К концу 1968 г. де Жен принял решение изучать жидкие кристаллы [см. также: 102,103]. В знак уважения к первым ученым-жидкокристальщикам он как-то назвал историю исследования этих веществ, начавшуюся еще в конце XIX в. и продолжающуюся (вместе с развитием дисплейных технологий) по сей день, «одиссеей» [76, с. 149]. Его собственная жидкокристаллическая одиссея была достаточно короткой (примерно с 1968 по 1972 г.), но очень плодотворной.

Ученый пришел к мысли заняться жидкими кристаллами почти случайно. Однажды он столкнулся во дворе Высшей нормальной школы (где читал лекции) с одним из своих бывших профессоров, Жаном Бросселем. Тот рассказал де Жену, что его ученик Жорж Дюран только что вернулся из Гарвардского университета, где в течение года занимался экспериментальными исследованиями оптических свойств жидких кристаллов под руководством Н. Бломбергена[49]. Броссель хвалил Дюрана и просил Пьера-Жиля найти для него место в лаборатории Орсе.

Этот разговор подтолкнул де Жена к размышлениям о жидких кристаллах и чтению литературы об этих тогда еще неизвестных широко веществах. Изучив, в частности, обзорную статью талантливого советского физика, одного из пионеров исследования этих веществ, И.Г. Чистякова[50] в «Успехах физических наук» (1966 г.) [104], де Жен увидел, «насколько жидкие кристаллы были еще мало поняты» [76, с. 150].

Жидкие кристаллы (или мезофазы, т. е. промежуточные фазы, как их еще называют), действительно, представляют собой некоторые пограничные состояния между жидкостью и твердым телом (кристаллом). Они могут течь, подобно жидкости, но в то же время обладают ориентационным и даже, в отдельных случаях, позиционным порядком, присущим твердым кристаллам.

Различают две большие группы жидких кристаллов: термотропные, которые претерпевают фазовые переходы при изменении температуры, и лиотропные, испытывающие фазовые превращения при варьировании концентрации раствора.

Термотропные жидкие кристаллы состоят из удлиненных органических молекул, которые стремятся расположиться параллельно друг другу. Существует большое количество фаз таких кристаллов: например, нематики, в которых молекулы ориентируются в одном направлении; холестерики, где они параллельны в плоскостях, но вся структура закручена по спирали; смектики, где молекулы сгруппированы во взаимно параллельные плоскости.

Лиотропные жидкие кристаллы построены из так называемых амфифильных молекул, полярная головка которых в водных растворах ориентируется к воде (т. е. она гидрофильна), а длинный углеводородный хвост уходит от воды (т. е. он гидрофобен). Такие молекулы могут формировать различные фазы в растворах: например, слоистые или мицеллярные (состоящие из круглых или цилиндрических образований – мицелл). Типичными лиотропными жидкими кристаллами являются концентрированные растворы мыла.

К описываемому нами времени жидкие кристаллы были открыты уже достаточно давно.

Термотропные мезофазы были впервые обнаружены и исследованы в соединениях холестерина австрийским ботаником Фридрихом Рейнитцером и немецким физиком Отто Леманом в 1888 г. [см., например: 105–108].

Первые наблюдения лиотропных жидких кристаллов, по-видимому, были сделаны еще в XVH1 в. французским естествоиспытателем Жоржем-Луи Леклерком, графом де Бюффоном, который изучал так называемые миелиновые формы в водных растворах лецитина. Он сравнивал полученные текстуры с переплетенными угрями. Миелин, являющийся сложной, варьируемой по составу комбинацией биоорганических соединений, широко распространен в живых организмах, в частности он служит изоляционным материалом нервных волокон. Он был впервые описан немецким биологом Рудольфом Вирховым в 1854 г. (ему же принадлежит и термин «миелин»), который наблюдал текстуры водных растворов этого вещества. Однако, структура миелина тогда еще не была расшифрована [см., например: 105].

Открытие лиотропных жидких кристаллов приписывается шведскому химику Хакону Сандквисту. В 1916 г. он (с помощью О. Лемана) установил, что концентрированный водный раствор 10-бромфенатрен-6-сульфокислоты обладает всеми свойствами жидкого кристалла [см.: 107, 108].

Лиотропным мезофазам сначала не было придано должного значения, и большинство исследований проводилось на термотропных жидких кристаллах. Они активно изучались в годы, прошедшие между Первой и Второй мировыми войнами, однако затем были на время забыты, и интерес к ним стал снова возобновляться лишь в 1960-е годы.

Начало французской школе изучения жидких кристаллов положил визит О. Лемана в Париж в 1909 г., где он встретился со многими физиками, интересовавшимися этими необычными веществами. Среди них были известный кристаллограф Жорж Фридель, дед Жака Фриделя, директор Высшей национальной школы горных инженеров г. Сен-Этьена (École nationale supérieure de mines de Saint-Étienne), и тогда еще молодой ученый из парижской Высшей нормальной школы Шарль Моген. Они-то и стали первыми французскими исследователями жидких кристаллов.

Пожалуй, именно Ж. Фридель внес самый крупный вклад в изучение мезофаз в период становления науки об этих веществах во Франции. В 1920-е годы он предложил первую классификацию термотропных жидких кристаллов, разделив их на три группы: нематики, холестерики и смектики [109]. Значительная роль, сыгранная дедом старшего товарища в науке о мезоморфном состоянии вещества, была достаточно символична для де Жена.

