Дефе́кты в жи́дких криста́ллах, устойчивые ориентационные структуры, содержащие неопределённость (сингулярность) поля директора или другого параметра, характеризующего упорядоченность и ориентацию жидкокристаллической среды. В трёхмерном пространстве сингулярные области могут быть нульмерными (точки), одномерными (линии) и двумерными (стенки). Топологическая устойчивость дефектов означает, что их невозможно устранить непрерывными деформациями.

Дефекты в жидких кристаллах отличаются большим разнообразием (точечные дефекты в объёме и на поверхности, линейные дефекты, доменные стенки и др.). В зависимости от типа жидкокристаллической фазы (нематическая, холестерическая, смектическая и др.) могут реализовываться как ориентационные, так и трансляционные дефекты. В отличие от дефектов в кристаллах жидкокристаллические дефекты проявляются на микроскопических масштабах за счёт дальнодействия ориентационных сил и могут быть визуализированы оптическими методами, например с помощью поляризационной микроскопии.

Дефекты в жидких кристаллах часто встречаются в пространственно ограниченных геометриях, например в сферических каплях, когда объёмная и поверхностная энергии жидкого кристалла могут быть минимизированы за счёт формирования дефекта. Рис. 1. Текстуры капель нематического жидкого кристалла в изотропной жидкости (глицерине).Рис. 1. Текстуры капель нематического жидкого кристалла в изотропной жидкости (глицерине).В качестве примера на рис. 1 (а и б) показаны текстуры капель нематического жидкого кристалла в изотропной жидкости (глицерине), полученные с помощью оптического микроскопа в скрещенных поляризаторах. Директор жидкого кристалла на поверхности капли стремится ориентироваться по касательной к сферической поверхности, при этом на поверхности формируются два диаметрально расположенных точечных дефекта (рис. 1, в).

Для описания дефектных структур можно рассмотреть двумерный нематический жидкий кристалл, записав выражение для плотности энергии упругой деформации в одноконстантном приближении:

$F=\frac{1}{2} K\left(\left(\frac{d \theta}{d x}\right)^{2}+\left(\frac{d \theta}{d y}\right)^{2}\right), (1)$где $K$ – упругая постоянная Фрэнка – Озеена, $\theta$ – угол поворота директора в плоскости $\text{O}_{ху}$. Условие минимума свободной энергии соответствует решению уравнения Лапласа:
$\frac{d^{2} \theta}{d x^{2}}+\frac{d^{2} \theta}{d y^{2}}=0, (2)$которое в полярной системе координат ($x=r \cos \varphi, y=r \sin \varphi$) имеет вид:

$\theta=m \varphi+\theta_{0}, (3)$где $m$ – константа, $\theta_0$ – начальный угол поворота директора. Константа $m$ должна обеспечивать однозначность решения, т. е. при изменении угла $\theta$ на $2\pi$ направление директора должно остаться неизменным. Т. к. директор нематического жидкого кристалла является псевдовектором, параметр $m$ в общем случае может принимать полуцелые значения. Распределения поля директора для некоторых параметров $m$ показаны на рис. 2. Уравнения (1) – (3) можно обобщить на случай линейных ориентационных дефектов (дисклинаций) в объёме жидкого кристалла. Параметр $m$ называют силой дисклинации или топологическим зарядом. Аналогичным образом можно ввести топологический заряд $m$ для точечных дефектов, который, в отличие от топологического заряда дисклинаций, может принимать только целые значения.

Рис. 2. Распределение поля директора при разных значениях топологического заряда. Центральная область, выделенная красным кружком, соответствует ядру дефекта.Рис. 2. Распределение поля директора при разных значениях топологического заряда. Центральная область, выделенная красным кружком, соответствует ядру дефекта.Холестерические жидкие кристаллы обладают надмолекулярной спиралевидной структурой и могут быть охарактеризованы тремя директорами: локальным направлением преимущественной ориентации длинных осей молекул $\boldsymbol{\lambda}$, направлением оси холестерической спирали $\boldsymbol{ \chi }$ и взаимно ортогональным направлением $\boldsymbol{\tau} = \boldsymbol{\lambda} \times \boldsymbol{\chi}$. Линейные дефекты подразделяются на три типа дисклинаций, для каждого из которых происходит вращение двух директоров вокруг оси дисклинации при фиксированном направлении третьего. Например, $\lambda$-дисклинация связана с вращением директоров $\boldsymbol{\chi}$ и $\boldsymbol{\tau}$ при фиксированном направлении $\boldsymbol{\lambda}$ вдоль оси дефекта. Ввиду особенностей симметрии холестерической фазы в ней отсутствуют точечные дефекты.

В смектических жидких кристаллах могут быть реализованы дисклинации, связанные с сингулярностью поля директора, и дислокации, обусловленные нарушением структуры молекулярных слоёв, и, кроме того, их комбинации.

Исследование дефектов в жидких кристаллах представляет интерес как с научной, так и с практической точки зрения. Исследование текстур, обусловленных дефектами, позволяет идентифицировать жидкокристаллические фазы с помощью поляризационного микроскопа. Ориентационные дефекты несут важную информацию об упругих свойствах жидких кристаллов. Дефектные структуры жидких кристаллов позволяют моделировать фундаментальные физические явления, такие как взаимодействие кварков или формирование магнитных монополей.