ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ

В последнее время интенсивно изучаются и получают широкое применение жидкие кристаллы. Приведем краткие сведения о них.

Физические свойства вещества определяются его составом (из каких частиц — атомов, молекул, ионов и т. д. — состоит данное вещество), структурой (относительным расположением частиц в объеме данного тела) и состоянием (температурой, внешним давлением и т. п.). Частицы некоторых веществ могут быть «сферически симметричными», обладающими одинаковыми свойствами по всем

направлениям; другие частицы оказываются «несферическими» (или анизомерными), в частности стержнеобразными. От этой особенности частиц и от характера взаимодействия между ними зависит их относительное расположение в объеме рассматриваемого вещества. В твердых кристаллах частицы образуют в пространстве прочную трехмерную периодическую структуру, которую называют дальним позиционным порядком. В жидкостях такая периодичность осуществляется лишь для небольших групп частиц, т. е. имеется ближний позиционный порядок. Если же вещество состоит из достаточно жестких несферических частиц, то кроме «позиционного» появляется порядок, связанный с ориентацией частиц. Если во всем объеме вещества существует примерно одинаковая ориентация частиц, то говорят, что в этом объеме имеется дальний ориентационный порядок.

Если вещество состоит из физически симметричных частиц, то переход его из твердого состояния в жидкое означает исчезновение «дальнего позиционного порядка»; такой переход называют позиционным плавлением. У веществ, состоящих из анизомерных частиц, имеет место также ориентационное плавление, соответствующее исчезновению «дальнего ориентационного порядка». При этом возможны три случая:

1) температуры позиционного и ориентационного плавления совпадают. Такое совпадение присуще веществам, частицы которых по форме и взаимодействию являются сферически симметричными; для них существуют три отчетливо фиксируемых агрегатных состояния — твердое, жидкое и газообразное;

2) температура позиционного плавления выше температуры ориентационного плавления. Фаза вещества, существующая в интервале между этими температурами, называется пластическим кристаллом. Примером пластических кристаллов могут служить галоиды аммония: и

3) температура позиционного плавления ниже температуры ориентационного плавления. Промежуточная фаза вещества (мезофаза), существующая между этими температурами, называется термотропным жидким кристаллом. Таким свойством обладают вещества, состоящие из вытянутых (продолговатых, стержнеобразных) молекул.

Впервые жидкие кристаллы были исследованы в 1882 г. австрийским ботаником Ф. Рейнитцером, который заметил, что синтезированный им холестерилбензоат, по-видимому, имеет две точки плавления. При температуре 145° С твердое тело превращается в мутную жидкость, которая при 179° С становится прозрачной. В настоящее время известны десятки тысяч органических жидкокристаллических веществ. По механическим свойствам они напоминают вязкие жидкости; однако важнейшей особенностью жидких кристаллов является анизотропия их оптических, электрических и других свойств.

Термотропные жидкие кристаллы делятся на три основные группы:

1) нематические (от греч. «нема» — нить), молекулы которых позиционно не упорядочены и ориентация их длинных осей в среднем одинакова по всему объему;

2) холестерические, имеющие винтообразную структуру. У кристаллов этой группы направления ориентации длинных осей молекул образуют в пространстве спиральную поверхность; шаг этой спирали в сотни раз превышает длину самих молекул. Большое число веществ этой группы содержит холестерин;

3) смектические (от греч. «смегма» — мыло), имеющие позиционную структуру слоевого характера и обладающие дальним ориентационным порядком. Эта группа жидких кристаллов наиболее разнообразна.

Обычно жидкий кристалл с изменением температуры испытывает несколько фазовых переходов, превращаясь из твердого состояния в одну из смектических фаз, затем в нематическую или холестерическую и, наконец, в изотропную жидкость. Жидкокристаллические свойства обнаружены также и в ряде коллоидных растворов (например, водный раствор вируса табачной мозаики) и некоторых полимеров. Жидкие кристаллы этого класса называются лиотропными. Для лиотропных кристаллов в отличие от термотропных основным параметром, изменение которого вызывает фазовые переходы, является уже не температура, а концентрация.

Жидкие кристаллы суть анизотропные вещества, в которых упорядоченно расположенные молекулы образуют не твердое тело с его «упругостью формы», а жидкое тело, легко изменяющее свою форму под действием относительно слабых сил (например, под действием гравитационных сил, которые почти не изменяют форму твердых тел). Жидкокристаллические вещества обычно помещают между двумя тонкими полимерными пленками, и полученную таким образом «слоистую пленку» используют:

1) для измерения температур (до сотых долей градуса) и изучения температурного поля на поверхности твердых тел. Пленка прикладывается к исследуемому телу. Незначительная разница температур — порядка десятых долей градуса — вызывает хорошо заметные изменения цвета жидкого кристалла. Время, необходимое для изменения окраски, — порядка секунды, время сохранения ее (инертность процесса измерения) — несколько секунд;

2) в качестве датчиков для измерения давлений. В зависимости от давления на пленку изменяется окраска жидкокристаллического вещества; это обстоятельство позволяет, например, определить поле давлений в звуковых и ультразвуковых волнах;

3) в оптических, радиотехнических и электронных устройствах; в них пленка работает как вещество, преобразующее энергию электрических полей в световую энергию. Они могут быть использованы и в устройствах по передаче и воспроизведению различной информации.

Особое значение имеет жидкокристаллическое состояние в биологии. Многие структурно упорядоченные части клеток и тканей живых организмов и растений являются жидкими кристаллами (например, мышцы в определенных пределах могут многократно растягиваться и сжиматься без остаточных деформаций и разрушения).