Среди других французских пионеров изучения жидких кристаллов следует также отметить ученика Ж. Фриделя Франсуа Гранжана, сына Ж. Фриделя Эдмона и ученика Ш. Мотена Пьера Шателена, работавшего в Университете Монпелье. Последний в 1941 г. придумал широко использующийся на практике метод ориентации нематиков. Он показал, что стекло, натертое в одном направлении каким-либо мягким материалом (тканью, бумагой), дает однородную («монокристаллическую») ориентацию молекул контактирующей с ним нематической мезофазы [ПО].

Увлекшись жидкими кристаллами, де Жен уже не мог отпустить от себя молодого Дюрана, имевшего опыт экспериментальных измерений в этой области. Пьер-Жиль предложил ему работу в лаборатории физики твердого тела в Орсе, предварительно предупредив: «У нас мало места и мало средств» [76, с. 151]. Однако Дюран был очень рад возможности продолжить свои американские исследования и без колебаний согласился.

Начиная с сентября 1968 г. он стал собирать вокруг себя экспериментальную группу по изучению жидких кристаллов. В нее вошли: вначале – молодая исследовательница из Гренобля, Мадлен Весье, а немного позднее два аспиранта – Лилиан Леже и Франсис Ронд ел ез.

В это время сам де Жен думал над еще не совсем решенной тогда проблемой: почему нематические жидкие кристаллы выглядят мутными? Существовало два взгляда на структуру этих мезофаз. Одна группа ученых (например, голландский физик Леонард Орнштейн) считала, что нематики состоят из так называемых «роев» (областей с параллельной ориентацией молекул) и поэтому не являются непрерывной средой. Другие исследователи (среди них выделялся немецкий физик Ганс Цохеp) были сторонниками континуальной теории, согласно которой нематик – это непрерывная среда (континуум), в которой средняя ориентация молекул плавно варьируется от точки к точке.

Де Жен теоретически окончательно показал, что вторая гипотеза является верной и что нематики выглядят мутными из-за сильного рассеяния света на тепловых флуктуациях ориентации их молекул [19–23]. В рамках макроскопической континуальной теории (рассматривая нематик как непрерывную среду) он решил задачу о рассеянии света на флуктуациях ориентационных. В частности, он показал, что отношение дифференциальных сечений рассеяния в нематике (σ_N) и в изотропной жидкости (σ_I) имеет вид

где q = 2π/λ – волновое число для рассеянного света, a – диаметр молекулы нематика.

Так как q ∼ 10⁷ м^–1 (для видимого света)и a ∼ 10^–10 м, следовательно, σ_N/σ₁ ∼ 10⁶, т. е. рассеяние света в нематике на 6 порядков больше, чем в обычной изотропной жидкости.

По просьбе де Жена Дюран осуществил некоторые расчеты в этой первой работе по жидким кристаллам, хотя и не был теоретиком. Пьер-Жиль предложил ему доложить полученные результаты на конференции в США, так как сам он туда ехать не хотел в знак протеста (из-за войны во Вьетнаме). Дюран рассказывал: «Итак, я отправился туда и представил эту работу перед самыми известными людьми в жидкокристаллическом сообществе: “Пьер-Жиль де Жен посчитал это, пришел к такому заключению и т. д.”. В конце они сказали мне: “Вы знаете, Ваш студент забыл здесь перекрестный член!”» [76, с. 152]. Действительно, в то время в среде жидкокристалыциков имя де Жена было (пока) никому не известно.

Вернувшись во Францию, Дюран сообщил Пьеру-Жилю о допущенной неточности, и тот моментально все понял и исправил ошибку. Дюран отказывался быть соавтором публикаций по теории флуктуаций в нематиках, так как считал свой вклад в расчеты незначительным. В результате (как это уже делалось для ряда работ по сверхпроводимости, см. главу V), некоторые статьи по жидким кристаллам были подписаны не именами авторов, а названием их научного коллектива: «Группа исследований жидких кристаллов (Орсе)» [см., например: 22].

Затем пришло время экспериментального подтверждения теоретических предсказаний де Жена. М. Весье вспоминала: «Итак, мы приступили к экспериментам для того, чтобы проверить эту модель с помощью тогда еще неизвестного во Франции метода светорассеяния. Потребовались большие усилия, чтобы осуществить эти измерения» [76, с. 153]. Но труд был не напрасен, так как полученные опытные результаты полностью согласовывались с теорией Пьера-Жиля.

Узнав об успехах только что созданной команды по изучению жидких кристаллов, некоторые другие сотрудники Университета Орсе присоединились к группе де Жена. Это были, например, Морис Клеман, специалист по дефектам, и уже упоминавшийся выше Этьен Гийон, который оставил из-за жидких кристаллов свои работы по сверхпроводимости, а также многие другие: специалисты по оптике, кристаллографии и т. д.

У Пьера-Жиля хватало идей, чтобы обеспечить работой всех этих исследователей. Его радовало, что такое количество людей объединилось для достижения одной цели. По его мнению, это делало научные изыскания очень эффективными.

Однако вначале в группе были проблемы с химическим синтезом необходимых для экспериментов жидких кристаллов и с разработкой новых мезофаз. Так, первые измерения были проведены на образцах, привезенных Дюраном из США, затем использовались жидкие кристаллы, синтезированные химиками из Коллежа де Франс и фирмы «Thomson». Для решения проблемы с веществами де Жен пригласил в свою группу трех химиков – Лежека Стржелецкого, Лионеля Льебера и, позднее, Патрика Келлера.

