Российские ученые создали уникальные жидкие кристаллы для улучшения 3D-изображений

Жидкие кристаллы – это особое состояние вещества, которое обладает свойствами и жидкого, и твердого тела. Под воздействием электрического поля молекулы этого вещества меняют свою ориентацию, благодаря чему на экране образуется изображение из множества мелких точек – пикселей.

Впервые жидкие кристаллы обнаружил австрийский ботаник Фридрих Райнитцер в 1888 году. Во время исследований растений он обнаружил в эфире холестерина особое вещество кристаллической структуры. При нагревании до 145 градусов вещество мутнело и становилось текучим, при 178 градусах – превращалось в жидкость.

Открытием заинтересовался немецкий ученый-физик Отто Леман. Он назвал вещество жидкими кристаллами. Позже установил, что они меняют свои характеристики под воздействием электромагнитного поля. В 1904 году ученый выпустил книгу «Жидкие кристаллы». Но в то время ни книга, ни открытие не привлекли к себе внимания. Вероятно, из-за того, что Леман опередил свое время.

Интерес к жидким кристаллам вернулся спустя шестьдесят лет: в 1963 году американец Джеймс Фергюсон показал важнейшее свойство жидких кристаллов – способность менять цвет под воздействием температуры. Спустя два года в США прошла Первая международная конференция, посвященная жидким кристаллам. Их стали использовать в монохромных экранах, электронных часах и калькуляторах. В 1987 году компания Sharp представила первый цветной ЖК-дисплей диагональю три дюйма.

Большинство современных дисплеев (свыше 70%) делают с помощью нематических жидких кристаллов – нематиков. Они представляют собой параллельные нити, которые под воздействием электрического поля скользят вверх и вниз.

Читайте также из рубрики Наука: На Дальнем Востоке открыли новый вирус, поражающий сельскохозяйственные культуры

В этих жидких кристаллах нет порядка в расположении центров тяжести молекул, нет слоистой структуры. Молекулы скользят непрерывно в направлении своих длинных осей, вращаясь вокруг них.

Главная проблема нематиков – они медленно восстанавливают свое начальное состояние после выключения электрического импульса. То есть они меняют свое положение не чаще 140-160 раз в секунду. Для современных 2D-экранов такой частоты кадров достаточно, но для трехмерных изображений нужна более высокая скорость.

Вещество, которое создали ученые ФИАН, ведет себя подобно нематикам, но быстрее. Специалисты представили материалы, которые принадлежат к классу смектических ЖК с сегнетоэлектрическими свойствами, то есть у них при определенной температуре происходит поляризация – смещаются заряды.

Структура таких кристаллов слоистая и более сложная по сравнению с нематическими. Из-за этого время реакции молекул на электрическое поле уменьшается в двадцать раз – с 1 миллисекунды до 50 микросекунд. Частота кадров на экране увеличивается до 3,2 тыс. в секунду.

Такая скорость делает доступной технологию последовательной во времени смены цветов. В современных мониторах цвет каждого пикселя формируют три субпикселя красного, синего и зеленого цветов. И если частоту кадров увеличить в три раза, можно последовательно подавать каждый цвет на один и тот же пиксель без использования субпикселей. Благодаря этому изображения будут более яркими и четкими.

Читайте также из рубрики Нука: Биофизики РАН доказали смертельную опасность антибактериального мыла

Помимо ЖК-экранов ученые рассчитывают применять смектические кристаллы для создания 3D-изображений. Благодаря веществу можно использовать дисплеи, которые создают трехмерные объекты в объемном экране типа «аквариума». Эти изображения можно увидеть без специальных очков.

«Принцип работы такого экрана очень прост. На каждой из ячеек по очереди включается рассеяние и подается картинка. Сначала первая, потом вторая – листаем как бы по слоям, по сечениям, но так быстро, что видим непрерывное объемное изображение. Получается "аквариум", в котором в реальном времени визуализируются объемные картинки», – рассказал заведующий отделом оптоэлектроники ФИАН, доктор физико-математических наук, профессор Игорь Компанец.

Такая технология также расширит ракурс, с которого можно смотреть трехмерное изображение в специальных очках. Благодаря этому увеличится, например, количество зрительских мест в кинотеатрах.

Ученые ФИАH рассчитывают, что производители дисплеев заинтересуются этим открытием. Тем более, сейчас можно создавать дорогие смектические жидкие кристаллы из дешевых нематических, добавляя в них специальные примеси.