Список тематических статей

Жидкие кристаллы

Вещества, переходящие при определенных условиях (температура, давление, концентрация в растворе) в жидкокристаллическое состояние, которое является промежуточным между кристаллическим состоянием и жидкостью.

Как и обычные жидкости, жидкие кристаллы обладают текучестью, но при этом для них характерно спонтанное появление анизотропии свойств (оптических, электрических, магнитных и других) при отсутствии трехмерного дальнего порядка в расположении частиц (атомов, молекул). Поэтому жидкокристаллическое состояние часто называют также мезоморфным (мезофазой).

На диаграмме состояния температурный интервал существования жидких кристаллов ограничен температурой плавления твердых кристаллов и так называемой температурой просветления, при которой жидкокристаллические мутные образцы становятся прозрачными вследствие плавления мезофазы и превращения ее в изотропную жидкость.

Молекулы жидкокристаллических соединений обладают стержнеобразной или дискообразной формой и имеют тенденцию располагаться преимущественно параллельно друг другу. Так называемые термотропные жидкие кристаллы образуются при термическом воздействии на вещество. Такие жидкие кристаллы образуют, например, производные ароматических соединений, содержащие чередующиеся линейные и циклической группировки (бензольные кольца). Жидкокристаллическая фаза образуется чаще всего в том случае, если заместители в молекуле располагаются в пара-положении. 

Лиотропные жидкие кристаллы образуются при растворении некоторых веществ в определенных растворителях. Например, водные растворы мыл, полипептидов, липидов, белков, ДНК и других образуют жидкие кристаллы в определенном интервале концентраций и температур. Структурными единицами лиотропных жидких кристаллов являются надмолекулярные образования различных типов, распределенные в среде растворителя и имеющие цилиндрическую, сферическую или другую форму. В зависимости от характера расположения стержнеобразных молекул различают три основного типа жидких кристаллов – смектический, нематический и холестерический.

В смектических жидких кристаллах (их называют смектиками, обозначают S) молекулы располагаются в слоях. Центры тяжести удлиненных молекул находятся в равноотстоящих друг от друга плоскостях и подвижны в двух измерениях (на смектической плоскости). 

Кроме того, возможно упорядоченное и неупорядоченное расположение молекул в самих слоях. Все это обусловливает возможности образования различных полиморфных модификаций. Известно больше десятка полиморфных смектических модификаций, обозначаемых буквами латинского алфавита, смектики А, В, С и так далее (или SА, SВ, SC и так далее). Формирование смектических фаз характерно для жидкокристаллических соединений, молекулы которых содержат длинные концевые алкильные или алкоксильные группы Y и Z с числом атомов углерода 4-6.

Нематические жидкие кристаллы (нематики N) характеризуются наличием ориентационного порядка, при котором длинные оси молекул расположены однонаправленно при беспорядочном расположении центров тяжести молекул.

Холестерический тип мезофазы (холестерики Сhоl) образуется двумя группами соединений: производными оптически активных стероидов, главным образом холестерина (отсюда название), и нестероидными соединением, принадлежащими к тем же классам соединений, которые образуют нематические жидкие кристаллы, но обладающими хиральностью (алкил-, алкокси-, ацилоксизамещенные азометины, производные коричной кислоты, азо- и азоксисоединения и других). В холестерических жидких кристаллах молекулы расположены так же, как в нематических, но в каждом слое молекулы повернуты относительно их расположения в соседнем слое на определенный угол. В целом реализуется структура, описываемая спиралью.

Вещества с дискообразными молекулами (дискотики D) могут образовывать жидкие кристаллы, в которых молекулы упакованы в колонки (имеется дальний порядок в ориентации плоскостей дискообразных молекул) или расположены так же, как в нематиках (дальний порядок отсутствует).

Своеобразная структура жидкокристаллических соединений, обеспечивающая сочетание упорядоченности в расположении молекул с их высокой подвижностью, определяет широкие области практического использования жидких кристаллов. Направление преимущественной ориентации молекул, характеризуемое аксиальным единичным вектором, или директором, может легко изменяться под воздействием различных внешних факторов – температуры, механических напряжений, напряженности электрического и магнитного полей.

Непосредственная причина ориентации или переориентации директора – анизотропия вязкоупругих, оптических, электрических или магнитных свойств среды. В свою очередь, изменение преимущественной ориентации молекул вызывает изменение оптических, электрических и других свойств жидких кристаллов, то есть создает возможность управления этими свойствами посредством сравнительно слабых внешних воздействий, а также позволяет регистрировать указанные воздействия.

Электрооптические свойства нематических жидких кристаллов широко используют в системах обработки и отображения информации, в буквенно-цифровых индикаторах (электронные часы, микрокалькуляторы, дисплеи и тому подобное), оптических затворах и других светоклапанных устройствах. Преимущества этих приборов – низкая потребляемая мощность (порядка 0,1 мВт/см²), низкое напряжение питания (несколько В), что позволяет, например, сочетать жидкокристаллические дисплеи с интегральными схемами и тем самым обеспечивать миниатюризацию индикаторных приборов (плоские телевизионные экраны).

Спиральная структура холестериков определяет их высокую оптическую активность (которая на несколько порядков выше, чем у обычных органических жидкостей и твердых кристаллов) и способность селективно отражать циркулярно поляризованный свет видимого, инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов. При изменении температуры, состава среды, напряженности электромагнитного поля изменяется шаг спирали, что сопровождается изменением оптических свойств, в частности цвета. Это позволяет измерять температуру тела по изменению цвета жидких кристаллов, контактирующего с поверхностью тела. Жидкокристаллическая термография используется в технике для визуализации ИК, СВЧ излучений, в качестве неразрушающих методов контроля в микроэлектронике и других, в медицине – для диагностики ряда сосудистых и острых воспалительных заболеваний.

Особое место среди жидкокристаллических веществ занимают полимеры. Термотропные полимерные жидкие кристаллы получают «химическим включением» мезогенных групп в состав линейных и гребнеобразных макромолекул. Это позволяет не только значительно увеличить количество жидкокристаллических веществ, но и существенно расширить общие представления о природе жидкокристаллического состояния.

На основе полимеров можно получать жидкокристаллические стекла, пленки, волокна и покрытия с заданными анизотропными свойствами. Мезогенные группы макромолекул легко ориентируются в мезофазе под действием внешних полей (механических, электрических, магнитных), а при последующем охлаждении полимера ниже температуры стеклования полученная анизотропная структура фиксируется в твердом состоянии.

Использование лиотропного жидкокристаллического состояния на стадии переработки жесткоцепных полимеров – новый путь получения высокопрочных высокомодульных полимерных материалов.

Жидкие кристаллы открыты в 1888 Ф. Рейнитцером и О. Леманом. Число описанных жидких кристаллов превышает десятки тысяч и непрерывно увеличивается.

Гладкова Наталья