Для работы в группе Пьер-Жиль привлек и целый ряд молодых теоретиков – Элизабет Дюбуа-Виолетт, Оливье Пароди, Мориса Папулара и др., а также аспирантов: Франсуазу Брошар-Вьяр и Альбера Рапини. Де Жен старался культивировать среди своих молодых коллег дух здоровой конкуренции и предоставлять им полную самостоятельность в работе, для того чтобы, помогая друг другу и одновременно соревнуясь между собой, они развивались бы в самостоятельных ученых.

Свои идеи и некоторые формулы, дававшие толчок к дальнейшей работе своих учеников, Пьер-Жиль обычно записывал в ходе дискуссий с ними мелом на доске. Затем его младшие коллеги старались как можно дольше не стирать написанное, давая себе время на его осмысление.

В конечном счете многие работы, выходившие из группы жидких кристаллов Орсе, подписывались именами учеников де Жена, а ему выражалась благодарность в конце статей «за идею работы и многочисленные полезные обсуждения».

Внутри группы не обходилось и без конфликтов. Так, например, возникали споры из-за лидерства среди экспериментаторов между Дюраном и Гийоном. Однако де Жен всегда старался стоять выше этих дрязг. Как-то один из учеников пожаловался Пьеру-Жилю на то, что коллега украл у него идею. На это ученый ответил: «Я не желаю ничего знать. Для меня – самое важное, чтобы наука двигалась вперед» [76, с. 154].

Тем временем де Жену удалось предсказать в рамках континуальной теории явление раскрутки холестерической спирали во внешних магнитных и электрических полях [19, 20, 24][51].

Схема, показывающая этапы раскрутки спиральной структуры в магнитном поле для холестерика с диамагнитной анизотропией χ_a> 0, приведена на рис. 6а [112]. Планарная текстура холестерика в увеличивающемся магнитном поле H, параллельном опорным плоскостям жидкокристаллической ячейки, трансформируется в планарную текстуру нематика. При этом происходит рост шага холестерической спирали P по сравнению с его равновесным значением P₀ (при H = 0) и полная раскрутка спирали (P → ∞) при H = H_с(H_с– критическое поле) (см. рис. 6б) [24]. Раскрутка сопровождается деформацией спирали и формированием так называемых 180-градусных стенок, разделяющих области спирали, где молекулы уже развернулись по направлению поля. Эти стенки исчезают при H = H_с, и образуется обычный нематик (рис. 6а).

Де Жен нашел следующее выражение для H_с:

Здесь K₂₂ — упругая постоянная кручения холестерика.

Пьер-Жиль отмечал [19, 20], что формула (4) была независимо выведена и Робертом Мейером [113] (см. также ниже в этой главе).

Рис. 6

Де Жен рассчитал также зависимость P|P₀ от H|H_c  (рис. 66), которая хорошо совпадала с экспериментальными данными, полученными группой Орсе [19, 20].

Он послал результаты своих вычислений в Университет Монпелье, отдавая дань уважения недавно вышедшему на пенсию П. Шателену, и предложил его группе провести соответствующие эксперименты. Не получив ответа, Пьер-Жиль был разочарован и впоследствии больше никогда не сотрудничал с группой Монпелье.

Де Жен изложил свои новые результаты по холестерикам на одной из лекций спецкурса по жидким кристаллам, который читал в Университете Орсе. Присутствующие в зале Ж. Дюран и М. Весье показали демонстрационный эксперимент, подтверждающий его теорию.

Затем Пьер-Жиль теоретически описал гидродинамику мезофаз и различные виды электрогидродинамических (ЭГД) неустойчивостей в жидких кристаллах [83, т. I, с. 131–184; 19, 20, 22, 23, 25, 26]. В частности, он внес существенный вклад в развитие макроскопической теории динамики нематиков, охарактеризовав с помощью уравнений нематодинамики длинноволновые динамические флуктуации в этих мезофазах. Это было сделано с целью интерпретации экспериментов по неупругому светорассеянию, проводимых в группе Орсе. Данные работы позволили найти соотношения между коэффициентами вязкости Лесли.

Пьер-Жиль развил модель Карра – Хельфриха для описания ЭГД неустойчивостей в нематиках (доменов Капустина – Вильямса, шевронов) – пороговых эффектов, возникающих в постоянных и переменных электрических полях [см. например: 114, 115]. В своей модели де Жен учел динамические процессы релаксации ориентации молекул.

Последнее позволило понять механизмы, лежащие в основе функционирования первого поколения жидкокристаллических дисплеев, работавших на ЭГД эффекте. Экспериментальные наблюдения ЭГД неустойчивостей в зависимости от величины приложенного переменного напряжения и его частоты были осуществлены в группе Орсе Ф. Ронделезом совместно с Ж. Дюраном и М. Весье.

В продолжение работы по ЭГД неустойчивостям Пьеру-Жилю пришла мысль разобраться в нестабильностях, возникающих в результате тепловой конвекции в жидких кристаллах. Он сформулировал задачу и поручил теоретическую часть работы Э. Дюбуа-Виолетт, а эксперименты – Э. Гийону и его аспиранту Павлу Пьеранскому, ныне известному жидкокристалыцику. Результатом явилась целая серия статей, в которых де Жен не поставил своего имени, отдав пальмы первенства непосредственным исполнителям.

Затем Пьер-Жиль пытался разобраться с различными структурными нарушениями (дефектами), наблюдаемыми в жидких кристаллах, обратив внимание на то, что они очень похожи на дефекты в сверхпроводниках. Однако ему не удавалось построить их строгого теоретического описания. Делу мог бы помочь случай.

