Глава X.Элементы физики жидких кристаллов Введение

Жидкокристаллическое состояние по степени молекулярной упорядоченности и физическим свойствам занимает промежуточное положение между жидкостью и твёрдыми кристаллами. Это самостоятельное термодинамическое состояние. Ему соответствует определённая область на PT – фазовой диаграмме вещества (см. рис).

П ри низкой температуре вещество – твёрдый кристалл, а при более высокой вещество превращается в изотропную жидкость. Характерными признаками жидкокристаллического состояния являются оптическая активность, двойное лучепреломление, анизотропия упругих модулей и т.д. Жидкие кристаллы быстро реагируют на изменнеие температуры, электрическое и магнитное поля, химическую среду, меняя свою окраску. Такое необычное сочетание их свойств объясняется особенностями строения молекул.

Для построения жидкого кристалла можно использовать, по крайней мере, три вида объектов: а) небольшие органические молекулы; б) длинные спиральные стержни (которые, либо встречаются в природе, либо созданы искусственно), а также в) более сложные структуры молекул и ионов, содержащие в своём составе пяти – и шестичленные кольца, двойные и сопряжённые связи, легкоподвижные атомные группы на концах молекул. Благодаря этому в расплаве молекулы ориентированы преимущественно в одном направлении, сохраняя ориентационный и трансляционный порядок. При нагревании твёрдого кристалла тепловое движение вначале разрывает слабые боковые связи, вещестао плавится, становится жидким. В нём возникает ближний порядок, который и обусловливает свойства жидкости, а дальний порядок – свойства кристалла.

Некоторые органические материалы переходят из твёрдого состояния в жидкое состояние не сразу, а испытывают ряд переходов, включающих новые фазы. Механические свойства и свойства симметрии этих фаз промежуточные между свойствами жидкости и кристалла. По этой причине им также подходит название – мезоморфные фазы или мезофазы. Чтобы понять значимость этих новых состояний вешества вспомним различие между кристаллом и жидкостью.

В кристалле (молекулы или ионы) расположены регулярно. Центры тяжести различных компонент размещены в трёхмерной периодической структуре. В жидкости центры тяжести в этом смысле не упорядочены. Фундаментальное различие между этими состояниями вещества является различие картин дифракции рентеновских лучей в жидкости и кристалле: кристаллу свойственны резкие брэгговские отражения, характерные для решётки. Таким образом, мезофазы можно получать двумя путями: а) налагая упорядочение в одном или двух, но не в трёх измерениях. В природе это имеет место. В одном из основных практически важных случаев пространственный порядок существует только в одном направлении. Систему можно рассматривать как стопку двумерных жидких слоёв, рсположенных один над другим и отделёных правильными промежутками; соответствующие фазы называются смектическими или просто смектиками. Можно ввести степени свободы, отличные от положения центров тяжести. Для несферических молекул наиболее естественный способ – изменение ориентации молекул. Ориентационные переходы могут происходить не только в кристаллической фазе, жидкой, но даже в смектической фазе. У некоторых органических жидкостей имеется низкотемпературная фаза, в которой молекулы выстроены преимущественно в одном направлении: эти анизотропные жидкости называются нематическими или нематиками. Они пространствено непорядочены, но ориентационно упорядочены. При высокой температуре они испытывают переход в обычную (изотропную) жидкую фазу.

Название «жидкие кристаллы» обычно применются и для смектиков, и для нематиков. Оба эти типа существуют, только если составляющие их молекулы или группы молекул сильно вытянуты.

Исследования показали, что жидкокристаллическое состояние вещества возникает не только при нагревани, но и при растворении некоторых кристаллических веществ, например олеата аммония в смеси воды и спирта. Такие жидкие кристаллы называются лиотропными в отличие от термотропных жидких кристаллов, образующихся при нагревании. У некоторых веществ жидкокристаллическое состояние возникает лишь при переохлаждении раствора.

Уникальные свойства жидких кристаллов делают их исключительно перспективными для науки, техники, медицины. Применяют жидкие кристаллы чаще всего для следующих целей: преобразование инфракрасного излучения и СВЧ излучения в видимое излучение. В информационной технике – для получения и передачи изображения. В электронной технике – в качестве запоминающих устройств, датчиков, реагирующих на давление и сдвиговые напряжения; 4) для измерения температуры, и обнаружения токсичных веществ и т.д. Жидкие кристаллы так же применяют для создания лазерных модуляторов, избирательных фильтров, датчиков для настройки оптических приборов, юстировки инфракраснрой оптики, решения сложных технических проблем простейшими способами.

Жидкокристалличнское состояние присуще многим белкам и жирам, входящим в состав костей, мозга, мышц, сухожилий; ферментам, передающим наследственные признаки. В жизнедеятельности человека и животного большую роль играет холестерин, который сам по себе не жидкий кристалл. Жидкими кристаллами являются его эфирные соединения. Нарушение обмена этих соединний в организме приводит к заболеванияю атеросклерозом. Чтобы уметь управлять механизмом образования и разрушения жидких кристаллов в организме человека, нужно знать их структуру и свойства.