чтения без наклона головы (head-up display devices).

Наиболее важной особенностью описанного научного достижения является изменение нашего восприятия возможностей жидкокристаллических устройств. Внедрение третьего измерения в их структуру наделяет жидкокристаллические системы новыми возможностями дизайна и измененяет их характеристики. Если адресно подключить напряжение к каждой углеродной нанотрубке в составе такой трехмерной системы, то становится возможным создание более сложных трехмерных изображений, подобных трехмерным фотографическим голограммам. Однако отличие изображений, получаемых с помощью жидкокристаллических устройств на нанотрубках от голограмм в том, что можно будет по желанию динамически изменять картинку на мониторе. Описанная технология позволит создавать дисплеи нового поколения с трехмерным изображением».

Мария Костюкова