Однажды в воскресенье де Жен и его гость Барри Мазур, известный математик из Гарвардского университета, прогуливались с супругами по Шеврёзской долине, недалеко от Орсе, и собирали ежевику. Де Жен рассказал Мазуру о своих размышлениях над дефектами, на что собеседник ответил: «Ты знаешь, существует необыкновенный инструмент, который мог бы тебе помочь. Это – гомотопические группы» [76, с. 158]. И математик объяснил Пьеру-Жилю буквально на пальцах, как эти группы позволяют описывать свойства среды вблизи сингулярностей (дефектов).

Де Жен почитал соответствующую литературу и стал думать о применении гомотопических групп для классификации дефектов в мезофазах, однако через некоторое время отказался от решения этой задачи. Он вспоминал: «Я окончательно забросил эту проблему… Тем не менее Барри Мазур навел меня на верный след… Через несколько лет Жерар Тулуз и Морис Клеман сделали работу, которую можно назвать исторической. Они построили общую топологическую теорию дефектов, используя тот же самый инструмент – гомотопические группы. Это показывает, что я мог запросто прошляпить интересные вещи…» [76, с. 158–159].

Показательно, что название типичного для нематиков дефекта – «дисклинации» принадлежит де Жену и Жаку Фриделю. Они заменили этим термином первоначально предложенное английским физиком-теоретиком Чарльзом Фрэнком название – «дисинклинация» [80, с. 51].

Важными научными достижениями де Жена явилось развитие макроскопической континуальной теории упругости мезофаз и теории фазовых переходов Ландау [см., например: 116] для анализа фазовых превращений в жидких кристаллах.

Для описания упорядочения одноосных нематических мезофаз в рамках континуальной теории Пьер-Жиль ввел тензорный параметр порядка Q_ij [19, 20, 27–29]. Он первоначально связал его с компонентами тензора магнитной восприимчивости. Заметим, однако, что в качестве Q_ij можно использовать любую физическую характеристику жидкого кристалла, описываемую полярным симметричным тензором второго ранга. Часто бывает удобно выражать Q_ij через компоненты директора n – единичного вектора, указывающего направление средней ориентации молекул в данном объеме:

Q_ij = Q(n_in_j– ⅓δ_ij). (5)

Здесь Q = ½ <(3cos²θ – 1) > – так называемый скалярный параметр порядка, впервые введенный В.Н. Цветковым[52] [117], угловые скобки означают усреднение, θ – угол между выделенной осью z и ориентацией директора, n_iи n_j(где i, j = 1, 2, 3) – компоненты вектора n, δ_ij – символ Кронекера.

Параметр Q в формуле (5) дает долю молекул, которые ориентированы своими длинными осями в заданном направлении (ось z). Q = 0 при хаотическом расположении молекул и увеличивается с ростом степени их упорядочения, достигая своего максимального значения, Q = 1, в полностью упорядоченной фазе.

Записывая деформации, возникающие в жидком кристалле как частные производные тензорного параметра порядка по координатам (∂Q_y|∂χ_k, где k = 1, 2, 3), де Жен существенно упростил континуальную теорию (теорию упругости) жидких кристаллов.

Используя феноменологический подход Ландау, основанный на разложении плотности свободной энергии F в ряд по степеням малого параметра порядка вблизи точки фазового перехода, де Жен описал фазовое превращение нематик – изотропная жидкость [19, 20, 27, 28].

В этом случае разложение F по степеням тензора Qji имеет вид

F = F₀ + ½AQ_ijQ_ji + ⅓BQ_ijQ_jiQ_ki + ¼CQ_ijQ_jkQ_kmQ_mi + …. (6)

Здесь F₀ – плотность свободной энергии изотропной фазы; A = α(T – T *), где T * – некоторая немного меньшая температуры фазового перехода TNI, α = const; коэффициенты A, B и C являются плавными функциями температуры и давления. Суммирование в (6) ведется по повторяющимся индексам.

Используя (5), выражение (6) можно записать через скалярный параметр порядка Q.

Формула (6) позволяет рассчитать зависимости F от Q для различных температур. При T > T_NI абсолютный минимум F соответствует Q = 0 (изотропной фазе). При T < T_NI минимум наблюдается для Q ≠ 0 (нематическаяфаза. ПриT = T_NI могут сосуществовать изотропная и нематическая фазы с конечным параметром порядка Q = Qc, т. е. переходом в точке T_NI является фазовым переход первого рода. Более низкая температура T * в выражении (6) соответствует обращению в ноль члена, содержащего Q 2. Ниже T * изотропная фаза полностью неустойчива относительно нематического упорядочения.

Отталкиваясь от предварительных экспериментальных результатов Ж. Дюрана по светорассеянию на смектиках А, де Жен (опять же в рамках феноменологического подхода Ландау) развил макроскопическую теорию фазового перехода смектик А – нематик [83, т. I, с. 98–126; 19, 20, 30].

В нематической фазе плотность ρ является величиной постоянной (рис. 7а). В смектике A ρ модулируется – становится периодической функцией координаты z, нормальной смектическим слоям (рис. 7б) [112].

ρ(z) = ρ(z + l). (7)

Здесь l – расстояние между смектическими слоями.

Функцию (7) можно разложить в ряд Фурье по косинусам, ограничившись двумя первыми членами ряда [см., например: 19, 20, 112]:

ρ(z) = ρ₀ + |ψ|cos (qz + ϕ). (8)

В нематической фазе плотность р является величиной постоянной (рис. 7а). В смектике А р модулируется – становится периодической функцией координаты z, нормальной смектическим слоям (рис. 76) [112].

ρ(z) = ρ₀ + |ψ|cos (qz + ϕ). (8)

Здесь ρ₀ – постоянная плотность нематической фазы, |ψ| – амплитуда волны плотности в смектике A, q = 2π/l – волновое число, ϕ – произвольная фаза.

В смектике A |ψ| ≠ 0, тогдакаквнематическойфазе|ψ| = 0, поэтому де Жен использовал |ψ| в качестве параметра порядка для описания фазового перехода смектик A – нематик.

Де Жен и известный американский физик Уильям МакМиллан независимо друг от друга отмечали, что такой параметр порядка (если его представить в комплексном виде) аналогичен периодической функции распределения в жидком гелии (при Бозе конденсации) [30, 118].

Рис. 7

Далее де Жен показал, что фазовое превращение смектик А – нематик описывается так же, как и переход сверхпроводник (5) – обыкновенный металл (n) (см. также главу V), рассмотренный Л.Д. Ландау и В.Л. Гинзбургом [120], – выражения для свободной энергии в обоих этих случаях аналогичны. Отсюда он сделал вывод, что переход смектик A – нематик подобен s – n [30; 83, т. I, с. 98–126].

Установления факта, что такие, казалось бы, непохожие друг на друга объекты, как смектические жидкие кристаллы и сверхпроводники, подчиняются одинаковым физическим законам, явилось одним из самых главных научных достижений де Жена рассматриваемого периода. Это открытие стало возможным благодаря тому, что Пьер-Жиль имел большой опыт анализа фазовых переходов в магнетиках и сверхпроводниках, и для него стало быстро очевидным, что для описания жидких кристаллов можно применять сходные методы. Работы де Жена по фазовым переходам в жидких кристаллах дали толчок к его дальнейшим поискам «суперзаконов» природы, универсально описывающих самые различные явления. Вот как говорил об этом Ж. Фридель: «В самом деле, оказывается, что для решения целого ряда задач в жидких кристаллах можно использовать такие же теоретические методы, как и для сверхпроводников. Например, это – описание с помощью параметра порядка. Таким образом, Пьер-Жиль де Жен мог непосредственно применить к жидким кристаллам тот новый подход, который он разработал для сверхпроводников. В этом и состояла его большая оригинальность. Но мне также кажется, что он не смог бы взять новый барьер, если бы уже предварительно не задумывался о полимерах» [76, с. 151].

Рис. 8

Если считать, что параметр нематического порядка имеет фиксированное значение Q₀, то разложение плотности свободной энергии смектика A по малому вблизи температуры перехода в нематическую фазу |ψ| имеет вид [112]

F_A = α₀|ψ|² + β₀|ψ|⁴ + …. (9)

Здесь α₀ = α(T – T_AN) и β₀ ≠ ≠ f (T) > 0 – коэффициенты разложения, T_AN – температура фазового перехода.

Очевидно, что в рамках данного упрощенного рассмотрения при T = T_AN будет иметь место фазовое превращение второго рода. Однако при переходе из нематической в смектическую A фазу ориентационный параметр порядка в каждом из смектических слоев изменяется (либо убывает, либо возрастает) на некоторую величину δQ, т. е. имеет место взаимодействие между смектическим и нематическим параметрами порядка. Де Жен показал, что учет такого взаимодействия может приводить к фазовым переходам смектик A – нематик как первого, так и второго рода [подробнее см.: [19, 20].

Пьер-Жиль также обнаружил аналогию в структуре смектиков А и сверхпроводников. Рассмотрим конкретную ситуацию, изображенную на рис. 8 [19, 20]. Здесь представлена смектическая А фаза, подверженная продольному изгибу. Так как смектик стремится сохранять расстояния между слоями, то в нем возникают краевые дислокации. В случае же деформации кручения появляются винтовые дислокации. Такие дефектные жидкокристаллические фазы аналогичны шубниковской фазе в сверхпроводниках второго рода. В последнем случае магнитное поле частично проникает в сверхпроводящий материал в виде квантовых вихрей (вихрей Абрикосова) (см. главу V).

Итак, подобно тому как сверхпроводники первого или второго рода стремятся вытолкнуть наружу магнитное поле (эффект Мейснера или возникновение вихрей Абрикосова и шубниковской фазы), так и смектики стремятся вытеснить из себя деформацию.

Описанная аналогия позволила впоследствии понять структуру одной из так называемых голубых фаз холестерика – закрученной зернограничной фазы (twist grain boundary – TGB phase), представляющей собой упорядоченный массив стенок винтовых дислокаций.

Де Жен также внес вклад в физику поверхности мезофаз – научное направление, чрезвычайно важное для конструирования жидкокристаллических дисплеев. Так, он и Е. Дюбуа-Виолетт теоретически описали взаимодействие нематических жидких кристаллов с анизотропными (твердокристаллическими) подложками. Они предсказали интересный поверхностный эффект – так называемый локальный переход Фредерикса [31, 32]. Явление было названо по аналогии с переходом Фредерикса[53] – переориентацией директора в объеме нематического жидкого кристалла во внешнем магнитном или электрическом поле [см., например: 19, 20, 112].

Заметим, что одними из первых, кто наблюдал ориентацию жидких кристаллов на твердокристаллических сколах, были уже упомянутые Ш. Моген [121] и Ф. Гранжан [122].

Де Жен и Дюбуа-Виолетт рассмотрели следующую конкретную задачу. Полубесконечный слой нематика находится в контакте с тонкой аморфной пленкой, которая ориентирует директор короткодействующими силами сцепления планарно (параллельно поверхности, угол между нормалью к поверхности и директором: θ = π/2). Эта пленка покрывает (экранирует) анизотропную (кристаллическую) подложку, ориентирующую нематический директор дальнодействующими ван-дер-ваальсовыми (дисперсионными) силами гомеотропно (перпендикулярно поверхности, θ = 0) (рис. 9а) [31].

Свободные энергии для планарной, F_π/2, и гомеотропной – F₀ ориентаций директора становятся равными между собой при следующем критическом значении W_cэнергии сцепления (анизотропии поверхностного натяжения) нематика с аморфной пленкой:

Здесь δ – толщина аморфной пленки, U(z) = A/ z³ – ван-дер-ваальсов потенциал анизотропной подложки, A – константа Гамакера, z – координата, нормальная к подложке.

При выполнении условия (10) реализуется резкий (первородный) переход между планарной и гомеотропной текстурами нематического директора. Если же условие (10) не выполняется, то (в зависимости от толщины экранирующей пленки) возможны плавные (второродные) переходы между планарной и наклонной и между гомеотропной и наклонной ориентациями.

По-видимому, первые экспериментальные наблюдения локального перехода Фредерикса были осуществлены во Франции в 1976 г. [123]. Здесь слой нематика экранировался от стеклянной подложки тонкой углеродной пленкой. Энергия сцепления между нематиком и пленкой варьировалась при изменении температуры.

Рис. 9

При низких температурах наблюдалась планарная ориентации директора, которая при нагреве образца переходила в наклонную, а затем – в гомеотропную.

Исследование этого эффекта было проведено более детально [124; см. также: 125]. Здесь изменялась не энергия сцепления нематика с экранирующим слоем, а толщина самого слоя. На свежий скол слюды наносилась лесенка ленгмюровских пленок (моно- или бислоев амфифильных молекул), на каждую ступеньку которой помещалась маленькая капелька нематика (рис. 96) [124]. Высота ступеньки такой лесенки составляла примерно 25 Å для монослойных и 50 Å для бислойных пленок. Слюда ориентировала нематик (ван-дер-ваальсовыми силами) планарно, а ленгмюровские пленки (короткодействующими силами сцепления) – гомеотропно. В результате для критической толщины экранирующей пленки δ_c порядка нескольких сотен Å в нематических капельках происходили ориентационные переходы из первоначальной планарной текстуры в наклонную или гомеотропную. Величина δ_cсоответствовала эффективному радиусу действия дисперсионных сил.

Уже после первых трех лет занятия жидкими кристаллами де Жен стал «звездой» в этой области.

В описываемый период ученый принимал участие в работе многих международных конгрессов. Его доклады встречались с неизменным интересом. И сам он всегда выделялся из толпы других исследователей – высокий, обычно сопровождаемый двумя молодыми, очаровательными дамами – Е. Дюбуа-Виолетт и Ф. Брошар-Вьяр. Это особенно поражало американцев, так как тогда в США женщин в науке практически не было.

Одна из конференций по жидким кристаллам (III Международная) проходила в Западном Берлине в августе 1970 г. Пьер-Жиль воспользовался случаем и выделил целый день для посещения Восточного Берлина. Длительный и придирчивый пограничный контроль и сам город произвели на него мрачное, удручающее впечатление.

Вечером, по возвращении на конференцию, он присутствовал на банкете, устроенном на берегу озера. Погода стояла теплая, поэтому де Жен и еще несколько его коллег решили искупаться. Они заплыли достаточно далеко, как вдруг услышали выстрел в воздух. Пловцы испугались, поняв, что приблизились к невидимой границе с Восточной Германией, и быстро вернулись обратно.

Эти события еще более закрепили в сознании ученого неприязнь к коммунизму. Кстати, отрицательное отношение к коммунистической идеологии было причиной того, что де Жен, несмотря на неоднократные приглашения, никогда не был в СССР, и только один раз (в 2002 г.) посетил посткоммунистическую Россию (см. главу X).

Де Жен немало времени проводил и в индустриальных исследовательских центрах. Например, он часто бывал в лаборатории IBM в Цюрихе, где тогда работал научным консультантом. В те времена эта лаборатория была еще мало известна. Но впоследствии ее сотрудникам присудили сразу две Нобелевские премии подряд (в 1986 и в 1987 гг.): за сканирующую туннельную микроскопию и за открытие высокотемпературной сверхпроводимости. Когда-то де Жен помог своему старому товарищу из этой лаборатории (будущему Нобелевскому лауреату) Карлу Мюллеру произвести некоторые модельные расчеты для его экспериментов по магнитному резонансу.

В Цюрихе Пьер-Жиль обычно останавливался у своего товарища Питера Фрэнка, который занимался сбором информации о научной деятельности в Европе для американской компании «General Electric». Этот старый холостяк всегда сопровождался роскошными женщинами, что вызывало у де Жена восхищение, смешанное с легкой завистью.

В период изучения жидких кристаллов де Жен практически ежегодно посещал и лаборатории «General Electric» на севере Нью-Йорка – старейший промышленный исследовательский центр в США, основанный еще в 1900 г. Во время этих визитов он всегда приезжал в Главерсвиль к старой гувернантке своего отца, Марии (см. также главу IV).

Марию радовали визиты Пьера-Жиля. Она всегда с охотой рассказывала ему о жизни отца, показывая старые фотографии. Однажды, приехав в очередной раз в Главерсвиль, де Жен постучался в массивную дверь знакомого дома и спросил Марию. Хозяйки дома, две пожилые дамы, у которых Мария была в услужении, ответили ему, что она умерла. Пьер-Жиль возмутился, что они не сообщили ему об этом, и попросил хотя бы отдать вещи своей старой кормилицы. Но они уже выбросили все на помойку.

Работы де Жена во многом стимулировали интерес других ученых к изучению мезофаз, которое стало модным направлением физики конденсированного состояния. Теперь сотни исследователей по всему миру стремились, подобно Пьеру-Жилю, приложить свои усилия в этой области. Например, де Жен лично подвигнул заняться жидкими кристаллами двух канадских физиков из основанного в 1965 г. в пригороде Ванкувера – Барнаби Университета Саймона Фрайзера (Simon Fraser University – SFU) – Энтони Эррота и Мюррея Пресса. Это случилось во время пребывания Пьера-Жиля в этом Университете летом 1970 г.

По моей инициативе известный жидкокристалыцик, профессор SFU Джон Бечхофер попросил Э. Эррота и М. Пресса вспомнить что-нибудь о визите де Жена в их Университет. Привожу (в своем переводе с английского) несколько отредактированных отрывков их ответных писем Дж. Бечхоферу.

Из письма Э. Эррота:

«П.-Ж. де Жен провел в Университете Саймона Фрайзера один месяц. В это время он работал над своей книгой о жидких кристаллах. Он завершал главу 4, которая заканчивалась описанием капель мезофаз. Он зажег во мне интерес к исследованию таких капель (см., например: [126]. – А.С.). Об этом я рассказал подробнее в своем докладе на 55-й МММ конференции[54]. Я прилагаю слайды этого доклада, который сейчас уже доступен и в виде препринта. Посылаю тебе также части препринта, касающиеся де Жена.

В это время интерес де Жена уже переключался на полимеры. Он потратил целый час, рассказывая мне о том, чем он тогда занимался. Однако спустя 40 лет я уже не могу воспроизвести в деталях ход его мыслей.

Де Жен сделал несколько отличных докладов в Университете. Один из них был о хиральности ДНК и о происхождении жизни. Он рассуждал о том, что свет с круговой поляризацией мог инициировать определенный тип хиральности молекул. Когда он объяснял расположение четырех строительных блоков ДНК, то использовал собственное тело в качестве модели, утверждая, что основание находится у него в ногах, а кислота в голове, сахар расположился в правой половине тела, а радикал – в левой. Он подчеркивал важность направления хиральности. Чтобы все это понять в таком изложении, нужно было знать всего лишь разницу между правым и левым.

Работа по особенностям температурного поведения физических свойств МББА[55] вблизи фазового перехода была выполнена Прессом и мной под сильным влиянием де Жена (см. [127]. – А.С.).

В отрывке из препринта упоминается ланч с де Женом в Стокгольме. После ланча он снял с себя обязанности ведущего секции на жидкокристаллической конференции, предложив председателю конференции вместо себя мою кандидатуру. Этот случай лег в основу его выступления перед Королевой на Нобелевской церемонии. Тогда он сказал, что я сделал хорошую работу (см. главу IX. – А.С.)».

Из письма М. Пресса:

«Я пришел в SFU в сентябре 1969 г. для работы с Тони Эрротом по магнетизму. Однако Тони сказал мне, что ему бы хотелось заняться жидкими кристаллами – в преддверии визита де Жена в Университет следующим летом.

Я прочитал новаторский текст Пьера-Жиля по жидким кристаллам и был очарован этой новой областью, о которой раньше слышал совсем немного.

Честно говоря, у меня не сохранилось много сильных впечатлений от самого де Жена. Я присутствовал на серии лекций, которые он прочитал в физическом отделе SFU, а также вместе с ним работал над формулировкой потенциальных исследовательских проектов.

Я также был на конференции по жидким кристаллам, где он являлся одним из главных докладчиков, и имел несколько коротких бесед с ним по поводу тем моей тогдашней работы.

В моих воспоминаниях (сорокалетней давности) де Жен рисуется серьезным, очень сосредоточенным и умным человеком, преданным своим исследовательским интересам. Однако я не помню, чтобы у него была харизма Фейнмана или Гелл-Мана.

Извини, что не могу сообщить достаточно деталей. Тони (Энтони Эррот. – А.С.) провел с ним гораздо больше времени, поэтому я уверен, что у него сохранилось намного больше ярких воспоминаний».

Коллеги всегда отмечали доступность Пьера-Жиля для научных обсуждений. Вот что вспоминал в письме ко мне известный жид-кокристалыцик академик Болгарской академии наук А.Г. Петров:

«С де Женом я встречался всего два раза: в 1976 г. в его оффисе в Коллеже де Франс (см. главу VII. – А.С.) и в 2000 г. в Гранаде на конференции.

Первая встреча была довольно знаменательной для меня: он, можно сказать, устроил мне экзамен по флексоэлектричеству в присутствии моей первой жены. Для меня, уже кандидата наук, это было довольно необычно, но экзамен я выдержал. Когда я рассказывал о своих работах по флексо, он слушал меня в течение 15–20 минут, не подавая никаких признаков оценки, прежде чем, наконец, начать соглашаться, задавать вопросы и советовать. Разговор кончился вполне нормально, но вначале было туго. Концепция флексоэлектричества в это время была новой, и пришлось пробивать дорогу.

Когда де Жен начал выражать согласие с моими заключениями, он использовал французское выражение «d’accord» («согласен». – А.С.), хотя разговор был по-английски. Что такое «d’accord» я в то время не знал, и долго не мог понять – он согласен со мной или нет. Это обстоятельство дополнительно увеличивало мое смущение.

Вот такие пироги.

Второй раз, в Испании, я ему показал свою свежую монографию. Он заинтересовался, равно как и Франсуаза Брошар-Вьяр. Вот и все».

Пьер-Жиль не только ездил по различным университетам и исследовательским центрам, но и сам регулярно принимал у себя в лаборатории немало иностранных гостей. Во время этих визитов завязывались тесные научные контакты и даже дружеские отношения. Так друзьями де Жена стали Пол Мартин, физик из Гарвардского университета, некоторое время работавший у него, а также Роберт Мейер, который во время своей постдокторской стажировки в группе де Жена в 1974 г. теоретически предсказал существование сегнетоэлектрических смектиков С*. Впервые такое вещество – ДОБАМБЦ[56] – было чуть позже (в этом же году) с успехом синтезировано тремя названными выше химиками из группы Орсе.

Дружеские отношения установились у Пьера-Жиля и с уже упомянутым талантливым американским физиком У. МакМилланом, посетившим лабораторию Орсе в начале 1970-х годов. Де Жен также увлек его жидкими кристаллами. К сожалению, МакМиллан не успел полностью реализовать свой потенциал. В августе 1984 г., катаясь на велосипеде по пустынной сельской дороге, он был насмерть сбит автомобилем, управляемым неопытным молодым водителем [см.: 119]. МакМиллану было 48 лет.

Особо стоит сказать несколько слов об отношениях де Жена и известного немецкого физика-экспериментатора Вольфганга Хельфриха. С ним Пьер-Жиль был знаком сначала только по конференциям. Затем Хельфрих провел несколько месяцев в лаборатории Орсе. Однако это было уже в 1977 г., т. е. после ухода оттуда де Жена.

Именно Хельфриху Пьер-Жиль всегда отдавал пальму первенства в исследовании жидких кристаллов, считая его «вожаком», а себе отводил лишь скромную роль «разъясняющего» [см: 76, с. 160]. Вот как де Жен вспоминал о Хельфрихе: «Он – настоящий изобретатель системы индикации на жидких кристаллах. Он был большим чудаком. Вначале он опасался меня, как в целом опасался и всех других теоретиков. Прошли годы, и только когда он понял, что я не собираюсь наступать ему на пятки, у нас установились доверительные отношения [76, с. 161]. Он обладал удивительными убеждениями: например, верил в мага, который якобы мог гнуть ложки на расстоянии. Это не мешало ему быть, несомненно, самым изобретательным умом в области жидких кристаллов в послевоенное время».

В начале 1970-х годов лаборатория физики твердого тела в Орсе заметно разрослась. В ней насчитывалось уже более 150 исследователей, и управлялась она довольно инертным административным советом. Работа среди такого количества коллег начала постепенно тяготить Пьера-Жиля, и он стал подумывать о том, чтобы покинуть Университет Орсе и закончить заниматься жидкими кристаллами.

Этому во многом способствовало его назначение в 1971 г. профессором Коллежа де Франс, давшее ему возможность создать собственную лабораторию (см. главу VII).

Прекратив активно работать в области изучения мезофаз, де Жен, тем не менее, продолжал участвовать в конференциях по жидким кристаллам и опубликовал немало статей по этой тематике, особенно в 1970-е годы и далее, вплоть до 1990 г.

За исключением отдельных работ по лиотропным мезофазам [см. например: 33], де Жен (как мы уже видели) в основном занимался изучением термотропных жидких кристаллов. Им он посвятил около 60 статей.

Ученый подытожил свои исследования жидких кристаллов в ставшей классической, непревзойденной книге [19]. Ее второе (существенно дополненное) издание [20] было написано де Женом совместно с Жаком Простом (см. главу VIII).

После ухода Пьера-Жиля из лаборатории физики твердого тела Университета Орсе исследования жидких кристаллов там продолжались усилиями Ж. Дюрана, П. Пьеранского и их коллег. Они активно ведутся там и в настоящее время.

В 1990-е годы на глазах де Жена происходило бурное развитие применения жидких кристаллов в плоских телевизионных экранах. В это время многие упрекали его в том, что, несмотря на большие успехи, достигнутые французской наукой в фундаментальных исследованиях мезофаз, практически отсутствовали оригинальные французские патенты. Де Жен и его ученики (Ж. Дюран, Е. Дюбуа-Виолетт) соглашались с критикой, частично возлагая ответственность за это на себя. В то же время они отмечали, что в сложившейся ситуации есть и доля вины промышленных компаний, например, таких как «Thomson», которые вовремя не поняли важности финансирования прикладных исследований в области жидких кристаллов.

Когда Пьер-Жиль покинул Орсе, некоторые из его коллег критиковали его и называли ученого Маршалом Империи, который, собрав армию, быстро выиграл с ее помощью битву, а потом, походя, пожертвовал своими солдатами для того, чтобы броситься в новый бой уже во главе другого войска. Мало кто из коллег де Жена успевал последовать за ним в новые области науки. Он шел вперед слишком быстро [см: 76, с. 165].